LIPS-100离子推力器挡板通道面积优化研究

杨福全，胡 竟，郭德洲，谷增杰，王成飞，耿 海

（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

LIPS-100离子推力器是针对200～300 km地球超低轨道[1-3]空间任务研制的一款产品，用于补偿卫星受到的大气阻尼[4]，设计参数为推力1～20 mN，推力分辨率12µN，比冲500～3 500 s。欧空局GOCE卫星T5离子推力器[5-6]和日本SLATS计划“燕”卫星的12 cm离子推力器[7]是此类离子推力器在超低轨卫星成功应用的典型代表。对执行此类任务的离子推力器，推力宽范围连续精细可调和高总冲是最基本要求，而要实现这些要求，推力器必须具备工作稳定性好和长寿命等特性。LIPS-100离子推力器选择了调节关系简单、灵活性高的电磁铁发散场放电室。发散场放电室由挡板分成耦合等离子区和主放电区[8-9]。阴极出口平面、阴极极靴和挡板所包络的等离子体区域称为耦合等离子体区，挡板、阳极和屏栅包络的区域称为主放电区。阴极极靴与挡板之间的环形通道称为挡板通道。研究表明[10]，主放电区和耦合等离子体区之间存在一个电位陡然变化的“薄层”，即双鞘层，位于挡板通道附近，因此挡板通道面积显著影响进入主放电区的原初电子的能量和速度分布[11]，进而影响离子推力器的放电性能。美国、英国、日本等对发散场离子推力器挡板通道区域的等离子体特性、挡板通道面积进行过理论研究和试验优化[12]，国内兰州空间技术物理研究所对挡板通道面积进行了理论推导[13]。

提高离子推力器放电稳定性和降低阳极电压是实现推力宽范围连续精细可调和长寿命的重要措施。阳极电压高低决定了离子能量的大小，从而决定了离子对栅极溅射腐蚀的程度，阳极电压振荡是表征放电稳定性的主要参数，而放电稳定性是保证推力宽范围连续精细可调的前提。对于发散场离子推力器，挡板通道面积大小是影响阳极电压和阳极电压振荡的主要因素之一。日本的Ozaki等[14]针对12 cm离子推力器开展了挡板通道面积对阳极电压的影响研究。作者在前期的研究中发现，LIPS-100离子推力器的阳极电压和阳极电压振荡偏高，因此参考国外相关研究，提出了通过挡板通道面积优化降低阳极电压和阳极电压振荡的措施。期望通过本文研究实现LIPS-100工作稳定性和寿命指标要求。

1 挡板通道面积优化设计

1.1 挡板通道面积设计理论分析

LIPS-100离子推力器的阳极、阴极、阴极极靴、挡板的结构关系如图1所示。在放电室其他结构参数确定的情况下，由阴极极靴和挡板构成的挡板通道面积有一个最佳值，通过阴极极靴直径和挡板直径的调整可以对通道面积进行优化。

图1 LIPS-100离子推力器放电室结构示意图Fig.1 Schematic diagam of discharge chamber structure of LIPS-100 ion thruster chamber

发散场离子推力器阴极极靴直径初始设计值可由经验式（1）估算[15]。

式中：d2为阴极极靴内径；Dd为阳极直径。

根据式（1）可估算得到阴极极靴内径。

在发散场放电室中，挡板将放电室分成主放电区和等离子体耦合区，挡板与阴极极靴之间的环形通道截面积对放电室的电离效率有较大影响。根据经验值，在20 mN时，发散场离子推力器通过环形通道的电子密度存在以下经验值：式中：A为挡板通道面积；Jp为电子密度；Ia为阳极电流。

相关研究表明[13]，挡板通道面积可利用放电室等离子体密度、放电参数、平均磁场、束流等进行理论估算[13]，计算如式（3）所示。

式中：e为电子电量；为通道内的平均磁感应强度；α为Bohm扩散修正系数；为主放电区平均电子密度；为耦合区平均电子密度；Varc为弧电压；Vkeeper为阴极触持电压；d2为阴极极靴内径；d1为挡板外径；Iarc为阳极电流；Ibeam为束流。

由于理论计算公式在推导的过程中进行了适当的假设和简化处理，因此通过理论计算只能得到粗略的初值。挡板通道面积、阴极极靴直径、挡板直径的优化值须结合试验手段并借助经验公式进行几轮迭代才能确定。

1.2 挡板通道面积优化设计

根据式（1）、式（2）、式（3）设计了LIPS-100离子推力器原理样机阴极极靴内径、挡板直径和挡板通道面积初始值，并进行了适当的试验优化。但是短期磨损试验表明，阳极电压和阳极电压振荡均偏高，分别为42 V和20～25 V，使得栅极的溅射腐蚀超出预期，导致推力器寿命不满足设计要求，阳极电压振荡偏高还表明放电室工作不稳定。

相关理论研究表明[16-17]，在电磁场作用下阴极发射的电子从耦合等离子区通过挡板通道扩散到主放电区的过程中，会引起等离子体密度梯度和电势梯度的较大变化。由于主放电区的电势与阳极电压相关，如果耦合等离子区电子密度增大，挡板通道两侧的电子密度梯度将增大而电势梯度将减小，因此通过增大耦合等离子区电子密度有可能使阳极电压下降。在其他参数不变的情况下，减小挡板通道面积可使等离子区电子密度增大。但是阳极电压下降会导致原初电子能量减小，从而影响放电室气体电离率，因此可通过减小暴露在放电室内的拥有阴极电位的结构表面积来降低离子的损失，从而平衡电离率下降导致的等离子体产量的下降。而降低挡板面积是可采取的一项有效措施[14]。

