碘工质电推进储供系统设计及实验

周长斌，刘 佳，徐宗琦，王建维，王平阳

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；2.上海空间发动机工程技术研究中心上海空间推进技术研究所，上海 201112）

0 引言

霍尔推力器是一种高效的空间电推进形式，具有高比冲、长寿命以及推力可调等优点，故而在空间姿态控制、南北位置保持、轨道转移等领域一直有着广泛应用。传统的霍尔和离子推力器一般采用超高纯度的氙气作为推进剂，获得了较好的性能参数，满足了大多航天任务需要。然而，氙气在自然界储量很少，获取难度较大且高纯度氙气成本很高，纯度为99.995% 的氙气，美国的价格为4 000美元/kg，约合人民币2.8 万/kg，对于一台目前研究较多的20 kW 的霍尔推力器，按照工作累计10 000 h 计算，需要携带1 404 kg 氙气，价值3 931.2 万元人民币，功率高达几百kW 的超高功率推力器需要携带的氙气价值成本更高。碘的价格则十分便宜，99.99%+纯度的碘单价为700 美元/kg，约合人民币4 000 元/kg，仅为氙气价格的18%[1]。同时，氙气的储存、运输都依赖于较大质量和体积的高压气瓶，这也增加了卫星的发射成本和运行功耗。因此，如果要降低航天器在轨推进尺寸，减低重量，降低成本，需要寻求能够替代氙工质的推进剂。

相比于价格昂贵的氙，其他工质如氩、氪虽价格稍低，但氩和氪的电离能比氙高，且同样依赖于气瓶储存。汞对人和环境的危害极大，在测试和装配中都会带来安全问题。铯非常活跃，易燃易爆。铋的相对原子质量比氙大很多，在给定的放电电压下可以产生更高的放电推力，峰值效率也非常高。此外，铋的存储密度是氙的6 倍，但是铋的蒸汽压非常低，这意味着需要高温来防止其在推进器内部冷凝。这也带来了极大的设计挑战和可能导致严重的功率损耗。

在缩减尺寸方面，标准大气压和常温条件下的碘工质呈现固态，无需高压气瓶，更易保存，可以显著减少推进系统体积。在降低功耗方面，相比于其他可能的固体推进剂，碘的蒸汽压相对较高，意味着碘在固体到气体的转化过程中消耗很少的能量。此外，在相同推进剂质量流率的情况下，相对分子质量更大的碘的电离能低于氙。在安全性方面，碘的毒性没有汞高，也不如铯活跃，相较于腐蚀性强的铯、汞，碘的升华温度较低，不太可能凝结在卫星的外部加热表面，因此，碘工质应用于包含大量敏感元件的卫星中时更稳定。氙、碘以及铋的物理性质比较见表1[1]。

美国航空航天局太空技术任务理事会已批准了碘卫星飞行项目，以便在小型航天器技术计划下快速推行12U 结构的碘霍尔推进器技术。该项目于2015 财年正式开始，在空军的支持下，NASA MSFC、NASA GRC 和Busek 公司之间建立合作伙伴关系完善推进技术[2]。

综上所述，采用碘工质取代氙气作为霍尔推力器的推进剂，是降低运营成本、减小推进系统体积和质量的最经济、最高效、最安全的途径，也是当前空间推进的研究热点，但是相关工质供应系统尚未完善，针对碘工质的储供系统设计具有极大的必要性及应用前景。

表1 氙、碘及铋的性质比较Tab.1 Comparison of the properties of bismuth，iodine and strontium

1 研究进展

目前国内外进行的实验大多采用直接加热储罐至约90℃，使碘固体升华为碘蒸汽，蒸汽压大概为6.666 kPa[3]，并对管道进行加热使其温度比储罐温度约高20℃，以防止碘在管路中发生凝结，堵塞管路。比例调节阀控制阴极和推力器的工质流量，如图1 所示[3]。

