30 cm口径离子推力器热特性模拟分析

孙明明，张天平，王 亮

(兰州空间技术物理研究所 真空低温技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000)

0 引言

30 cm口径离子推力器(LIPS-300型)是针对新一代大型桁架式结构卫星平台全电推进应用目的而研制[1]，从推力器尺寸的变化及某些关键部组件的更新显示出这是一款结构相对较新的推力器产品，因此对LIPS-300的各项性能需要开展深入研究，而其热性能参数作为重要的研究方向，可以直接反映出推力器的能量损失及其所接触的航天器表面热特性，因此需要作为推力器重要的设计内容之一。在LIPS-300离子推力器的基础上开展热分析，分析结果对热设计方面会具有指导意义。

1 边界条件

由于离子推力器基本原理是依靠气体放电并中和产生推力，因此热模型需要从离子推力器放电腔内部各类带有能量的粒子沉积开始进行讨论。对于环形会切场推力器能量沉积过程中占有主导地位的是等离子体云团向放电腔不同内表面的辐射[2-3]。

热边界条件的获得根据LIPS-300目前实际工作性能参数进行计算，LIPS-300目前有两种工作模式分别为大推力模式(功率5 kW)和小推力模式(功率2 kW)，文章根据推力器一般工作模式即大推力模式计算边界条件并开展分析。

热边界条件计算过程根据推力器气体放电能量沉积理论编写软件生成。从理论出发首先需要考虑放电过程中各类能量粒子的产生率和损失率，从而计算各类粒子密度，并根据密度计算在不同能量沉积部件上形成的电流，最后根据电流计算出能量分布。推力器放电稳定后能量平衡等式为：

(1)

对于主阴极和中和器发射体温度根据Richard-Dushman公式预估，即：

(2)

根据公式(2)以及空心阴极的发射电流Ie估算出阴极发射体温度Tcath，如图1所示，当发射电流达到17.6 A，反推出发射体温度为1 821 ℃，由于发射体采用LaB6材料，需要较高的温度才能克服逸出功并产生电子，参考30 cm口径推力器较高的发射电流和前期研究者开展的空心阴极热试验结果[4]，认为结果是合适且可信的。

如图2所示为LIPS-300大推力模式下的热功耗计算，结果为LIPS-300总热耗共463.24 W，其中阳极筒占345.63 W，阴极触持、屏栅以及加速栅则分别加载剩余功耗。

根据图2中LIPS-300热功耗计算结果，将功率以面热流形式加载在相应部件表面。由于推力器实际工作参数以及真实试验环境，是在真空环境下工作，因此只考虑热传导和辐射影响，设置推力器工作条件和空间环境温度22 ℃，并在所有可能对外辐射的表面设置发射率以模拟真实地面试验。推力器加载热边界条件如表1所列。

图1 空心阴极发射体温度预估值

图2 LIPS-300大推力模式热功耗计算

2 推力器有限元建模

推力器模型为与真实推力器1∶ 1的PRO/E模型，使用ANSYS-Workbench有限元分析软件开展热学分析工作，利用PRO/E与ANSYS的接口，将结构实体导入有限元软件平台进行分析。

实体模型导入后进行细化操作，包括各模块的尺寸公差、连接关系、相互接触面等，适当进行内部复杂结构的布尔操作以及表面通孔、突起的修复。中和器阴极由于处于推力器外部，其对推力器内部整体温度分布影响微弱，主要影响推力器前外壳及接触表面，因此在建模过程中将其忽略。其次对于栅极系统，真实推力器栅极表面约有17 000个小孔，在有限元模型中是无法建模并划分网格的，因此在模型处理过程中将栅极小孔全部填充处理，而通过在有限元软件中对栅极组件设置几何透光率(加速栅为27%，屏栅为67%)等效处理为开孔状态。