基于上述理论基础，进行了LIPS-100离子推力器工程样机挡板通道面积再优化设计，本次设计的目标是同时减小挡板通道面积和挡板面积，结合之前的挡板与阴极极靴设计尺寸d10/d20，通过计算初步确定了两组优化的阴极极靴内径和挡板直径，并设计加工了阴极极靴和挡板，它们的直径尺寸从小到大分别表示为d21、d22和d11、d12。

2 挡板通道面积设计验证

2.1 优化试验

离子推力器放电室参数包括各电极的电参数、放电室的几何参数、磁场位形和磁场大小，而放电室的几何参数与磁场直接相关，并影响到放电室的等离子体参数，进而影响到放电室中各电极的参数和寿命，迄今尚未见到准确描述离子推力器放电室几何参数、电参数与磁场位形之间关系的公认的方法。因此，推力器的设计优化还需通过试验优化最终确定。

本文针对两组不同尺寸的阴极极靴和挡板组合，通过正交试验最终优选一组阴极极靴内径、挡板直径组合。在20 mN推力、3 500 s比冲工况下共进行了4个组合的性能优化试验[18]。为了保证性能变化只与阴极极靴和挡板尺寸有关，试验中推力器放电室其他的结构特征尺寸、束电压、束电流、放电室总流率等参数均保持不变，只通过调节阳极电流、励磁电流获取最佳的放电参数。优化前与优化后的设计参数与试验结果如表1所列。

由表1的数据可知，组合d11/d21的放电室综合性能最优，该组合下阳极电压比优化前降低约4 V，阳极电压振荡降低了约一半；放电功耗比优化前的125 W降低了约11 W，达到了优化设计的预期结果；优化后挡板通道面积和挡板面积分别减小2.58 cm2和0.5 cm2，通道面积减小了约19%。

表1 挡板通道面积优化试验结果Tab.1 Test resultsof performance optim ization

2.2 优化后的推力宽范围调节试验

根据挡板通道面积优化试验结果，LIPS-100离子推力器工程样机采用d11/d21组合的阴极极靴内径、挡板直径优化方案，并进行了宽推力范围调节试验，以验证采用该方案的推力器在1～20 mN宽范围调节过程中的放电室性能。宽范围推力调节试验结果如表2所列。

表2 推力宽范围调节试验结果Tab.2 Test resu ltsofw ide range thrust throttle

从表2可以看出，在推力宽范围调节过程中，阳极电压大部分在38 V以下，阳极电压振荡均在15 V以下，大部分集中在10 V左右，比优化前的20～25 V降低一半。结果表明，挡板通道面积优化后推力器在宽范围工作过程中阳极电压和阳极电压振荡均保持在较低值。阳极电压降低后放电室离子能量也相应降低，从而减缓了离子对栅极的溅射腐蚀，保证了推力器寿命满足设计要求。推力器工作宽范围内阳极电压振荡降低还表明放电室工作稳定性得到了提高，从而可以保证推力宽范围连续精细可调的实现。

2.3 优化后的短期磨损试验

为了进一步验证优化后的效果，在LIPS-100离子推力器工程样机上进行了20 mN工况下的200 h短期磨损试验，试验过程中设备条件和各输入参数保持与优化试验时一致，试验采取工作23 h、停机1 h的循环方式进行。由试验结果得到200 h内推力变化曲线和阳极电压输出曲线，分别如图2和图3所示。

图2 短期磨损试验中推力输出曲线Fig.2 Curve of thrustoutput in shortperiod wear test

图3 短期磨损试验中阳极电压变化曲线Fig.3 Curve of anode voltage in shortperiod wear test

由图2可以看出，短期磨损试验过程中，在相同输入电、气参数条件下，20 mN工况推力变化在19.8～20.6 mN之间。由图3可知，试验过程中阳极电压保持在37.4～38.9 V之间。上述试验结果表明，整个试验过程中推力器工作稳定，放电室性能优良。

根据相关文献[19-20]中阳极电压与屏栅极钼材料溅射产额的经验公式，计算了LIPS-100离子推力器不同阳极电压下单荷氙离子和双荷氙离子对屏栅极钼材料的溅射产额。根据经验式（4）[21]，计算了阳极电压与屏栅极寿命的关系，如图4所示。由图4可知，对应优化前和优化后阳极电压42 V和38 V下的屏栅极寿命分别为9 523 h和1 4681 h，优化后的寿命达到了设计预期。

图4 不同阳极电压下屏栅极寿命曲线Fig.4 The lifetime of the screen grid asa function of anode voltage

式中：Tsg为屏栅极寿命；ts为屏栅极厚度；φi为栅极离子透明度；e为电子电荷；ρ为屏栅极材料密度；Fb束流平直度；rb为屏栅极开孔区域半径；φs为屏栅极几何透明度；R+++为引出束流中双荷离子比；Ib为束电流；m为屏栅极材料密度；Y+为单荷氙离子对钼材料的溅射产额；Y++为双荷氙离子对钼材料的溅射产额。

4 结论

通过对挡板通道面积对放电室性能影响的分析，采用减小阴极极靴直径和挡板直径的方法进行了挡板通道面积的优化，在理论设计值基础上通过组合试验确定了优化的挡板通道面积。优化后推力器的额定工作点和宽范围工作稳定性、放电性能均得到较大提高。阳极电压比优化前降低约5 V，阳极电压振荡值比优化前减小一半。阳极电压降低减弱了离子对栅极组件的溅射腐蚀，使得屏栅极寿命比优化前提高了50%以上，达到了预期目标。