渐扩变截面通道对会切磁场推力器性能的影响

陈蓬勃,刘辉,胡鹏,孙强强,于达仁

哈尔滨工业大学等离子体推进实验室,哈尔滨150001

渐扩变截面通道对会切磁场推力器性能的影响

陈蓬勃*,刘辉,胡鹏,孙强强,于达仁

哈尔滨工业大学等离子体推进实验室,哈尔滨150001

为了改善会切磁场推力器在低功率下对中低等流量变化的不适应性,采用了一种渐扩的变截面通道设计来提升推力器中低等流量下的性能,对比了两种等截面通道与一种渐扩通道在中低等流量下的性能。虽然渐扩通道与小直径的等截面通道相比,会略微降低通道内的原子密度,但渐扩通道由于减小了出口离子能量损失,同时增大磁镜比促进电离,从而能够提升推力器在同等推力水平下的效率。而大直径等截面通道和小直径等截面通道分别由于原子密度过低及壁面损失较大,性能均不如渐扩通道。因此,渐扩型变截面通道在中低等流量变化范围内具有更优的性能,这对推力器性能的进一步优化具有重要意义。

会切磁场推力器;渐扩变截面通道;中低等流量;直接模拟蒙特卡洛

电推进以其比冲高、寿命长、结构紧凑、体积小和污染轻等优点逐渐受到航天界青睐,无论是对近地空间航天器的控制或是深空探测及星际航行的主推进都有重要作用。会切磁场等离子体推力器是一类新型电推进概念。不同于传统霍尔推力器,会切磁场等离子体推力器靠多级永磁铁来形成会切磁场,其中相邻的两个永磁铁极性相反,这使得在磁尖端处形成了磁镜效应[1]。陶瓷放电通道上游放置阳极,出口放置空心阴极,工质经由上游的气体分配器进入通道后与阴极释放电子碰撞发生电离,电离后产生的离子在轴向电场作用下加速喷出形成推力,电子则通过碰撞传导最终到达阳极。由于磁尖端的磁镜效应和尖端外平行于通道轴线的磁力线的约束,电子很难到达壁面,从而大大降低了电子对通道表面的腐蚀,提高了效率,延长了推力器的寿命[2]。会切磁场推力器的诸多优势,吸引了许多研究机构的注意,例如德国Thales机构研制的HEMPT[3],美国MIT研制的发散型会切磁场推力器(DCFT)[4]和Stanford大学研制的圆柱形会切磁场推力器(CCFT)[5]等。

随着小卫星技术的迅速发展,各种小卫星推进设备也层出不穷。实验与理论均已证实,会切磁场推力器可实现推力从微牛到牛的无级调节,这使得其在小卫星推进领域中具有很大的应用价值[6],如微重力补偿、大气阻力补偿、姿态调节等。这要求推力器的推力需要实时变化,会切磁场推力器调节推力的一种有效措施便是调节阳极流量,然而,在工质流量变化时,推力器性能的变化也较为显著。低流量(即低通流密度)下,不满足充分电离准则,通道内电离不充分;而在中等流量的高通流密度下,等离子体与壁面的相互作用程度加剧,同样引起性能的下降。因此,通过渐扩变截面通道设计来保证电离区足够高原子密度的同时减小通道壁面与等离子体的相互作用,是可能有效提升推力器性能的方案之一。

关于渐扩变截面通道会切磁场推力器的研究,主要有MIT研制的DCFT[7-8]和Thales机构研制的高效多级会切磁场等离子体推力器(HEMPT)[9]。MIT的渐扩通道的主要设计理念在于通过逐渐增大通道截面尺寸来减小离子喷出时的磁化程度以及离子对通道壁面的冲击,通过这种变截面通道设计使得推力器在10 mL/min阳极流量、400 V阳极电压下达到了16 mN、30%的效率。而Thales对其通道的设计来源并没有确切说明,但该通道适用于高功率大推力的任务需求,其最高效率可达55%,对应的推力和比冲分别为250 mN和3×104m/s[10]。霍尔推力器中,哈尔滨工业大学的武海峰曾做过类似渐扩通道变截面通道研究[11],结果表明这种变截面通道设计极大地拓展了推力器稳定工作范围,并且存在一定的最优低流量工作范围,此范围内推力器性能可以达到等截面通道大流量下的最优工况。