图1 碘工质供应系统原理示意图Fig.1 The schematic diagram of iodine feed system

碘工质相比目前电推进的通用工质氙气虽有很大的特殊性，但也有不少共性，所以碘工质实验系统大多在氙工质实验系统的基础上进行设计。如图2 所示，这是一种比较典型的采用氙气预热推力器，阴极使用氙气供气，推力器使用碘蒸汽供气的实验装置[4]，该装置设有反馈控制系统。

2015 年5 月，NASA 格林研究中心对工程样机进行了系统耐久性测试（约80 h）[5]，如图3 所示。该测试采用碘蒸汽和氙气为工质，测试了如羽流、温度以及材料表现等。

图2 氙气供应阴极的实验装置图Fig.2 Experimental device diagram of helium supply cathode

图3 NASA GRC 实验设置Fig.3 Experiment setup of NASA GRC

2016 年，NASA 马歇尔太空飞行中心首次进行了集成实验，将推力器和所有子系统组接成一体[6]，但在实际试验中依然采用氙气为阴极供气。2017年，马歇尔太空飞行中心改进实验，实现推力器和阴极均采用碘蒸气供气[7]，如图4 所示。该系统通过加热储罐使碘升华，通过比例调节阀能够在短时间内控制工质流量，且能通过控制单元实现对储罐、输送管路以及比例调节阀的温控。整个系统设置有6 个加热单元进行温控[6]，实现供气和防止管道堵塞，但是依然存在着储罐出口易堵塞以及比例调节阀的适配问题，由于碘对阀体材料的腐蚀，比例调节阀只能在较短时间内实现调节流量的功能。

图4 采用碘工质的推进器系统图Fig.4 Iodine electric propulsion system diagram

温控设置见表2。所有的温控单元都需要实现加热和保温，PFCV 的加热单元在其内部，以保证能提供碘升华的温度以及防止碘在管道和元器件中凝结，每个温控单元都是独立的。温度传感器都放置于每个温控单元最可能的最低温度处。实验时的热控分为3 个阶段：①在推力器点火前，储罐、管路以及阀门的加热源都打开，将每个元件加热到工作所需的温度；②推力器运行时，加热单元需要保持各个元件的温度以保证正常工作；③在推力器工作结束后，先关闭罐子和管路2、3 加热单元的加热源，管路加热单元1 以及阀门的加热源要在管路中的碘都沉积到冷却的储罐后再关闭，避免在管路和阀门内形成碘的沉积造成堵塞。

表2 温控设置Tab.2 Setting of temperature control

查阅国内相关文献，目前哈尔滨工业大学通过对装有碘的储罐外表面包裹加热带进行加热产生碘蒸汽，并使用热节流管对流量进行控制，对会切场推力器进行了相关实验研究，实现了点火[8]，如图5所示。

2 实验测量与分析

2.1 热辐射加热储罐的设计

目前传统的储罐采用外加伴热带进行加热，使储罐内部的碘固体受热升华，产生蒸汽压，从而将碘蒸汽通过管路输送到推力器和阴极，但是外部伴热的加热效率相对较低，且容易产生内部受热不均匀、在出口通道内易发生凝结堵塞的问题。

成都王讨长沙王，使陆机都督三十七万众，围洛阳四匝。夜鼓噪，京师屋瓦皆裂。[注] 《太平御览》卷七百六十七《杂物部二·瓦》，第3403页下栏。

图5 点火实验Fig.5 Ignition test

为解决上述问题，本文创新性的提出在储罐内部设置热辐射加热源，如图6(a)所示。实物如图6(b)所示，该储罐使用弹簧将固体碘固定在底部支撑板和固定加热面之间，采用非接触式的加热方式，对加热面进行加热，使碘固体升华为碘蒸气逸出。采用这加热方式能够有效的解决出口处内部发生凝结的问题，从而只需要对外部伴热进行设置；同时，内部加热不需要考虑不锈钢罐体的热阻，能够减小加热调节时罐体热惯性的影响，从而实现更为灵敏的温度调节。

