曲面栅极朝向对离子推力器影响的试验研究

郭德洲，胡 竟，杨福全，耿 海，李 娟，赵以德，李建鹏

（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

离子推力器具有比冲高、效率高、寿命长和调节范围宽的特点，可以用来执行航天器位置保持、轨道转移、阻力补偿、姿态控制和深空探测器主推进任务，已在美国、英国、日本、中国等得到了广泛的研究和应用[1-2]。栅极是离子推力器的核心组件之一，其主要功能是聚焦并加速引出放电室工质气体电离后产生的离子，该过程直接关系到推力器的推力、比冲、效率等重要性能参数。因此，栅极结构优化一直是离子推力器的热门研究方向。

目前国外离子推力器主要有两种代表性的栅极构型结构：以美国XIPS-25、NSTAR、NEXT、NEXIS等为代表的离子推力器采用了凸面栅极构型设计[3-6]；以英国T5、T6等为代表的离子推力器采用了凹面栅极构型设计[7-8]。国外相关文献提及不同的栅极构型对离子推力器工作特性有影响，但未进行系统性对比研究。日本NAL实验室为了提升30 cm离子推力器性能，历经LM-1-MK-1、LM-1-MK-2、LM-2、BBM-1四个阶段，实现了放电损耗、推力器内部温度和阳极电压的降低，推进剂利用率的提高，使推力器性能得到了优化[9]。然而由于四个阶段中对推力器的参数进行了大量修改，包括改变放电室构型和栅极组件构型及其安装方式，因而无法总结出栅极构型单一参数对推力器工作特性的影响规律。国内LIPS-200、LIPS-300、LIPS-400离子推力器均采用了凸面栅极构型设计[10-12]，还未开展凸面和凹面不同栅极构型对离子推力器工作特性影响的对比研究。

为了明确两种主流栅极构型对离子推力器工作特性的影响，为国内离子推力器研制过程中栅极构型的选择和优化提供依据，本文基于兰州空间技术物理研究所自主研制的LIPS-100离子推力器，开展两种不同栅极构型下的放电损耗、束流密度分布和低温启动特性试验对比研究，以得出两种栅极构型的优点和劣势。

1 栅极工作原理及构型

为了保证离子推力器性能得到充分发挥，具备高比冲和高效率特性，应最大限度地引出放电室内电离所产生的离子。对于双栅离子推力器而言，宜采用小孔离子光学设计，即屏栅大孔径、加速栅小孔径结构；栅极厚度尽可能薄，透明度尽可能高；栅间距尽可能小，形成独特的离子光学聚焦引出系统。栅极组件中，靠近放电室的屏栅通常带有上千伏的正电位，较放电室等离子体电势稍低，其作用是使等离子体中的电子无法打到屏栅极上，也不能通过栅孔逃逸，电子基本上被放电室阳极表面吸收；下游加速栅通常带有上百伏的负电位，其主要作用是阻止束流等离子体电子反流到放电室。因此，在屏栅和加速栅组成的静电场作用下，放电室内等离子体中的离子被聚焦、加速引出。

栅极一般由屏栅、加速栅、屏栅安装环、加速栅安装环、栅极绝缘支撑部件构成，其中屏栅、加速栅分别固定至对应安装环上。在工程应用中，栅极厚度≤0.5 mm，栅极几何透明度≥60%，栅间距≤1.0 mm。考虑到应能够耐受发射力学环境和具备良好热稳定性要求，口径大于10 cm的栅极须额外增加栅极刚性：一是采用栅极安装加强环设计，增强栅极抗形变能力；二是采用球面形式设计栅极，以保证各栅极在热循环工况和力学环境中形变方向的一致性。

根据栅极球面朝向，栅极构型可以分为两种：一是球面背向放电室的凸面栅极，如图1所示；二是球面朝向放电室的凹面栅极，如图2所示。

图1 凸面栅极及在放电室中的位置示意图Fig.1 Convex grid and schematic diagram of its position in the discharge chamber

图2 凹面栅极及在放电室中的位置示意图Fig.2 Concave grid and schematic diagram of its position in the discharge chamber

离子推力器工作的基本原理源于等离子体及等离子体边界物理学，电子与气体原子的相互作用、能量和动量转移、带电粒子由等离子体内部向边界的输运过程等，上述过程的发生都被限制在等离子体边界之内，由此可以推定等离子体的几何形状必然影响发生在等离子体中的这些过程，进而影响等离子体的特征。建立这种结构与工作特性相关的几何参数，就是所谓的放电室“特征长度”[13]。特征长度Lc表示为

式中：Ωp为原初电子区的体积；Ap为原初电子区包围面积。显然，栅极球面朝向不同，原初电子区体积Ωp不同，造成放电室特征长度Lc不同，进而影响离子推力器工作特性。具体表现为：

