5 kW环型离子推力器试验研究

王彦龙，杨浩，李兴达，江豪成，张天平

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理国家重点实验室，兰州 730000）

5 kW环型离子推力器试验研究

王彦龙，杨浩，李兴达，江豪成，张天平

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理国家重点实验室，兰州 730000）

针对未来深空探测任务对高功率电推力器的需求，兰州空间技术物理研究所开展了5 kW环型离子推力器的研制。环型离子推力器放电室设计与传统离子推力器有很大不同，面临着放电不稳定、不均匀、放电损耗过大等潜在的技术风险。在原理样机完成设计、制造工作后，开展了试验研究工作，通过性能摸底试验对推力器电气参数变化规律进行研究并找到最佳的工作点，通过等离子体诊断试验对放电室内等离子体密度和电子温度分布情况进行研究。试验结果表明：环型放电室在很宽的放电电流范围内都有很高的稳定性，在单阴极偏置的情况下推力器束流仍然具有较好的均匀性，初步验证了环型离子推力器概念的可行性，为下一步优化设计打下了技术基础。

电推进；环型离子推力器；试验研究；等离子体诊断

0 引 言

传统离子推力器具有高比冲、高效率和长寿命等优点，但是栅极及可获得的有效阳极面积受限，目前的功率和推力水平还较低，只能应用于一些推力要求不高的领域[1-4]。图 1是一个较为典型的传统离子推力器示意图，放电室为“直段+锥段”结构，放电阴极在推力器轴线上，而中和器布置在推力器外围；栅极组件采用球面栅极，只在栅极的外环处进行固定，跨度-间隙比较大。

2011年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）格林中心的Michael J.Patterson提出了环型离子推力器的概念[5]，如图 2所示，其放电室为环型结构，放电阴极不在推力器轴线上，而是在环型放电室的内外环间位置，中和器则布置在推力器轴线上；栅极组件采用平面环型栅极，在栅极的内环和外环处均进行固定，具有较小的跨度-间隙比。与传统离子推力器相比，环型离子推力器有许多潜在的优势：① 在相同束流引出面积下，环型放电室的阳极面积是传统离子推力器的2～3倍，使其能在更高的放电电流下工作；② 环型栅极组件的跨度和跨度-间隙比是传统离子推力器的1/6～1/4，可以避免大尺寸栅极所面临的制造、装配和力热稳定性等问题。这些都有利于提高推力器的功率和推力水平。目前，格林中心正在和密歇根大学、航空航天公司合作开展相关研究工作[6-8]。

图1 传统离子推力器示意图Fig.1 Schematic diagram of traditional ion engine

图2 环型离子推力器示意图Fig.2 Schematic diagram of annular ion engine

环型离子推力器放电室与传统离子推力器相比有很大的不同，带来了一些潜在的技术风险：① 放电阴极的位置不在推力器的轴线上，这种几何不对称性潜在地带来了放电不稳定以及放电不均匀的可能性；②环型放电室的阳极面积与放电室体积的比值较大，可能潜在地增加放电室的放电损耗。国外研究结果表明：通过合理的放电室结构设计可以解决以上存在的技术风险。

针对未来深空探测任务中对高功率电推力器的需求[9-10]，从2014年开始，兰州空间技术物理研究所在国内首次开展了5 kW环型离子推力器的研制工作，以验证环型离子推力器概念的可行性。在原理样机完成设计、制造工作后，对其开展了试验研究工作，通过性能摸底试验和等离子体诊断试验，从宏观和微观两个角度对环型离子推力器的性能和机理进行研究。

1 试验条件

环型离子推力器原理样机如图 3所示，采用桁架式结构作为整个推力器的承力结构，保证了整机强度的同时大大地减轻了整机重量；采用了双阴极设计，两支主放电阴极对称分布在放电室内外环之间，平时一支阴极工作，而另外一支作为备份，以提高推力器的可靠性和工作寿命；放电室磁场是由永磁体产生的环尖磁场，可以有效约束等离子体；离子光学系统为钼金属平面环型双栅极；中和器绝缘安装在推力器轴线上；工质气体从放电室底部分两路分别进入到放电室内，可以保证输送到放电室内的工质气体分布均匀。推力器最大外廓外尺寸约为Φ 570 mm×370 mm（长度包含了中和器长度），试验设计功率5 kW，比冲5 000 s，推力150 mN。

试验在兰州空间技术物理研究所TS-6电推进试验设备上进行，TS-6是一个直径2 m、长度6 m的圆柱形真空试验舱，有2组共5台机械泵、2台罗茨泵和3台扩散泵，工作真空度不低于6.5 × 10-3Pa，可满足环型离子推力器试验真空要求；电源系统可提供试验的12路供电需求；推进剂供给系统可提供试验的5路供气需求；操作控制系统可对电流、电压、流率和设备真空度、温度等参数进行实时监测。等离子体诊断试验中使用的等离子体诊断系统将结合诊断试验方案在第4节中进行介绍。