储罐采用316 不锈钢制造，分为上下两部分：上端侧面开有3 个孔与法兰接头焊接，分别用于连接真空泵抽真空、连接输运碘蒸汽的管道以及连接压力传感器，电加热片位于侧面出气孔上部；下端储罐用于储存碘，内部设置有弹簧，隔板以及隔网，上、下罐体之间使用垫圈保证密封。

2.2 碘的饱和蒸汽压测量

由于在储供系统中需要通过储罐的压力信号来反馈调节储罐温度，所以需要实验测量碘的饱和蒸汽压和温度的关系，实验装置如图7 所示。将储罐与压力传感器、真空泵连接，储罐外部缠绕有保温材料，实验使用的压力传感器为订制加工的带有散热片的膜片式压力传感器，精度为0.5%，量程为0～35 kPa，输出0～5 V 的电压信号，能够满足高温及耐腐蚀的工作需求；使用富斯特FX16 真空泵抽气，使储罐内部趋近于真空，所有连接均采用法兰连接保证密封。

图6 热辐射加热储罐Fig.6 Thermal radiation heat tank

图7 碘升华实验装置图Fig.7 Picture of iodine sublimation experimental device

实验之前先对装置的气密性进行检测，将所有元件连接好，使用真空泵对系统抽真空至压力传感器输出电压信号不再变化——稳定至0.012 V（即84 Pa），然后关闭阀门和真空泵，使系统保压，测试结果如图8所示。储罐能在2 h 内稳定维持压力，后期会出现不可避免的压力上升，但基本能满足测量的需求。

在实验前，向罐子内部装填100 g 碘晶体（纯度为99.8%），然后用真空泵将系统抽真空，考虑到之后的实验工作区间，本实验在70～90 ℃内每隔5 ℃设置一个温度区间，测量相应温度下的蒸汽压，实验结果如图9 所示。

图8 装置气密性检测结果Fig.8 Air tightness test result of device

将实验结果与NIST 数据比较（见表3），NIST的蒸汽压数据由Antonie 方程计算得到。经比较可得，计算结果与实验结果基本吻合，这说明实验中可以通过测得的碘的饱和蒸汽压反映储罐内碘蒸气的温度变化。

图9 饱和蒸汽压测量结果Fig.9 Saturated vapor pressure measurement results

表3 碘蒸汽压与温度对应关系Tab.3 Corresponding relationship between iodine vapor pressure and temperature

实验结束之后清洗储罐并观察，通过实验前后储罐内表面对比，如图10 所示，可以很明显地看出储罐虽然已经选取316 不锈钢来制造，但储放于其中的碘仍然对储罐内表面造成很大的侵蚀。

图10 实验前后储罐表面对比图Fig.10 Comparison of tank surface before and after experiment

2.3 调节性能对比

为了对热辐射和外部伴热两种加热方式的调节性能进行分析，本文设置两组实验进行对比，实验装置如图11 所示，图11(a)为使用电加热片辐射加热固定隔网，隔网距离电加热片2 cm；图11(b)为采用外部伴热装置加热下端储罐，分别在隔网表面以及储罐内壁安放热电偶测量两个位置的温度随时间变化情况。

图11 温度调节实验Fig.11 Temperature regulation experiment

实验步骤如下：在相同的加热功率下，分别将隔网以及储罐内壁加热到120 ℃；温度稳定至120 ℃后，调节温控器将目标温度调至100 ℃；温度稳定至100 ℃后，关闭电源，使装置自然冷却。测量结果如图12所示。

图12 温度随时间变化关系Fig.12 The variation of temperature with time

表4 两种加热方式调节时间Tab.4 Regulation time of two kinds of heating methods

分析两组数据，得到相应的参数见表4。从表4中可以看出：采用热辐射加热的方式比采用外部伴热的方式调温更加迅速，能够更快地升温至所需温度，且从高温到低温的降温调整也更迅速，从而能够更快速地对温度在某一区间内进行调节。这表明，热辐射加热方式在反馈系统中能够对信号做出更快速的响应，从而实现更高效的流量调节。