（1）在工质利用率一定的情况下，放电损耗主要决定离子推力器放电室工作性能的优劣。放电损耗ε表示为

式中：Va和Ia分别为放电电压和放电电流；Vck和Ick分别为阴极触持电压和阴极触持电流；Ib为束电流。按照放电室内功率和能量守恒关系，与放电损耗ε相关的结构几何参数之一为放电室表面积和体积[14]。两种栅极构型导致放电结构参数不同，通过放电损耗测试试验，可以对比分析得出两种栅极构型对放电室的影响。

（2）表征栅极离子光学系统的一个重要指标是引出离子束流密度均匀性，一般用束流平直度Fb来表征，定义为平均离子束流密度与峰值离子束流密度的比值

由于球面栅极自身结构存在一个几何“焦点”，球面朝向不同，离子引出会出现一定程度的“发散”或“会聚”，使得峰值离子束流密度不同。两种栅极构型的“焦点”不同，通过束流密度分布测试试验，可以对比分析得出两种栅极构型对束流平直度的影响。

（3）栅极热特性是影响离子引出过程稳定性和机动性的重要因素，尤其是低温启动特性。由于球面栅极自身结构存在一个变形预设方向（球面朝向方向），球面朝向不同，在启动热环境下的栅极应变方向不同，两种栅极构型的热特性不同。通过低温启动特性测试试验，可以对比分析得出两种栅极构型对离子推力器启动热弛豫过程的影响。

2 试验设备与方法

在兰州空间技术物理研究所自主研制的LIPS-100离子推力器上进行了两种不同栅极构型下的放电损耗、束流密度分布和低温启动特性等性能测试试验。除了对栅极球面朝向和对应的补偿进行了设计外[15]，在不改变栅极其余结构参数的情况下制作了两种构型栅极系统。为了保证试验参数的一致性，试验均在LIPS-100离子推力器工程样机上进行，推力工况为20 mN。离子推力器实物如图3所示。

图3 LIPS-100离子推力器实物图Fig.3 LIPS-100 ion thruster

放电损耗测试试验在TS-6S离子推力器性能测试设备中进行，该设备真空室直径1.5 m，长度4 m，极限压力5×10-5Pa。通过测试推力器工作过程中的电参数，按照式（2）计算得出放电损耗值。本次试验中，电参数为推力器工作2 h热稳定后的4 h内电参数平均值，其中，电子反流极限电压测试是通过逐步降低加速栅电压绝对值，监测束电流变化情况获得的[14]。

束流密度分布测试试验在TS-6B离子推力器性能测试设备中进行，该设备真空室直径2.0 m，长度5 m，极限压力1.6×10-5Pa。采用法拉第探针在离子推力器栅面下游一定距离处测试束流密度，测试方式包括单探针扫描测试和法拉第阵列测试。法拉第探针由防护套、电流收集盘、绝缘垫等组成，测试原理为：在收集极和外壳间加载偏置负电压，阻挡束流中的电子到达电流收集盘，使束流中的离子到达探针的电流收集盘形成探针电流，再用收集离子的电流值除以电流收集盘面积即得到离子的电流密度。束流密度分布测试基于单探针扫描测试原理，即法拉第探针安装在可移动的探针支架上，探针在推力器径向可连续移动测试，移动轨迹垂直于推力器中心轴线。束流发散角测试基于法拉第阵列测试原理，即法拉第阵列探针在测试截面内呈阵列环形分布，将探测截面划分成若干均分的圆环段，每个圆环段内具有一个法拉第探针，且法拉第探针位于圆环段的中心，法拉第探针所属圆环段即为对应法拉第探针的探测区域。采用积分和线性插值可计算出90%总束流值对应的束流发散角。

低温启动特性测试试验在TS-6A离子推力器性能测试设备中进行，该设备真空室直径2.0 m，长度5 m，极限压力1.6×10-5Pa。低温启动特性测试过程为：由推力器冷套装置提供低温环境，用基于LabVIEW平台的自动测试系统监测推力器启动过程中的电参数，统计推力器达到额定电参数的启动时长。

采用地面供气系统为试验供气。该系统主要由氙气瓶、调压模块及流量控制模块组成，推进剂流量控制精度优于±（0.8%读数＋0.2%满量程）。采用地面供电系统为试验供电，所有电源稳定度均优于±0.04%。

3 结果与讨论

3.1 放电损耗测试试验

在栅极引出离子束功率一定情况下，离子推力器总效率取决于放电损耗，放电损耗越小，离子推力器总效率越高[16]。表1为同一台LIPS-100离子推力器工程样机上分别装配两种不同构型的栅极时，平衡后的工作电参数。从表1可以计算出：凸面栅极构型下，放电损耗为294.5 W/A；凹面栅极构型下，放电损耗为310.2 W/A。与凸面相比，凹面栅极放电损耗增加了5.3%。

