阴极挡板对30 cm氙离子推力器性能影响的研究

胡　竟，江豪成，王　亮，王小永，顾　左

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

阴极挡板对30 cm氙离子推力器性能影响的研究

胡竟，江豪成，王亮，王小永，顾左

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

束流分布是表征离子推力器性能的关键技术指标，直接影响到离子推力器的工作稳定性和可靠性。针对引出束流分布不均匀导致30 cm氙离子推力器离子光学系统打火保护的问题，开展了阴极挡板性能试验，研究分析了阴极挡板对离子光学系统引出束流的影响作用关系，以及设置阴极挡板前后和设置不同规格阴极挡板时推力器放电室性能变化规律。试验表明：设置阴极挡板可有效提高离子光学系统引出束流分布的均匀性，进而改善推力器的连续工作稳定性；同时，设置阴极挡板后，推力器在高功率工作模式下的放电室阳极电压、放电损耗与未设置阴极挡板相比有明显增大，且放电室阳极电压、放电损耗随阴极挡板直径的增大而增大。研究为提高30 cm氙离子推力器工作稳定性提供技术指导。

氙离子推力器；束流分布；阴极挡板；工作稳定性

0　引言

离子推力器具有比冲高、寿命长、工作模式可调等显著特点，采用离子推力器已成为提升航天器整体性能与技术水平的重要手段，美国、俄罗斯、欧洲等国外航天技术先进国家和地区在二十世纪90年代中期，就已经实现了电推力器在航天器中的商业应用，取得了显著的经济效益［1-2］。进入21世纪后，电推力器在航天领域的应用更是日益广泛，截至2013年，世界上采用电推进作为推进系统的航天器已达到两百颗以上，其应用范围从应用初期地球同步轨道（GEO）卫星单纯的东西或南北位保拓展到了全位保（包括东西位保、南北位保、偏心率修正、动量轮卸载及寿命末期离轨等）和轨道提升。美国波音公司开发并采用XIPS-25 cm离子推力器承担卫星全部推进任务的首个全电推进卫星平台BSS-702SP平台也即将进入应用阶段［3］。

30cm氙离子推力器是针对某型卫星平台15年在轨期间的位置保持、轨道转移及动量轮卸载等任务需求研制的考夫曼型离子推力器，该推力器将在5 kW高功率工作模式和3 kW低功率工作模式下为卫星提供满足要求的推力、比冲。现已实现推力器在两种工作模式下的连续工作稳定性和开关机工作稳定性。束流分布作为表征离子推力器性能的关键技术指标，直接影响到离子推力器的工作稳定性和可靠性。鉴于30cm氙离子推力器离子光学系统中心区域小孔引出束流密度远大于边缘区域小孔的引出束流密度，束流分布均匀性较差，多次出现离子光学系统打火导致推力器保护的情况。针对引出束流密度分布不均匀导致推力器离子光学系统打火保护的问题，为提高离子光学系统引出束流的均匀性，需进一步改善离子推力器放电室内等离子体分布的均匀性。

基于30 cm氙离子推力器放电室现有结构，为提高离子光学系统引出束流的均匀性，在放电主阴极前方设置阴极挡板，开展了阴极挡板对30 cm氙离子推力器性能影响的试验研究，分析了阴极挡板对离子光学系统引出束流的影响作用关系，以及设置阴极挡板前后和设置不同规格阴极挡板时推力器放电室性能变化规律，从而最终实现改善离子光学系统引出束流均匀性，提高推力器工作稳定性的目标。

1　试验产品与设备

试验用离子推力器为30 cm氙离子推力器原理样机，放电主阴极与中和器均为LaB6空心阴极，离子光学系统采用钼材料双栅极结构。

试验在TS-6A设备上开展，如图1所示，真空室为Φ2 000 mm（内径）×5 000 mm（直段），采用低温泵、粗抽机组、分子泵和涡旋泵机组进行抽气，真空室极限压力可达1.0×10-4Pa，工作压力优于1.0×10-3Pa。

图1　30 cm氙离子推力器阴极挡板试验设备示意图

同时，采用束流测量装置对推力器光学系统轴线方向70°范围内的束流进行测试。利用地面试验电源为推力器及设备提供供电，并由具备闭环调节功能的地面氙气供气单元进行供气。

