离子霍尔推力器束流中和与耦合研究进展

王同宇，张天平，陈娟娟，杨 乐

（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）

0 引言

离子推力器和霍尔推力器是目前航天器上使用最广泛的动力装置之一，相比而言，在同样功率下，离子推力器比冲高、推力小，霍尔推力器比冲低、推力大。为有效发挥离子推力器高比冲、霍尔推力器大推力的优势，解决传统离子和霍尔电推力器高比冲和大推力无法兼具的难题，提出了离子霍尔混合推力器概念。

离子霍尔混合推力器由环型离子推力器[1]和霍尔推力器[2]同轴嵌套组成。在两种推力器同时工作情况下，由于束流等离子体电势、密度、速度等方面的显著差别，同时共用中和器，使得混合推力器束流特性与单一电推力器工作情况存在很大不同。离子霍尔混合电推力器的近羽流场等离子耦合是一个复杂的物理过程，分析离子推力器束流离子与霍尔推力器束流离子的耦合过程以及束流离子和电子中和反应过程，可为离子霍尔混合推力器参数优化提供技术支持。

在调研了国内外离子霍尔混合推力器研究的基础上，重点关注了推力器束流耦合研究进展，并初步分析了离子霍尔混合推力器束流耦合的特殊问题。

1 离子霍尔混合推力器

美国NASA的Dankanich等[3]在2006年对航天器搭载多个离子推力器或者霍尔推力器，以及混合搭载离子推力器和霍尔推力器的方案进行了分析，研究发现合理的搭配使用离子推力器和霍尔推力器可以实现在保证可靠寿命的前提下提高功推比和功率。通过混合使用推力器一方面需要额外设计鉴定试验及技术分析；另一方面飞行器搭载多个推力器会占用太多的空间，增加的推进剂补给线路及其他额外线路设计使航天器设计更加笨重，使得热条件和操作环境的约束更多。所以相较单一的电推力器，使用多种不同的电推力器组合，有利于简化电推进系统设计。

2011年NASA格伦研究中心的Patterson等[4]研究提出了一种离子霍尔混合推力器的设计概念，可以满足未来电推进技术高比冲、大推力的技术要求。图1为美国格林中心离子霍尔混合推力器结构示意图。

图1 离子霍尔混合推力器结构示意图Fig.1 Theoretical model of ion and Hall hybrid-thruster

离子霍尔混合推力器由新型环型离子推力器和传统霍尔推力器同轴嵌套组成，外环为环型离子推力器，内环为传统型霍尔推力器。采用环型离子推力器有利于实现混合推力器一体化结构实现，由于环型离子推力器的放电室和阳极呈环状结构，可以增大放电室内部放电阳极面积，提高放电电流和等离子体分布均匀性，保持更小间距下的较高栅极离子透明度，解决大口径栅极加工制造、热变形及栅极热稳定性等技术难题[5-6]。

离子霍尔混合推力器中和器设计位于推力器外围中心轴线上，既作为空心阴极为霍尔推力器等离子体产生提供电子源，又作为中和器为混合推力器提供用于束流中和的电子，该结构可减小推力器外部轮廓，大幅减小推力器几何结构尺寸，便于加工制造组装，具备应用范围更广的优势。

国内开展离子霍尔混合推力器研究的机构是兰州物理空间技术研究所[7-8]，该所在完成环型离子推力器研制的基础上，设计了离子外环霍尔内环的混合推力器结构，并设计了环型离子推力器和霍尔推力器组合时的磁路组件，以满足推力器磁场设计准则，同时设计了环型套筒磁屏蔽结构来隔离霍尔内环与离子外环间的磁场相互干扰。目前离子霍尔混合推力器原理样机的设计为：整体外圆直径约57 cm、功率1.5～6.5 kW、推力80～210 mN、比冲1500～5000 s。

2 束流中和分析

通常认为离子束中和过程可以分为三个步骤：电子-离子掺混、电子-离子耦合及电中性等离子体束推进。电子-离子混掺过程中的主要影响因素是阴极的安装位置，推力器的电中性等离子体主要是通过电子-离子的耦合产生的，因此对束流中和的研究也主要集中在电子-离子耦合方面。

