LIPS-300离子推力器放电室设计及实验研究

王 亮，张天平，江豪成，陈娟娟，王小永

（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）

LIPS-300离子推力器放电室设计及实验研究

王 亮，张天平，江豪成，陈娟娟，王小永

（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）

梳理了放电室工程化设计的基本流程，包括磁场位形设计、几何构型设计、磁极数设计、供气方式设计以及关键参数设计，其中关键参数又包括长径比、磁极位置、磁钢尺寸、阴极位置等。按照上述流程，完成了LIPS-300放电室设计，并通过仿真分析、实验数据对设计的结果进行了验证，证明设计的柱形磁铁四级场、直锥双段放电室，无论放电损耗、束流平直度均优于三级场放电室。

离子推力器；放电室；设计与实验

0 引言

放电室是离子推力器维持放电并产生等离子体的区域，其设计原则是提高放电效率和栅极出口等离子体分布的均匀性[1]。放电室的设计是推力器设计的重点和难点，重点体现在推力器最重要的工程参数如放电损耗、工质利用率以及束流平直度指标的高低决定了放电室性能，且这三项工程参数是推力、比冲、功率等性能参数实现的基础；难点体现在放电室和其他部组件存在较强的偶合关系，影响放电室性能的因素众多，并且相互耦合，到目前为止也没有一套系统的、定量的设计方法可以借鉴参考[2]。

针对LIPS-300离子推力器性能需求开展放电室设计。基于现有设计规范和研制经验，将放电室设计依次分为五个方面：磁场位形设计、几何构型设计、磁极数设计、供气方式设计以及关键几何参数设计。关键几何参数主要包括放电室长径比、磁极位置、磁钢尺寸、阴极位置等。通过上述设计流程完成了放电室方案设计。

仿真分析方面，利用PIC/MCC数值仿真方法对LIPS-300离子推力器不同工况下的放电室气体放电过程进行数值仿真，重点对比了三、四级场放电室稳态下粒子的密度分布、静磁场分布、电位分布等，并分别讨论不同工况下对应的放电室性能，给出了四级场放电室优化建议。

实验验证方面，开展了三、四级场放电室性能比对实验，为剥离放电室与栅极组件偶合因素的影响，栅极组件统一采用变孔径双栅结构，从实测结果看，无论大、小功率模式下，四级场放电室性能全面优于三级场放电室，尤其在5 kW大功率工况下，放电损耗和束流发散角指标降低明显。

1 方案设计

1.1 磁场位形选择

对于离子推力器放电室磁场约束的优化研究已经开展了超过50年。经历了从均匀磁场、径向磁场到发散场和环形会切场的演变[3]。目前国际上离子推力器采用的放电室磁场结构主要有强发散场和环形会切场。其中英国T6推力器代表了强发散场最高水平，美国NEXT和XIPS-25推力器代表了环形会切场最高水平[4-6]。表1列出了国内外成熟产品的放电室方案、束流平直度、放电损耗和工质利用率的工程实现结果。

表1 国外同类型推力器放电室技术方案汇总

强发散场相对于环形会切场，具有磁场结构简单，外形紧凑的优点，但存在放电效率低，束流平直度较低等缺点，不适用于大口径；环形会切场把磁场限制在阳极壁面很小的范围，整个放电室大部分区域为近无场区，特别是屏栅极附近的大部分区域接近为无场区，具有放电效率高、束流平直度好、所需磁钢磁感应强度弱的优点。在大口径离子推力器上可通过增加磁极数量的方法保证最大无场区和闭合磁等势线设计值，非常适合于大口径离子推力器的磁场设计。如美国25 cm XIPS推力器采用四极环形会切场、36 cm NEXT推力器采用四极环形会切场、65 cm NEXIS推力器采用六极环形会切场。

对于磁铁形状有环形和柱形两种选择方式，柱形磁铁的优势在于磁铁置于屏栅筒外，磁场通过极靴导入放电室内部，既保证了磁场强度的实现，又大幅降低了对磁钢工作温度的要求。

因此，30 cm的LIPS-300离子推力器采用柱形磁铁环形会切场是一个较好的选择。

1.2 几何构型设计

Mahalingam等[7]通过仿真计算，分析了放电室形状对原初电子约束长度的影响，指出锥段-直段型放电室具有最长的原初电子约束长度，放电效率最高，并且随着束流口径的增加，该优势更加明显。模拟结果如表2所列。另外，美国NSTAR、NEXT、NEXIS等推力器均采用锥段-直段型放电室几何结构。因此LIPS-300推力器放电室几何构型采用锥段-直段型。