总而言之,尽管各个机构所研制的变截面通道结构迥然不同,但是都对会切磁场推力器性能的提升起到极为重要的作用,然而国外文献中尚未见到关于变截面影响研究的详细报道。本文介绍的变截面通道设计主要目的在于使推力器在中低等的流量变化范围内都有较强的适应性,其性能不会因为流量的调节出现较大下降。

1 变截面通道对中性气体流动的影响及其匹配磁场

中性原子密度是影响推力器通道内电离率大小的主要因素之一,因此首先通过数值模拟方法模拟渐扩变截面通道对中性气体流动的影响,并与两种内径的等截面通道进行对比。三种通道的形貌如图1所示,两种等截面通道的内径分别是20 mm和39 mm,渐扩变截面通道的等截面部分内径为20 mm,通道出口内径为39 mm,对应扩张角度为24.68°,所有通道的长度均是84 mm。由于推力器通道内气体属于稀薄气体动力学中过渡领域流动的范畴,这时连续介质方法和简单的自由分子流理论均不适用,因此采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法来模拟通道内中性原子密度分布。本次计算中每个模拟分子代表的实际分子数量(FUNM)为6×1013,网格尺寸为1 mm,近似为分子平均自由程的三分之一。对射流小孔所在区,由于原子密度过高,取模拟分子权重为0.01,同时网格尺寸减小到0.1 mm,以减小FUNM值。计算时间步长Δt为1.2×10-6s,分子模型为变径硬球模型(VHS),进气参数粒子数密度n为1×1020,轴向速度u为0 m/s,径向速度v为200 m/s,出口边界条件为真空。更详细的模拟信息可参考文献[12]。图1所示为模拟得到的结果,Z为通道与阳极的距离,R为通道半径。

图1 变截面通道与等截面通道内原子密度分布对比Fig.1 Atom density comparison of variable cross-section channel with constant-section channel

根据模拟结果可知,直径为20 mm的等截面通道内原子密度最大,其次为渐扩通道,直径为39mm的等截面通道内原子密度最低,且远远低于前两者。通道内电离区主要发生在Z=30 mm附近,即靠近阳极的第二个磁尖端附近[12],而三种通道内此处的原子密度分别对应为: 7.9×1019m-3,5.2×1019m-3,1.7×1019m-3。图2所示为通道中心原子密度的一维分布曲线,可以更加清楚地看到三种通道内原子密度的相对高低。渐扩通道内原子密度分布与直径20 mm的等截面通道内原子密度分布较为接近,由于渐扩通道出口段为扩张型,出口段气压要低于等截面通道的出口段,从而使得通道内整体原子密度略有下降。

图2 三种通道内原子密度分布对比Fig.2 Atom density comparison of three channels

为保证三种通道长度相同,均在相同永磁铁长度下优化磁场设计。为尽量减小磁场差异对推力器性能带来的影响,三种通道的磁场均设计为三级,并且每一级永磁铁的长度也相同。在此基础上改变磁场强度,使得性能最优化,

图3 三种通道的匹配磁场位形Fig.3 Magnetic field configurations of three channels

图3所示为得到的三种通道分别所对应的最优磁场位形。可以看到,通道直径减小后,由于通流密度增大,等离子体更易与壁面发生作用,因此所需的磁场强度也较强,以实现对等离子体更为有力的约束。关于磁场强度与等离子体空间分布的影响关系可参考文献[3-4],磁场强度增大后,等离子体将会更加远离壁面。

2 试验设备及参数测量

与渐扩通道搭配的试验用会切磁场推力器,最大外径为102 mm,整体长度为91 mm,质量为1.5 kg。试验所需的真空环境靠4×Φ1.5m的真空罐实现,试验中起始真空压力为1.0×10-4Pa,推力器工作时真空压力在3.7×10-3Pa以下。试验中用到的阴极数量为一个,属于热发射空心阴极,发射体为LaB6,阴极被固定在距离出口约10 cm、距离通道中心约8 cm的位置。试验中,阴极工质和阳极工质均为氙气,并稳定阴极流量为3 m L/min,保持阴极位置不变,测试不同通道在不同工况下对推力器性能的影响。试验中推力测量装置如图4所示,推力通过三丝扭摆平台测量,整个扭摆平台被三根钨丝吊起,利用配重调整平台水平并使三根丝线的受力均匀。在推力器产生推力时,整个平台会因为扭转力矩产生偏转。通过固定在平台上的反射镜,平台偏转的角度可以通过激光反射的方式转化为标尺上光斑的移动距离。在推力器工作前首先进行标定,测量在特定的砝码重力作用下光斑移动的距离,据此与推力器工作时得到的光斑移动距离进行比例计算,即可得到推力器产生的推力。