图3 环型离子推力器原理样机Fig.3 Prototype model of the annular ion engine

2 性能摸底试验

环型离子推力器是一种新型离子推力器，由于其放电室与传统离子推力器有较大不同，有必要通过大范围地调节电气参数，摸清电气参数变化规律，验证概念的可行性和设计的合理性。

在不引束流，保持主触电流和中触电流不变的情况下，大范围地调节了放电电流（注：“主触”是指主放电阴极的触持极，“中触”是指中和器阴极的触持极）。图 4是不引束流情况下放电室的电流-电压关系曲线。

图4 不引束流情况下放电室的电流-电压关系曲线Fig.4 Relation curve of current and voltage in discharge chamber performance test

由图 4可知：随着放电电流的增大，阳极电压和主触电压逐渐减小，而中触电压则逐渐增大。调节过程中，当放电电流低于3 A时，主阴极工作一段时间后会无法自持而发生息弧；受电源能力限制，放电电流最高调节到了22 A左右；在3～22 A范围内，环型放电室工作都能长时间稳定工作。

在引束流的情况下，以放电损耗为判据，研究工质流率对放电室性能的影响。图 5是放电损耗与放电室总流率的关系曲线。

图5 放电损耗与放电室总流率关系曲线Fig.5 Relation curve of discharge loss and total flow rate of the discharge chamber

由图 5可知：随着总流率增加，放电损耗先是逐渐减小后又逐渐增大，当总流率为23.5 sccm时放电室放电损耗最低。保持放电室总流率为23.5 sccm不变，调节阴极和阳极流率分配，得到图 6中放电损耗与阴极流率的关系曲线。

图6 放电损耗与阴极流率关系Fig.6 Relation curve of discharge loss and flow rate of the cathode

由图 6可知：放电损耗也是先逐渐减小后又逐渐增大，当阴极流率为2 sccm时，放电室放电损耗最低。由此确定了放电室的最佳流率点。

在最佳流率点处，在引束流的情况下，保持主触电流和中触电流不变，大范围地调节了放电电流。图 7是引束流情况下放电室的电流-电压关系曲线。

由图 7看出，与不引束流时不同，随着放电电流的增大，阳极电压逐渐增大，而主触电压和中触电压则逐渐减小，阳极和中和器的电流-电压特性发生了变化。引束流时放电电流的调节范围在6～16.5 A之间，除偶尔发生的打火外，推力器都能长时间稳定工作，这不仅验证了环型放电室的工作稳定性，也在一定程度上验证了离子光学系统的静电设计。根据试验结果，得到了环型离子推力器放电室的性能曲线，如图 8所示。

图7 引束流情况下放电室的电流-电压关系曲线Fig.7 Relation curve of current and voltage in discharge chamber under beam extraction

图8 放电室性能曲线Fig.8 Curve of the discharge chamber performance

引入离子发生器推力大小为

其中：T为推力；M为氙原子质量；e为电子质量；Ib为束流；Vb为束电压。

由图 8知：曲线的拐点出现在工质利用率为85%时，此时放电损耗约为250 W/A，对应的推力器束流约为1.5 A，根据式（1）计算可得推力约为125 mN。

推力器设计推力值为150 mN，放电损耗不大于200 W/A，实际推力值小于设计值，放电损耗大于预期值。

试验中无论是在不引束流还是引束流情况下，环型放电室都在很宽的放电电流范围内表现出很高的稳定性，说明环型放电室可以支持很高的放电电流，从而提高推力器的功率水平；在单个放电阴极偏置的情况下，束流仍然具有较好的均匀性，说明放电室磁场构型较为合理；但是放电室的放电损耗还相对较高。

图9 环型离子推力器原理样机束流引出状态下照片Fig.9 Prototype model of the annular ion engine operating under beam extraction

3 等离子体诊断试验

放电室内的等离子体特性直接决定着推力器的宏观性能，开展等离子体诊断试验，获得放电室内等离子体分布情况和基本特性参数范围，可以从微观角度更好地了解放电室内电离情况，为放电室优化设计提供指导。

郎缪尔探针是一种成熟的接触式低温等离子体诊断技术，可以获得等离子体密度、电子温度等等离子体特性参数，NASA在太阳电推进技术应用（NASA’s Solar Electric Propulsion Technology Applications Readiness，NSTAR）离子推力器上成功进行过相关试验[11-14]。本次试验中使用的是郎缪尔双探针，具有较强的抗干扰能力，能够准确地获得放电室内部的等离子体特性参数。图 10是试验舱内正在进行调试的等离子体诊断系统，包括探针、移动装置和数据采集分析系统。为将探针伸入放电室内部，需要在推力器外壳和阳极筒上开孔。郎缪尔探针的探头由直径0.5 mm的钨丝制成，外部包裹着陶瓷，直径6 mm，沿推力器半径方向伸入放电室内；移动装置包括三维移动台和步进电机，试验前手动调节三维移动台使探针准确进入放电室内部并能沿径向正常移动，步进电机负责试验中探针的径向移动，运动精度为1 mm；控制信号和测量电流/电压信号通过舱内同轴电缆由穿舱法兰实时传输至舱外数据采集分析系统，通过分析探针的电压-电流特性曲线，得出放电室内对应位置处的等离子体基本特性参数。