表1 不同栅极构型下LIPS-100离子推力器主要工作电参数Tab.1 Major performance parameters of LIPS-100 ion thruster at different grid optical system

这一现象可能由两种因素耦合造成：一种因素是，虽然两种栅极构型放电室内的阴极、阳极和磁场完全相同，但是凹面栅极构型使得在放电室表面积不变的情况下，放电室体积缩小，电子碰撞电离中性原子的概率及其总路径降低，放电效率随之降低。另外一种因素是，由于离子推力器放电室离子电离过程中产生的大量热量辐射至栅面，且栅极径向温度分布存在差异，在边缘约束条件下的工作过程中，不均匀温度场引起的热应力不能得到充分释放，使栅极中心发生热形变。对于给定球面朝向的两种曲面栅极，凸面栅极构型中屏栅中心的较大热形变使屏栅与加速栅热态栅间距减小，栅极中心区域离子引出效率增大，放电效率提高；凹面栅极构型热态栅间距增大，栅极中心区域离子引出效率和放电效率降低，表1中凹面栅极构型的加速截获电流增大，电子反流极限电压的绝对值降低，也证明了这一分析的正确性。

3.2 束流密度分布测试试验

束流密度均匀性影响离子推力器的寿命和可靠性，束流平直度越大代表束流密度越均匀[17]。

两种不同的栅极构型在20 mN推力工况下引出束流轮廓分别如图4和图5所示，可以看出，凸面栅极引出束流离开栅面后呈发散状；凹面栅极引出束流呈先收缩再发散的“束腰”状。这些不同的现象由两方面因素导致，一是凸面栅离子光学系统几何“焦点”位于屏栅上游放电室内，而凹面栅“焦点”位于加速栅下游；二是引出离子由于空间电荷效应产生了自发散。鉴于束流轮廓差异性，采用束流发散角测试装置对栅极引出束流进行了束流发散角测量，试验中该装置距离栅面0.5 m。

图4 凸面栅极构型束流引出状态Fig.4 Ion beam extraction state of convex grid optical system

图5 凹面栅极构型束流引出状态Fig.5 Ion beam extraction state of concave grid optical system

表2为同一台LIPS-100离子推力器工程样机上分别装配两种不同栅极构型时，引出束流发散角测试结果。从表2可以看出，凹面栅极构型束流发散角明显较凸面小，90%束流发散角比凸面的降低18.6%，95%束流发散角降低25.4%，同样证明了上述分析的正确性。

表2 不同栅极构型下引出束流发散角测试结果Tab.2 Ion beam divergence angle parameters at different grid optical system

基于两种栅极构型引出束流轮廓及发散角的测试结果，为了对两种栅极构型的引出束流平直度进行对比，采用束流密度分布装置测量栅极不同位置处的束流密度：在栅极下游以步进方式垂直离子推力器中心轴方向水平扫描，步长为2 mm。图6为同一台LIPS-100离子推力器工程样机上分别装配两种不同栅极构型时，距离栅面100 mm处测量的引出束流密度径向分布曲线。

图6 不同栅极构型下引出束流密度径向分布曲线Fig.6 Ion beam current density distributions at different grid optical system

从图6中可以得出，凸面栅极构型下，束流密度峰值为4.4 mA/cm2，测量截面处束径为184 mm，束流平直度为0.51；凹面栅极构型下，束流密度峰值为12.2 mA/cm2，测量截面处束径为112 mm，束流平直度为0.41。这说明栅极构型对离子推力器束流密度分布有较大影响，同样的束电流下，凹面栅极构型引出束流平直度比凸面的下降了19.6%。束流密度均匀性变差，是由于凹面结构使引出离子聚焦，束径缩小39%，束流密度峰值提升了1.8倍。同时，补充进行了凹面栅极构型在不同距离测量截面下引出束流密度径向分布测试，测量结果如图7所示，可以看出，在栅面下游20～100 mm之间，束径持续缩小，束流密度峰值同步提高。由于受限于束流密度分布装置沿离子推力器轴向方向行程的限制，该试验未捕获到束流从聚焦到发散的转折截面，但根据图7的趋势性，初步分析转折点约在栅面下游距离150～200 mm处，这也与表2中距离栅面0.5 m处测量的发散角测试结果和图5中束流轮廓分析结论相吻合。

图7 凹面栅极构型在不同测量距离下引出束流密度径向分布曲线Fig.7 Ion beam current density distributions at various downstream position of concave grid optical system