2　试验方法及内容

开展试验前，需首先确定阴极挡板与放电主阴极的安装位置关系。图2所示为阴极挡板与放电主阴极的安装位置关系示意图。

图2　阴极挡板安装位置示意图

如图2所示，将阴极挡板安装在放电主阴极顶前方20 mm处。同时，为实现不同规格挡板的快速更换，利用十字槽盘头螺钉将挡板固定在安装块上。在不影响放电室性能的前提下，通过支撑杆将挡板安装块焊接在阴极安装法兰上。在此基础上，结合30 cm氙离子推力器不设置阴极挡板时的束流分布特点，确定分别采用Φ40 mm、Φ70 mm两种直径规格的阴极挡板。如图3所示为30 cm氙离子推力器结构及其供电原理示意图。

试验过程中，在离子推力器正常供气及稳定工作情况下，对不设置阴极挡板及分别设置Φ40 mm、Φ70 mm阴极挡板等三种工况中的低功率工作模式、高功率工作模式下的引出束流特性进行测试，同时，每隔10 min对放电室性能参数进行一次测试。

图3　30 cm氙离子推力器结构及其供电原理示意图

为确保不同工况间的试验具有可对比性，在满足并不影响30 cm氙离子性能要求的前提下，将不同试验工况中加速栅极电压、放电主阴极触持极电流、中和器触持极电流均分别设置在-300 V、2.8 A和1.8 A。

3　试验结果与分析

3.1束流特性分析

试验过程中，推力器在三种工况、两类工作模式下的引出束流分布变化规律如图4、图5所示。

图4　低功率模式下束电流密度的分布曲线对比图

图5　高功率模式下束电流密度的分布曲线对比图

从图4、图5研究结果可得六个方面结论：

（1）设置阴极挡板可有效改善推力器离子光学系统引出束流分布的均匀性，但Φ40 mm阴极挡板与Φ70 mm阴极挡板对束流分布的影响程度基本一致；

（2）未设置阴极挡板情况下，推力器离子光学系统的引出束流分布均匀性较差，其边缘区域小孔利用率低。在低功率工作模式下，引出束流密度分布呈倒“V”型，中间区域束流密度远大于边缘区域束流密度，在高功率工作模式下，高束流密度区域有所扩展，但仍远高于边缘区域束流密度；

（3）设置阴极挡板情况下，推力器引出束流分布的均匀性较好，离子光学系统边缘区域小孔得到有效利用，从而降低了中间区域的引出束流密度，因此在低功率和高功率工作模式中，引出束流密度分布呈中间区域均偏低的倒“U”型；

（4）由于推力器磁场分布不均匀，使得放电室内等离子体分布产生差异，导致离子光学系统引出束流密度分布不对称；

（5）设置阴极挡板后，推力器在高功率工作模式中的放电损耗有所增大，放电室内温度显著提高，导致阴极挡板受热产生塑性变形，边缘区域产生翘曲，同样导致放电室内等离子体分布产生差异；

（6）随着阴极挡板直径增大，放电室中心区域的电子浓度将会逐渐减少，进而逐渐降低该区域的等离子密度，导致推力器的引出束流在离子光学系统中心区域偏小，存在“凹坑”，在高功率工作模式下，该“凹坑”效应会明显提升。

3.2放电室性能分析

试验过程中，推力器在三种工况、两类工作模式下的放电室性能参数如表1、表2所列。

如表1、表2所列数据，通过对测试的工作参数计算得到推力器性能指标可以发现：

（1）在低功率工作模式下，推力器未设置阴极挡板及设置不同规格的阴极挡板时，产生相同的推力、比冲，放电室所消耗的功率不同。其中，在设置Φ40 mm阴极挡板时，放电损耗最小，约为170 W/A；

（2）在高功率工作模式下，推力器产生推力、比冲基本相同时，设置阴极挡板后，放电室消耗功率与未设置阴极挡板相比有明显增大，同时，随着挡板直径的增大，放电损耗会逐渐增大；