为了在开孔数尽量少的情况下获得较为全面和典型的放电室内等离子体特性，同时尽可能减小磁场对测量结果的影响，在考虑推力器结构约束条件的情况下，设计了等离子诊断试验方案。图 11是探针运动路径及测量点示意图，磁极之间的磁场强度相对较弱（小于50高斯），可以获得较为准确的诊断结果。探针从两相邻磁极的中间位置处沿径向进入放电室内部，每次试验选择一个轴向位置，探针沿放电室径向移动，对不同位置处进行测试；通过切换工作阴极，可以对靠近阴极位置和阴极对面位置处进行测试。放电室中间位置处的等离子体测量结果最有代表性，阴极1工作时测量点定义为1和2，阴极2工作时测量点定义为1′和2′。

图10 等离子体诊断系统及郎缪尔探针Fig.10 Plasma diagnostic system and Langmuir probe

图11 探针运动路径及测量点示意图Fig.11 Schematic diagram of motion paths of the probe and measurement points

图12是等离子体密度随放电电流变化曲线，随着放电电流增大等离子体密度呈增加趋势，说明放电室内电离程度提高，靠近阴极位置处的等离子体密度高于阴极对面位置。图 13是电子温度随放电电流变化曲线，靠近阴极位置处电子温度相对较高，随着放电电流增大电子温度也是呈增加趋势。等离子体密度在1011～1012cm-3量级，而电子温度在3～5 eV范围内。从试验结果来看，靠近放电阴极位置（位置1）处等离子体密度和电子温度最高。

图12 等离子体密度随放电电流变化曲线Fig.12 Curve of the plasma density varies with discharge current

图13 电子温度随放电电流变化曲线Fig.13 Curve of the electron temperature varies with discharge current

4 结 论

环型离子推力器放电室设计与传统离子推力器有很大不同，本文针对环型离子推力器可能出现的技术风险，开展了试验研究工作。试验结果表明，环型放电室在很宽的放电电流范围内都有很高的稳定性，且在单阴极偏置的情况下束流仍然具有较好的均匀性，初步验证了环型离子推力器概念的可行性。试验中推力器引出束流1.5 A，对应推力125 mN，放电损耗约250 W/A，放电室内等离子体密度在1011～1012cm-3量级，而电子温度在3～5 eV范围内。需要说明的是，目前推力器的放电损耗还相对较高，这将是下一步优化研究的方向。

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Research on the Experiment of 5 kW Annular Ion Thruster

WANG Yanlong，YANG Hao，LI Xingda，JIANG Haocheng，ZHANG Tianping
（Key Laboratory of Vacuum and Cryogenics Technology and Physics，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Lanzhou Institute of Physics has developed a 5 kW annular ion engine to meet the needs of high-power electric thrusters in deep space exploration.The discharge chamber design of annular ion engine is very different from that of the traditional ion engine，facing a series of potential technical risks，such as unstable/non-uniform discharge，excessive discharge loss.After completed design and manufacture of the prototype， the experimental research work was carried out.The change rule of electric parameters of the thruster has been studied and the optimum working point was found through performance test，the distribution of plasma density and electron temperature in discharge chamber has been studied through plasma diagnostic test.Test result indicates that the annular discharge chamber works stably in a wide range of discharge current，the beam current is still well uniformed although the single discharge cathode is not on the axis line of the discharge chamber.It has preliminarily demonstrated the feasibility of the concept of the annular ion engine，and has laid technical foundation for further optimization design.

electric propulsion；annular ion engine；experimental research；plasma diagnosis

V439+.1

A

2095-7777（2017）03-0232-06

[责任编辑：杨晓燕，英文审校：任树芳]

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.005

王彦龙，杨浩，李兴达，等.5 kW环型离子推力器试验研究[J].深空探测学报，2017，4（3）：232-237.

Reference format：Wang Y L，Yang H，Li X D，et al.Research on the experiment of 5 kW annular ion thruster[J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（3）：232-237.

2017-03-15

2017-04-30

王彦龙（1988- ），男，硕士，工程师，主要研究方向：电推进技术与工程化研究。

通信地址：甘肃省兰州市城关区飞雁街100号（730000）

电话：（0931）4585154

E-mail：chkct@qq.com

张天平（1963- ），男，博士，博士生导师，主要研究方向：航天器推进技术与工程。本文通信作者。

通信地址：甘肃省兰州市城关区飞雁街100号（730000）

电话：（0931）4585510

E-mail：ztp510@aliyun.com