表2 不同放电室形状下的原初电子约束长度

1.3 磁极数设计

磁极数量需根据不同口径、体积的放电室，并考虑近阳极壁磁场强度和放电室内部磁空区域大小来确定。磁极越多、磁间距越小、表磁特征越靠近阳极、束流均匀性越好；但原初电子约束路径越短，同样达到一价电离能需要的阳极电压就越高，放电损耗越高。因此需要对磁极数进行优化设计，不是越多越好；

磁极个数设计原则是在最少磁极数下，实现最佳放电室磁场构形，即磁场屏蔽放电室壁，无磁场“洞”，并且放电室大部分区域近无场区。Wizer等在模拟分析磁场结构对NSTAR推力器性能影响的研究中指出口径30 cm以上推力器不适合采用3极场；偶数级场减弱了放电室中心轴附近指向栅极的磁力线，因此偶数级比奇数级场束流更均匀。

根据Patterson等[8]的研究结论，在两个磁极之间横断面上闭合磁等值线的最大磁场强度取0.005 T附近时，可以使阳极壁面离子的损失电流下降至10%左右。目前大多数离子推力器放电室内闭合磁场等势线的范围基本在0.003～0.005 T之间[9]，结合原初电子约束长度以及30 cm的放电室直径，优选的磁极间距在110~130 mm之间。

根据上述建议的磁极间距，结合LIPS-300放电室结构，在三级场的基础上，在锥段中部增加一个磁极构成四级磁场。通过仿真得到三、四级场的磁场分布如图1、图2所示。

图1 三磁极场强分布云图

图2 四磁极场强分布云图

从图明显看出，四磁极在放电室内部形成的磁场分布要好于三磁极场强分布，再借鉴国外研制经验，LIPS-300离子推力器放电室选择四磁极设计。

1.4 供气方式设计

想要实现高的束流均匀性，则放电室内等离子体的分布要均匀，等离子体分布取决于原初电子和中性原子的分布，因此在离子推力器设计中，供气方式的设计是不能忽视的。好的磁场将原初电子束缚在阳极壁面附近，因此供气点也因该布置在上述区域。借鉴NSTAR、NEXT进气方式[10]，LIPS-300离子推力器采用正-反双向多点供气方式。正向阳极分配环位于阴极处，孔中心轴方向与锥段阳极表面平行；反向阳极分配环位于下游极靴处，孔中心轴方向与柱段阳极表面平行。

1.5 关键参数设计

1.5.1 放电室长径比

放电室长径比是离子推力器放电室特征参数之一，与放电室中的离子产生速率和放电室中中性原子密度直接相关。选择较长的离子推力器放电室的长度，增大推进剂工质气体分子在离子推力器的驻留时间，有利于提高Kaufman离子推力器的性能。但是较大的放电室的长度，要减小放电室中的原初电子的密度，不利于提高等离子体密度。

借鉴国外同类推力器研制经验，考虑到栅极磁极靴要放入放电室内，并且为了保证磁场强度，磁极靴环宽度一般大于10 mm，Sovey等[11]发明的RC3离子推力器伸入放电室30 mm，BBM-1伸入放电室10 mm[12]，NEXT推力器设计40 cm束流在PM样机时伸入放电室36 mm[13]。因此，LIPS-300下游极靴伸入放电室约15 mm。

目前离子推力器长径比无理论或经验公式可借鉴。表3给出了国内外典型离子推力器长径比，在0.456～1范围内分布。LIPS-300离子推力器放电室长径比取0.68。

表3 国内外典型推力器长径比

1.5.2 磁极位置

Deshpande等[10]通过仿真分析给出：磁环对间距设计最佳值为11～16 cm，阴极磁环厚度设计最佳值为3～4 cm[14]。根据其磁极布局指导意见，结合Ansoft磁场仿真，完成最终磁极位置的确定，如图3所示。

图3 最终设计的四级场磁场分布图

1.5.3 磁钢尺寸

磁极在阳极筒内表面区域形成的磁场具有表面磁场特性，也就是说在距离阳极筒内表面相同距离的界面上，磁场强度相同；该磁场位形保证电子只有通过碰撞或者湍流输运扩散才能够穿越磁力线和阳极碰撞而消失，提高电子利用率；国内外指导意见为闭合磁势线强度Bcc＝5×10-3T[15]。

相邻的磁极极性相反，把磁场限制在较小的范围，整个放电室大部分区域为近无场区。原初电子区几乎扩展到整个放电室，形状成为最大化的矩形空间，深度更加均匀，原初电子几乎可以直接达到整个放电室，可增强引出束流的分布均匀性。