2.1 离子推力器束流中和

离子推力器主要由空心阴极、放电室、离子光学系统和中和器四个部分组成。通过这些组件的协调工作，离子推力器可以顺利完成预期的使命。中和器的作用是发射电子中和推力器产生的离子束流使其达到宏观电中性。整个中和过程机制复杂，主要涉及粒子间相互作用、粒子与场之间相互耦合，这些物理机制将导致非磁化等离子体发生振荡，而碰撞过程会导致等离子体振荡的幅度随时间衰减。振荡过程使等离子体逐渐从非平衡态向近平衡态演化。当离子束不能发生有效中和时，很大一部分离子会返回到航天器表面。这一问题首先是由Staff[9]在1960年关于静电推力器的论文中提出的。

图2 离子推力器羽流示意图Fig.2 Schematic diagram of ion thruster plume

在人们认识到离子推力器和霍尔推力器束流需要电子中和后，许多研究人员对离子束流中和现象进行了分析。French[10]发现在中和过程中电子电流密度存在着振荡现象。Mirels[11]在1961年发现中和器位置和热电子的运动可能对离子束中和影响不大。Marshall等[12]指出如果电子从束流区外部固定位置通过漂移运动进入束流区，在离子束的中心仍会产生虚阴极并使推力降低。

为了解决离子束中和过程的相关问题，研究者采用数值方法进行研究。1965年，Brauch等[13]采用二维数值模拟方法让电子通过在束流区的振荡来实现中和，同时理论描述了振荡并非中和过程的唯一机制。之后还有研究表明空间电荷场的波动使得熵增加从而使电子混合，但是在中和器下游并未发现有波动现象存在。

1979年Parks等[14]利用理论分析的方法研究了羽流区等离子体的演化过程。假设束流离子和中和电子之间存在着一个静电势阱，呈麦克斯韦分布的电子在其约束下与束流离子不断发生碰撞，另外，通过试验测量束流中和过程中电子的温度变化，发现在整个束流区域内电子的温度始终保持不变，且其与空间的电位之间满足barometric定律。因此，在理论分析时假设空心阴极发射的电子呈热平衡状态，该分析得到了束流的密度和电位，以及目标粒子与推力器出口位置之间的距离满足高斯定律。该模型最大的缺点在于假设束流离子被喷出后立刻达到了稳态，整个分析过程忽略了动态束流的存在。

近几年，许多关于离子推力器离子束中和过程的数值模拟研究陆续出现。

Othmer等[15-17]采用三维PIC模型进行中和过程的模拟，重新对中和机理进行了更深入的研究，揭示了“喷注速度比”这一重要的物理量。

喷注速度比为：

Brieda等[18]使用了名为DRACO的三维等离子体模拟软件，采用全粒子PIC方法对单离子推力器近羽流区中和过程进行了模拟。通过“多域模型”获得了中和电子的速度分布，所谓“多域模型”是将近阴极区与近羽流区进行区分，这种模型使计算具有很高的真实度。将该模型与其他预混合束流模型和浮动阴极电位模型进行了比较，近羽流数值模拟研究结果表明阴极电子的引入导致了束流核心的振动。要获得类似于玻尔兹曼分布的密度分布须要实现振动的衰减，但是在模型中没有得到相应的结果。

Wang等[19]研究发现束流中和与传播过程是两个耦合的过程，热电子在冷离子中最初的扩散过程会在束流中形成一个正电势阱。这个伴随束流离子传播的势阱会束缚随后进入的热电子，随着沿束流方向电势阱与被束缚电子之间的作用电子离子的耦合得以实现。

2.2 霍尔推力器束流中和

不同于离子推力器，霍尔推力器没有栅极结构，霍尔推力器由陶瓷加速通道和空心阴极两部分构成，空心阴极不仅给推力器提供放电室电离电子，又作为中和器中和离子束流。在空心阴极和加速通道之间存在一个区域，叫做耦合区，研究认为束流中和在这个区域已经发生。Alebarede等[20]的研究甚至怀疑霍尔推力器使工质发生电离的电子和中和电子是否存在交界，试验发现在阴极出口电子会呈现线性分布如图3所示。

图3 耦合放电近阴极区光强分布图Fig.3 The light distribution of coupling discharge near the cathode