表1 LIPS-300离子推力器材料特性

如图3所示为LIPS-300离子推力器有限元模型。

LIPS-300所加载的辐射关系、类型以及材料表面发射率如表2所列。

图3 LIPS-300离子推力器有限元模型

表2 LIPS-300离子推力器热辐射类型及发射率

3 热特性分析结果

在建模完成的LIPS-300离子推力器能量沉积部位加载相应的热边界条件，首先在推力器内部、外部所有受真实固定约束处加载固定载荷，运算过程为先运算稳态热分析，其次将稳态分析结果作为输入条件进一步求解热应力分布，结果如图4所示，受篇幅所限，仅给出最为关心的个别部件温度分布和应力形变位移。

图4 推力器稳态热分析及热形变仿真结果

4 热设计优化

从上述结果看出，推力器稳态工作时内部温度较高，在推力器高温薄弱环节上、下磁钢处的温度范围达到了296～330 ℃的范围，这已经超出了推力器磁钢的工作允许范围。推力器若长期在此温度下工作会严重影响SmCo永磁铁的磁性能，从而影响放电性能，导致推力器不能正常输出额定参数。

其次推力器内部的放电腔即上、下阳极筒由于高温引起的形变位移也是重要考虑因素，热形变过大会导致阳极筒结构出现严重失调，从而影响推力器的放电性能。

由于推力器属于电真空器件，工作环境为真空，因此只能考虑通过传导或辐射将推力器内部产生的热量引出，以达到降低内部器件工作温度的目的。因此增大面-面之间的辐射换热(即提高表面红外发射系数)是可采取的措施。推力器现有表面均为不处理铝本色表面，其发射率为0.16～0.18，以提高表面发射系数为目标考虑，对推力器前后外壳内外表面，前后屏栅筒外表面，采用提高发射率手段(提高表发射率可以采用电镀氧化物、热控涂层等多种方式)，将上述推力器6个表面的发射率提高至0.75～0.8之间后重新开展运算，结果如图5所示，仅给出关心部位的温度分布和热形变位移。

从比对结果来看，通过提高推力器内外部件的表面发射率，可以有效降低推力器内部部件温度。推力器内部关键部件的整体温度分布得到了优化，最为关心的磁钢降温幅度一般均在100 ℃左右，在某些部位降温幅度甚至达到120 ℃左右，磁钢温度已经能够满足工作温度上限要求。

图5 推力器热设计优化后稳态热分析及热形变仿真结果

由于温度梯度的降低，因此推力器整体热形变位移也随之明显下降，对推力器工作可靠性有了大幅的提升和保障。

5 结论

根据仿真结果来看，提高推力器表面发射系数可以有效的增大推力器内部的辐射交换热流，从而达到降低推力器整体温度的目的。目前虽尚未对30 cm口径推力器开展热试验，但从前期对20 cm口径LIPS-200推力器进行的表面处理热试验结果来看，降温幅度基本在70～80 ℃。

对于表面涂层的选择，电镀本色阳极化是一种简单且有效的方式，但阳极化处理在大幅提高发射率的同时，吸收率也会随之提高并且使得原有推力器表面铝本色的导电状态发生了改变，因此本着最大限度降低推力器内部温度分布的目的出发，热设计建议为在推力器内部部件(前、后屏栅筒)外表面可以选择采用阳极化这一稳定且较为简易的工艺进行处理，而对于推力器前后外壳外表面可以选择导电多层热控涂层镀膜，以满足外表面高发射率且低吸收率的需求，且不会破坏推力器外壳表面导电的状态。

参考文献：

[1]张天平.国外离子和霍尔电推进技术最新进展[J].真空与低温，2006，12(4)：187-193.

[2]Wen L, Crotty J D. Ion Thruster Thermal Characteristics And Performance[C]//AIAA 9thElectric Propulsion Conference，1972:476-488.

[3]Jon C Oglebay. Thermal Analytic Model of a 30 cm Engineering Model Mercury Ion Thruster[C]//AIAA 11thElectric Propulsion Conference，1975:344-360.

[4]孙明明，顾左，郭宁，等. 离子推力器热特性模拟分析[J]. 强激光与粒子束，2010，22(5)：1149-1152.