按上述指导意见，遵循保证磁性能稳定前提下重量最小的原则，完成磁钢仿真设计。

1.5.4 阴极位置

阴极顶的位置决定了原初电子的发射位置，阴极顶位于最大轴向场强处，阴极出口附近磁等势线略微沿轴向突出后，随即迅速衰减。形成的磁力线在阴极出口处沿径向发散，磁场强度沿轴线快速衰减，约束原初电子远离中心轴，并减小中心轴处对原初电子的约束，以达到兼顾电离效率和束流均匀性的目的。

图4为沿中心轴磁场强度曲线，横坐标为归一化的放电室长度，0表示阴极法兰安装处，为放电室的最底部；1表示栅极出口处，为放电室的最顶部。从图中看，最强磁场强度出现在0.24处，对应的磁场强度取得最大值9.3×10-3T。结合以上阴极顶设计指导及磁场分布结果，LIPS-300阴极顶的位置为放电室总长度的0.24处。

图4 中心轴磁场强度曲线

2 仿真分析

利用PIC/MCC数值仿真方法对LIPS-300离子推力器不同工况下的放电室气体放电过程进行数值仿真，并用PIC方法跟踪气体放电过程中带电粒子的运动。图5、图6为高功率工况下三极场和四极场不同结构下的磁场分布。

图5 三极场磁场分布图

图6 四极场磁场分布图

结果显示相比三极磁场分布，四极场结构下的放电室内部磁等势线分布更加均匀，靠近阳极表面的磁力线梯度变化较大，锥段磁力线分布较密集，而放电室内部等离子体产生的主要区域为阳极锥段，因此四极场结构下产生的磁力线分布能更好的约束电子在放电室内的运动，使其平均自由程增大，电子和原子之间的碰撞频率加大，工质利用率和束流平直相比原来均有所提高。

图7、图8为三极场和四极场结构下的自洽电势分布。计算结果显示，四极场结构下运动等离子体产生的自洽电势其最大值要远远大于三极场结构，即四极场结构下运动的等离子体产生的自洽电势增大，其在放电室内的电场强度增大，带电粒子受到电场强度的加速作用提高，粒子能量提高速度增加，在电场加速作用下，粒子能量能很快达到中性原子离化能，工质利用率和束流平直度均有所提高。利用数值仿真模型模拟放电室气体放电过程中程序自动统计到的仿真结果（如放电电流、离化产生的束流等）计算得到，5 kW功率模式工质利用率和束流平直度将从原来85%的0.44增至91%的0.65；2.4 kW功率模式工质利用率和束流平直度将从原来的84%的0.43增至90%的0.64。

图7 三极场结构下自洽电势分布图

图8 四极场结构下自洽电势分布图

3 实验验证

分别对三、四级场放电室配合变孔径双栅开展了放电室性能摸底优化实验，实验测试结果典型值如图9和表4。

图9 三、四级场束流分布图

表4 三、四级场性能实验数据

从表4实测结果看，无论大、小功率模式下，四级场放电室性能全面优于三级场放电室，尤其在大功率放电损耗和大功率发散角方面的提升明显。

4 结论

对离子推力器放电室设计流程进行了规范，包括磁场位形设计、几何构型设计、磁极数设计、供气方式设计以及关键几何参数设计等五方面。并应用到LIPS-300离子推力器放电室设计，通过仿真和实验数据分析，得出对于30 cm离子推力器，四级场放电室性能全面优于三级场放电室性能。尤其是5 kW工况下，束流平直度由三级场的0.44提高到四级场的0.57，束发散角由三级场的46.8°缩小到四级场的30.9°。将在现有设计的基础上，在LIPS-300研制过程中进一步优化放电室磁场强度、流率分配、放电室震荡抑制和放电室长寿命方面深入开展研究。

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DESIGN AND EXPERIMENTAL STUDY ON LIPS-300 ION THRUSTER DISCHARGE CHAMBER

WANG Liang，ZHANG Tian-ping，JIANG Hao-cheng，CHEN Juan-juan，WANG Xiao-yong
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The essential design procedure about discharge chamber are presented in this paper，it includes magnetic field，geometric texture，the number of magnetic poles，neutral atoms distribution method and the key parameters.It is divided into length diameter ratio，poles position，magnet size，cathode position.Design and development of discharge chamber of LIPS-300 ion thruster was completed following the procedure noted above.At last，the performance of the discharge chamber is analyzed and tested by simulated analysis and actual experimental data.The ultimate result is the discharge loss and beam flatness of four ring-cusp magnetic fields is better than those of three rings.

ion thruster；discharge chamber；design and experimental

V439

A

1006-7086（2016）06-0344-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.06.007

2016-08-22

王亮（1980-），男，陕西大荔人，硕士，高级工程师，主要从事电推进技术与工程研究。E-mail：shanghewl@163.com。