Sommerville等[21]通过实验发现，阴极的位置对推力器近场束流中和有显著影响，当阴极距离加速通道越远时，电子则须要克服磁场区域作用才能到达离子束流。实验证明可以通过降低阴极电势同时提高近场束流电势保证电子能到达束流离子区域。此外，发现霍尔推力器束流中和电子传导过程与背压有关，随着背压增大，碰撞频率增大，传导阻抗减小，有利于减小束流耦合电压[20]。

Hofer等[22]的试验表明，将阴极放置在推力器的中央可以减小束流发散角并且可以产生轴对称的羽流，另一方面中央放置的阴极会消除外加能量产生的偏航扭矩从而可以带来推力的微小提升。

Smith等[23]对近场区电子行为进行了蒙特卡洛模拟，研究表明，电子能量分布从通道口往束流下游迁移过程中，电子温度会逐渐升高，其能量分布也从麦克斯韦分布逐渐变为非麦克斯韦分布。Knoll等[24]实验测量到近场区存在多种振荡，这些振荡会影响电导特性，影响束流及电子的特性，从而影响中和过程。

2.3 混合推力器束流中和基本问题

兰州空间技术物理研究所研制的离子霍尔混合推力器具有离子外环、霍尔内环的结构，共用一个中和阴极。根据其结构特点，有霍尔工作模式、离子工作模式和混合工作模式。存在的问题有：其中一种推力器工作时启动另一推力器的过程对混合推力器束流中和的影响以及对中和器产生的影响；一种推力器工作时关闭另一推力器的过程对混合推力器束流中和的影响以及对中和器的影响；一种推力器工作时改变另外一个推力器的工况对推力器束流中和的影响以及对中和器的影响。由此可见，中和器的适应能力决定推力器能否可靠工作。

阴极的稳定性及位置对推力器工作至关重要，混合推力器的多种工作模式启动过程，可能会导致阴极不稳定，造成推力器束流中和发生震荡进而造成推力器放电不稳定，甚至造成推力器突然熄火的危险。推力器工作的瞬态变化甚至会使中和电子与沿程束流离子碰撞引起的振荡最终耦合进电源中，从而影响推力器性能，因此这对阴极技术提出了很高的要求。

3 推力器组束流耦合试验

3.1 离子推力器组束流耦合

美国NASA格林研究中心[25-26]对离子推力器组工作情况进行了一系列研究，将4个7 kW的离子推力器组成如图4摆放的组合，比较了不同推力器组合工作在高中低三个功率等级情形下的束流特性与单独一个推力器工作时的束流特性，研究发现：相邻两个或者三个推力器以相同功率同时工作时，其比冲、推力以及效率与单一推力器工作时相比基本不变，但是推力器栅极冲击电流增大。通过分析实验数据认为当多个离子推力器同时工作时束流环境中中性气体密度增大，导致束流中CEX碰撞频率增大，而不是相邻推力器CEX离子电流的迁移造成的。

调整一个离子推力器的出口平面方向，使得两束束流形成大约10°的夹角，发现对束流特性影响很小。表明当两束呈小角度的等离子体之间的耦合对整体束流特性影响较小。

尽管实验验证了离子推力器组工作的可靠性，但是实验中每个推力器工作在相同的功率下，并没有对离子推力器组在不同的工作功率情况下的束流特性进行研究。

图4 “3+1”NEXT离子推力器组图[25]Fig.4 “3+1” configuration NEXT multi-thruster array

3.2 霍尔推力器组束流耦合

霍尔推力器的组合可以显著的提高推力系统的功率水平[27]，但是方案是否可靠需要对推力器束流之间的相互作用进行分析研究。Lobbia等[28]对霍尔推力器组的性能进行了实验，如图5所示，实验测试了推力器工作在200 V、300 V、400 V情况下的表现，研究发现霍尔推力器组中每个推力器产生的推力都大于推力器单独工作时的推力水平。并且随着推力器数量的增多，也会对推力器的推力带来较小的增幅，实验也表明推力器组同时工作也会使推力器的效率和比冲产生微小的增幅。

图5 四霍尔推力器组实验图[28]Fig.5 Acluster of four Hall thrusters[28]