2.4 质量流量测量标定

碘蒸汽在管道中的流动可是看做是水平圆管内充分发展的不可压缩层流，所以管道内两点间压降和管内质量流量m˙的关系为[1]

式中：P1和P2分别为调节阀前后管道压力；R为管道半径；Δl为两点间距；μ为黏度（通常取0.6）；M为碘的摩尔质量；T为气体温度；C为常数；γ为修正参数。

常数C可以通过测量储罐的蒸汽压P0以及管路出口处的压力Pb来测量。后续实验将会依据式（1）确定常数C，从而确定反馈系统中的输入信号与流量的控制关系，帮助实现更稳定更精准的流量调节。

2.5 实验系统设计

为了使流量控制更加精准，需要设置反馈控制系统，实验系统设置如图13 所示。图13 中管路和元器件均缠绕有伴热带，防止碘蒸汽在管路中发生凝结；与储罐相连的压力传感器用于测定碘蒸汽的压力；计量阀用于控制碘蒸汽流量；取样钢瓶用于收集碘蒸汽，钢瓶外部使用冰袋进行冷却，加速收集；真空泵用于封闭系统的抽真空；直流电源为电加热片提供电源，从而加热碘固体，使固体升华产生碘蒸汽；计量阀前后的压力传感器用于反映管路中的流量变化；反馈控制系统处理接收的传感器的电流信号，得到管路的流量变化，从而调节加热片的加热功率，控制碘的升华速率，实现流量的平稳控制。

实验将通过测量取样钢瓶实验前后的质量变化确定一定时间内收集的碘蒸汽的质量，从而得到平均质量流量。

图13 实验系统示意图Fig.13 Experimental system schematic

3 总结与展望

在国内外相关实验结果的论证下，碘作为空间推进剂是完全可行的，而且具有很好的发展前景，经过初步的实验验证，本文设计的热辐射加热储罐相比于传统的外部伴热储罐具有更好的调节性能，但目前的相关实验数据还不完备，需要后续的实验补充相关数据，从而完善储供系统的设计。

当前储供系统的设计面临着诸如材料、降低压损以及流量控制等难题，但并不是不可攻克的。结合国内外相关文献，提出以下4 点可行的发展思路。

1）低压条件下的流量稳定。由于碘的蒸汽压远小于氙气供应的压力，一般低于6.666 kPa[9]，所以整个系统处于低压状态，由于霍尔推力器阳极可能会随着工作过程压力增大，这可能会影响到系统碘蒸汽供应的稳定性，甚至造成回流，所以需要进行相关的系统设计，减小系统压降，防止碘凝结堵塞管路。

2）优化加热方式。采用热辐射加热方式对碘工质进行加热，确定热辐射功率与碘蒸汽流量的对应控制关系，在实验中监控相应温度、压力信号实现反馈控制。

3）质量流量控制计的选择与标定。对流量控制计进行订制，使其能够辅助温度调节实现阴阳极流量的精准控制，主要有以下几个方面进行改良：选用能防止碘腐蚀的材料；阀体内表面添加涂层，减缓腐蚀；增大通道直径，降低压降；增加内加热源，防止碘凝结堵塞；使测量能和碘的物性相匹配[10]。

4）材料兼容性。由于碘的腐蚀性及较高的工作温度，绝大多数金属合金都易被碘腐蚀，故要选取合适的材料来制造储罐等元器件：从目前研究来看，哈氏合金对碘蒸汽具有很好的耐腐蚀性，故可以采用哈氏合金制造储罐、管路以及阀体等；对元器件进行特殊涂层处理[11]，尽可能延缓腐蚀，提升使用寿命；对实验所用真空舱进行防护，内壁采用石墨涂层，防止碘蒸汽腐蚀内壁，同时在舱内设置碘蒸汽收集装置[12]。