（3）在推力器内部设置阴极挡板对中和器性能无影响。在三种试验工况中，中和器触持极输出电压基本不变；

（4）在放电主阴极前设置阴极挡板对其工作性能存在显著影响。三种试验工况中，设置阴极挡板后的放电主阴极触持极输出电压比未设置阴极挡板的输出电压小，同时，在阴极挡板与触持极顶间距保持一致的情况下，触持极电压随阴极挡板直径的增大而逐渐减小。

表1　推力器在低功率工作模式的性能参数

表2　推力器在高功率工作模式的性能参数

4　结论

为提高30cm氙离子推力器离子光学系统引出束流分布的均匀性，开展了阴极挡板对推力器性能影响的试验研究，分析了阴极挡板对离子光学系统引出束流分布的影响作用关系，以及设置挡板前后和设置不同规格阴极挡板时推力器放电室性能变化规律。试验结果表明：设置阴极挡板可有效提高推力器引出束流分布的均匀性，进而改善推力器的工作稳定性。同时，设置阴极挡板后，推力器在高功率工作模式下的放电室阳极电压、放电损耗与未设置阴极挡板相比有明显增大，且放电室阳极电压、放电损耗随阴极挡板直径的增大而增大。

项目在下一阶段将深入开展相关试验研究，并结合数值模拟和理论分析的手段，进一步分析阴极挡板对30 cm氙离子推力器性能的影响机理，以有效改善30 cm氙离子推力器工作稳定性。

［1］张天平，田华兵，孙运奎.离子推进系统用于GEO卫星南北位保使命的能力与效益［J］.真空与低温，2010，16（2）：72-77.

［2］张天平，李小平，陈继巍，等.LIPS-200离子推力器束流模型及其应用［J］.真空与低温，2011，11（3）：136-139，165.

［3］张天平，陈娟娟，李兴坤.中高功率离子推力器的性能参数研究分析［J］.真空与低温，2012，18（1）：9-20.

［4］陈琳英，江豪成，郑茂繁.离子推力器束流密度分布测量［J］.真空与低温，2007，13（3）：155-158.

［5］陈琳英，宋仁旺.氙离子推力器束流分布特性研究［J］.火箭推进，2007，33（4）：20-22.

［6］King H J，Poeschel R L，et al.Low voltage 30 cm ion thruster development［R］.NASA-CR，1993.

［7］SenguptaA.Experimentalandanalyticalinvestigationofaringcusp ion thruster：discharge chamber physics and performance［D］.UniversityofsouthernCalifornia，2005.

［8］WilliamsGJ.Theuseoflaser-inducedfluorescencetocharacterize discharge cathode erosion in a 30 cm ring-cusp ion thruster［D］.UniversityofMichigan，2000.

STUDY ON PERFORMANCES OF 30 cm XENON ION THRUSTER SUBJECTED TO CATHODE BAFFLE

HU Jing，JIANG Haocheng，WANG Liang，WANG Xiaoyong，GU Zuo
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

Beam distribution is an important technical parameter to indicate the performance of ion thruster，it directly influences the working stability and reliability of ion thruster.Aiming at the problem of spark down of the ion optics system for 30 cm Xenon ion thruster because of the beam distribution imbalance，the cathode baffle test was developed and the relationship between the cathode baffle and the beam distributions was observed.The influence of fore-and-back setting cathode baffle and setting different types cathode baffle on the discharge chamber performance were researched.The results showed that setting cathode baffle could effectively improve beam distributions of the ion optics system，and the working stability of the ion thruster.The anode voltage and discharge loss was enhanced after setting cathode baffle in the high power mode，and with the diameter of the cathode baffle’s increasing.Above research will certainly provide technical guidance for improving working stability for the 30 cm Xenon ion thruster.

Xenon ion thruster；beam distribution；cathode baffle；working stability

V439+.1

A

1006-7086（2015）02-0103-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.010

2015-02-04

真空低温技术与物理重点实验室基金项目（9140C550211120C5501）

胡竟（1988-），男，宁夏吴忠人，助理工程师，硕士，主要研究放电等离子电推力器技术与应用工作。E-mail：hjing37615486@163.com。