美国密歇根大学Beal等[29]使用阻滞势分析仪（RPA）对霍尔推力器组束流等离子体耦合情况进行了研究，试验表明，相比单一霍尔推力器，霍尔推力器组束流中低能离子数量显著增大，尤其在推力器中心线低角度附近。研究者认为这一现象主要是两束束流中初始离子的弹性散射造成的。

Saverdi等[30]在对HT-100霍尔推力器组进行试验时发现，当两台并列放置的霍尔推力器同时工作时，其束流发散角相比单一推力器时增大9%，同时在偏离推力器中心线的低角度区域，低能离子质量浓度有明显的增加趋势。

3.3 混合推力器束流耦合关键问题

离子霍尔混合推力器独特的设计，使得束流特性更加复杂，主要有以下几个问题。

3.3.1 束流电势差异

前文提到离子霍尔混合推力器束流不同于传统单一电推力器产品，在推力器混合工作模式下，将有两束能量、密度、电势不同的束流从两个同轴通道口喷出，电推力器束流服从高斯分布：

其中ρ0是初始离子质量浓度。

式中：M为离子质量；Ib为束流电流；vb为束电压，R为束流初始宽度；h(t)为描述束流发散的量。由于5 kW级环型离子推力器屏栅极电压为1 500 V，加速栅电压为-250 V，霍尔推力器阳极电压为300 V，由此可以知道离子霍尔混合推力器中离子推力器出口离子质量浓度低于霍尔推力器出口离子质量浓度，如图6所示。这种情况导致最直接的问题是在推力器出口位置径向形成电势梯度，为了防止离子霍尔两个部分产生电势差而对推力器产生损伤，应该首先启动中和阴极，保证推力器发射的离子能够快速中和形成准中性等离子体。

图6 5 kW级环型离子推力器及1.5 kW级霍尔推力器束流质量浓度分布图Fig.6 The distribution of 5 kW ion thruster and 1.5 kW Hall thruster's beam mass density

3.3.2 束流离子速度差异

另一个特殊的问题是数值上环型离子通道口喷出的离子速度是霍尔通道喷出的2倍多，因此束流耦合模型中需要处理快离子和慢离子的耦合过程。一价慢离子和快离子之间碰撞如果产生电离，属于基态重离子之间的碰撞电离，这类电离一般比电子碰撞电离更难发生，需要的膨胀能量在数百电子伏以上。假设考虑离子间的弹性碰撞，能量损失系数为：

由式（3）可知，质量为M，动能为ε的离子即使与另一离子最外层质量为m的电子碰撞，也只能把很小的一部分动能传递给电子。所以快离子和慢离子之间碰撞产生的电离可以忽略，只需要分析之间的弹性碰撞造成的能量变化对束流特性的影响，结合研究分析，当两束速度不同的束流相互作用时，低能离子的密度会在束流边界区域呈现增加的趋势。

离子霍尔混合推力器有多种工作模式，离子工作模式、霍尔工作模式、离子霍尔工作模式。在推力器工作模式转换的过程中，束流耦合的瞬态变化以及如何自适应反应是相当复杂的问题。

结合离子推力器组和霍尔推力器组实验结果，认为当两束束流作用时，首先电荷交换离子密度会明显上升，并会在横向快速下降。当霍尔部分工作过程中，启动环型离子部分，推力器下游的背景气体压力的瞬变，会使霍尔束流的离子能量发生瞬变，这个变化可能引起电子的振荡会造成霍尔部分的放电不稳定；反之，当环型离子工作时，突然启动霍尔部分，背景气体压力的变化对离子束流的影响较小。这对推力器共用阴极的设计提出了更高的要求。

4 结论

在调研国内外离子霍尔混合推力器研究现状的基础上，着重关注由新型推力器带来的离子和霍尔推力器束流耦合问题，介绍了离子推力器组和霍尔推力器束流组耦合研究进展；分析了束流中和研究方法的演变及成果，初步梳理了离子霍尔混合推力器束流耦合的关键技术难点及可能的解决办法，为推动我国离子霍尔混合推力器的研发提供参考。

等离子体推力器束流耦合问题是电推力器技术经典问题之一，但是目前仿真研究手段及研究成果都不成熟。对离子束流耦合的深入研究不仅有利于离子霍尔混合推力器的技术发展，也将促进电推力器羽流理论的不断成熟。