图4 推力测量装置示意Fig.4 Diagram of thrust measuring equipment

在测得推力器推力、阳极电流和阳极电压后,可计算得到阳极效率:

式中:U为阳极电压;I为阳极电流;˙m为工质质量流量;T为推力器产生的推力。

图5 三种通道恒定流量下推力器性能测试结果Fig.5 Experimental results of three channels at constant gas flow rate

3 试验结果与讨论

图5所示为三种通道在5 mL/min和10 mL/ min两种典型工作流量下测试得到的结果。从图5(a)所示的伏安特性曲线可知,高于300 V后推力器电流变化较小;低于300 V时,电流增长较快,并且存在模式转变[8],因此,图5所示的试验结果均在300 V以上的稳定工作范围内。300 V以上,通道内主电离区的电离已经相当充分,因此电流增长较为缓慢,甚至稳定不变。而对于10 m L/min下直径20 mm的等截面通道,300 V和350 V电流值较大,是推力器工作模式由大电流模式向低电流模式转变未完成所致。图5(b)显示推力器推力随阳极电压的增大而增大,这是由于阳极电压增大后,离子的加速能量也会相应增大,从而产生更大的推力。对于阳极效率,如图5(c)所示,也是随着阳极电压的增加而增大,这是电压升高电离率增大的缘故。但是电压增大到一定程度后,电离率的增长已经极为缓慢,这是因为电场能过强,使得磁场对等离子体的束缚减小,一定程度上会造成壁面损失的增加,最终使得效率的增长也极为缓慢。这与之前的试验结果相似[15]。

对比三种通道的试验结果可知,在两种阳极流量下,直径为20 mm的等截面通道电流均最大,其次是渐扩通道,而直径为39 mm的等截面通道电流最小。这与通道内的原子密度分布有关,根据模拟结果可知,直径为20 mm的等截面通道内原子密度最高,电离产生的等离子体密度也越大,因此其电流也最大。在推力上,由于直径为39 mm的等截面通道内原子密度过低,电离率也较低,产生的推力也最小。然而,渐扩通道与直径为20 mm的等截面通道所产生的推力却比较接近。虽然渐扩通道内原子密度与直径20 mm的等截面通道内原子密度相比略有减小,但是由于离子加速区主要集中在出口[16-17],直径20 mm的等截面通道在出口处截面积要小于渐扩通道,因此离子喷出过程中对渐扩通道壁面的冲击要小于直径为20 mm的等截面通道。因此,渐扩通道减小了出口离子能量的损失,弥补了其原子密度略微下降的缺点。此外,从磁场位形上来讲,渐扩通道由于出口磁场的弱化,其磁镜比略有增大,这对电离率有一定促进作用,这些都使得渐扩通道最终产生了与直径为20 mm的等截面通道较为接近的推力。霍尔推力器中,也曾采用类似渐扩型的自然腐蚀形貌通道,减小了离子对壁面的冲击,并最终提高了推力器的综合性能[18]。效率分布上,同样由于上述作用,在10 m L/min流量下,渐扩通道的效率明显高于直径为20 mm的等截面通道。而在5 m L/min的较低流量下,通道内等离子体密度较低,此时等离子体与壁面的相互作用相应减小,渐扩通道对减小壁面离子流损失的优势并不像大流量下那么明显,因此低流量下渐扩通道与直径为20 mm的等截面通道效率相近。而对于直径为39 mm的等截面通道来说,推力器内部等离子体密度非常低从而使得电离率严重不足,故而效率最低,流量越低这种劣势更明显。