此外，与凸面栅极构型相比，凹面栅极引出束径缩小，束流密度均匀性变差，束流密度峰值增大。由于中心区域电荷交换（CEX）离子与束流密度呈正相关，因此，凹面栅极CEX离子密度提高，边缘区域CEX离子密度降低，这将小幅降低加速栅中心区域结构的磨损寿命。同时，凹面栅极加速栅中心区域热流密度增大，双栅热形变一致性得到改善，热态栅间距较为稳定[18]。表1中凹面栅极的加速截获电流增大，电子反流极限电压的绝对值降低，两者较凸面栅极的变化幅度均不大，间接证明了这一分析的正确性。

3.3 低温启动特性测试试验

工程研制过程中，离子推力器常温和高温启动不是难题，低温启动是在轨应用策略中的一个重要环节，在真空深冷环境和放电室内部热环境的耦合作用下，保证栅极启动安全间距和缩短启动时间是个技术难题。在放电室构型及磁场布局一定的情况下，低温启动时长是表征栅极离子光学系统的一个重要指标。

为了验证栅极构型对离子推力器低温启动特性的影响，选择目前离子推力器在轨低温最大包络（-90℃）进行低温启动特性测试试验。图8为同一台LIPS-100离子推力器工程样机上分别装配两种不同栅极构型时，低温启动过程束流监测结果。其中，在前期LIPS-100离子推力器工程样机上摸底试验中，凸面栅极构型在-90℃低温环境下推力器启动时栅间闪烁频繁，甚至造成放电室熄弧现象，因此调整为分阶段启动试验流程，即通过调整放电电流实现从小束流到额定束流的逐步低温启动。从图8可以看出，1 500 s左右时，实现了凸面栅极构型额定满功率低温启动，此时，离子推力器温度监测显示为-20℃。凹面栅极构型在10 s左右实现了额定满功率低温启动。两种不同栅极构型低温启动特性基本具备可重复性。

图8 不同栅极构型下-90℃低温启动特性曲线Fig.8 Start-up characteristic of different grid optical system at-90℃

造成低温启动特性差异较大的因素主要为离子推力器的启动热特性。正如前文所述，由于启动过程中离子推力器放电室电离过程引起的热传导及热辐射使栅极产生不均匀温度场，栅极热形变导致两种不同栅极构型在启动过程出现了栅间距差异。具体表现为，在真空深冷环境下的低温启动瞬态过程中，加速栅温度远没有达到常温及高温启动的程度，而屏栅受其上游的影响，势必发生远大于加速栅的热形变。其中，凸面栅极构型中屏栅中心较大热形变使栅极系统中屏栅与加速栅启动瞬间栅间距过小，栅极离子光学系统启动瞬间会发生欠聚焦，部分引出离子直接轰击到加速栅上，形成瞬间电通路，从而导致束流闪烁频繁，严重时可导致栅极电源过载。而凹面栅极构型启动瞬间栅间距增大只能短暂降低栅极离子光学聚焦效果，达不到形成通路的程度。此外，凹面栅极的聚焦“束腰”特性导致的加速栅中心区域热流密度较凸面栅极高，凹面加速栅可以很快达到热平衡。因此，凹面栅极构型低温启动特性表现优异。

4 结论

为了明确两种主流曲面栅极朝向结构对离子推力器工作性能的影响，在同一台LIPS-100离子推力器工程样机上开展了两种不同栅极构型下的放电损耗、束流密度分布和低温启动特性等性能对比试验研究，得到如下结论：

（1）与凸面构型栅极相比，凹面构型栅极的放电损耗增加了5.3%。这是由于凹面构型栅极在保持放电室表面积不变的情况下，放电室体积缩小，因而放电效率降低。同时，凹面栅极工作时热态栅间距增大，栅极中心区域离子引出效率和放电效率降低。

（2）栅极构型对离子推力器束流密度分布有较大影响，同样的束电流下，凹面栅极构型束流发散角比凸面构型的降低了18.6%，但束流平直度下降了19.6%。这是由于凹面结构使引出离子聚焦，束径缩小，束流密度峰值提高，同时，也导致栅极中心区域CEX离子密度和热流密度提高，一方面小幅度降低了加速栅中心区域结构的磨损寿命；另一方面改善了双栅热形变的一致性。

（3）凹面构型栅极低温启动特性表现优异。这是由于低温启动瞬态过程中，凸面构型栅极中心栅间距过小，局部形成瞬间电通路，导致束流闪烁频繁，使低温启动困难。凹面构型栅极启动瞬间栅间距增大，不会出现束流闪烁现象。

综合而言，两种栅极构型各有利弊，在不同的应用领域可以选取合适的栅极构型设计。建议在阳照区工作寿命要求较高的电推进系统中选择凸面构型栅极，更多需要在阴影区低温环境下工作的电推进系统选择凹面构型栅极设计。此外，对于机动性较强、多模式工况连续工作或结构布局相对紧凑的航天动力系统，建议选择凹面构型栅极。