如图6所示为三种通道在500 V阳极电压、不同阳极流量下的测试结果。图6(a)、(b)显示阳极电流和推力均随阳极流量的增加而增大,并近似呈线性关系,这是阳极流量增大后电离率以及电离产生的等离子体密度增大的直接结果。效率分布上,对于渐扩通道和直径为39 mm的等截面通道,也都由于电离率的增加表现出随着阳极流量的增加而增大。而对于直径为20 mm的等截面通道来说,流量增大到10 m L/min时效率不再增大,主要是因为该通道直径较小,通道内原子密度太高,磁场约束相对弱化,较多等离子体与壁面发生相互作用,离子能量损失严重,最终引起效率增加缓慢甚至减小,在更高流量下直径为39 mm的等截面通道和渐扩通道同样也会表现出效率下降的趋势[12]。但是,直径为39 mm的等截面通道其效率随流量的增大速率则越来越大,并高于其余两种通道,这表明直径为39 mm的等截面通道在大流量情况下更加适用,而不适用于小流量。整体上来看,渐扩通道不仅能达到相同流量下直径20 mm的等截面通道所产生的推力,而且其效率能达到更高;而直径为39 mm的等截面通道则明显表现出对低流量工况的不适应性,各个性能参数在低流量下均比较低。因此,对于这种低流量的小功率水平,渐扩通道则表现出极大的优势。

图6 三种通道在500 V阳极电压下推力器性能测试结果Fig.6 Experimental results of three channels at 500 V anode voltage

4 结束语

在满足低流量低功率的小卫星推进任务需求的过程中,等截面通道型的会切磁场推力器表现出了若干问题:通道直径较大时,推力器内的电离率较低,性能较差;而推力器直径较小时,通道内等离子体与壁面的相互作用程度增加,使得效率降低,并对推力器的寿命也有很大影响。通过一种渐扩型的变截面通道设计,可以有效改善上述情况。虽然DSMC模拟结果显示,这种渐扩通道会略微降低通道内的中性原子密度,但是渐扩通道极大减小了离子喷出过程中对通道壁面的腐蚀,从而减小了离子束流的能量损失;此外,渐扩通道一定程度上也增大了出口级的磁镜比,促进了电离率的增大。试验结果表明,渐扩通道与等截面通道相比,在能实现相同推力的同时,还能进一步提高推力器的效率。

然而,渐扩变截面通道对会切磁场推力器通道内放电参数的影响还有待进一步研究,探针测量以及通道出口壁面热沉积的测量将会在未来工作中展开。同时,研究者将会设计更多不同的变截面通道,进一步提升推力器性能。

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(编辑:高珍)

Effect of diverging variable-cross-section channel on performance of a cusped field thruster

CHEN Pengbo*,LIU Hui,HU Peng,SUN Qiangqiang,YU Daren
PlasmaPropulsionLaboratory,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China

The adaptability of cusped field thruster changes with different operating conditions,especially with different efficiencies,which changes a lot at different gas flow rates.To overcome this problem,a diverging variable-cross-section channel was proposed to improve the performance of cusped field thrusters at low and middle gas flow rate. Meanwhile,two constant-section channels with a big diameter and a small diameter respectively were introduced to be compared with the diverging channel.Although the diverging channel may cause a little decline in the atom density compared to the smallconstant-section channel,the diverging channel improves the efficiency at both low and middle gas flow rates on the premise of providing a considerable thrust,because it decreases the energy loss of ions at exit and promotes ionization by improving the magnetic mirror ratio.In comparison,both the big constant-section channel and the small constant-section channel have low performances due to a lower density of gas and a bigger wall loss. Therefore,a diverging channel is beneficial to improving the performance of a cusped field thruster at low and middle gas flow rate.

cusped field thruster;diverging channel;low and middle gas flow rate;direct simulation Monte Carlo

V430

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0026

2015-12-10;

:2016-01-08;录用日期:2016-00-00;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-04-19 15:39:26

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1539.010.html

国家自然科学基金(11505041,11275055),国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51421063)

陈蓬勃(1992-),男,硕士研究生,1151786040@qq.com

*通讯作者:刘辉(1981-),男,副教授,huiliu@hit.edu.cn,主要研究方向为电推进和等离子体仿真

陈蓬勃,刘辉,胡鹏,等.渐扩变截面通道对会切磁场推力器性能的影响[J].中国空间科学技术,2016,36(2):

74-80.CHENPB,LIUH,HUP,etal.Effectofdivergingvariable-cross-sectionchannelonperformanceofacusped fieldthruster[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):74-80(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn