霍尔推力器放电通道中性气体分布及检测技术研究进展①

罗 威,龙建飞,*,徐禄祥,柏 树,孙明明,王嘉彬

(1.南华大学 核科学技术学院,衡阳 421001;2.国科大杭州高等研究院 引力波太极实验室(杭州),杭州 310024;3.国科大杭州高等研究院 基础物理与数学科学学院,杭州 310024;4.国科大杭州高等研究院 浙江省引力波精密测量重点实验室 ,杭州 310024;5.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

逐步多样化和复杂化的空间任务对空间飞行器的功能和性能提出了更高的要求,空间飞行器的动力系统也随之面临着巨大的挑战与革新,电推进技术的出现为飞行器姿态控制、轨道控制及深空探测等任务提供了更高效的解决方案[1]。霍尔推力器(Hall thruster,HT)是目前应用最多最成熟的电推力器[2]。中性气体(通常为惰性气体)是霍尔推力器内部放电过程的重要组成部分,在霍尔推力器工作过程中,中性气体与电磁场作用下的电子进行碰撞并产生离子,电场加速离子喷出放电通道,最终形成推力。由于放电通道内存在正交电磁场,其中电场沿着轴向,磁场指向径向,等离子体中的电子将被磁场约束并沿着E×B(E为电场,B为磁场)方向漂移,即周向霍尔漂移。在放电通道电离过程中,气体密度分布不均匀将直接产生非均匀、部分电离等离子体,中性气体不均匀导致的局部电离以及周向等离子体密度梯度能够产生周向电场,与径向磁场耦合,又进一步造成指向阳极的霍尔漂移,使得到达阳极的电子电流增大,同时改变了局部电势分布。可见中性气体分布对放电通道内等离子体产生及带电粒子运动具有重要影响[3-5],其周向和径向均匀性是霍尔推力器优化的重要参数。

20世纪60年代起,研究人员便开始关注放电通道中性气体分布非均匀性。HAGELAAR等[6]研究发现,放电通道内等离子体反常扩散主要是由中性气体密度不均匀性引起的。HOFER[7]、FUKUSHIMA[8]等研究表明,中性气体非均匀分布时,通道内将使局部电子密度增大并产生周向电场,进而导致电子霍尔漂移效应显著,致使更大的阳极电流,最终增加推力器热负荷。XIA[9]、江滨浩[10]等研究发现,中性气体在放电通道周向上呈现不均匀性时,将加剧放电电流振荡,进而减少推力器效率和比冲,尤其是低功率霍尔推力器中,其性能对中性气体分布的均匀性更加敏感。

本文通过分析气体分配器供气方式、出气小孔径向位置、放电通道尺寸等因素,全面探讨了影响霍尔推力器内部中性气体均匀性的因素,并进一步分析了中性气体分布检验方法,为优化霍尔推力器中性气体分布提供参考。

1 影响气体均匀性的关键因素

中性气体主要通过气体分配器注入至放电通道,气体分配器不仅实现中性气体供气,也是霍尔推力器供电阳极,其结构一般采用双腔式[11-12]设计,主要包括进气管、下缓冲腔、隔板、上缓冲腔和出气小孔组成,通常布置于放电通道底部,如图1所示。推力器工作时,中性气体由供气管进入气体分配器,在其下缓冲腔实现一次匀化,之后通过挡板小孔进入上缓冲腔,在上缓冲腔实现二次匀化,最后通过出气小孔注入放电通道,绝大部分在放电通道内被电离产生等离子体,少量未被电离气体从通道出口逃逸出去。从中性气体扩散过程来看,气体分布均匀性主要受气体分配器和放电通道结构影响。首先气体分配器供气方式直接决定了气体注入通道的初始速度和方向,对放电通道上游区域气体分布影响较大;另外气体分配器出气小孔位置决定了气体进入放电通道的初始位置,在放电通道内,越靠近气体分配器出口,气体密度越大且不均匀,改变气体分配器出气小孔径向位置必然改变中性气体分布;最后中性气体在放电通道内扩散过程中,放电通道长度及宽度等尺寸也会影响气体分布,从而改变中性气体均匀性。

图1 气体分配器典型结构示意图

1.1 气体分配器出口供气方式影响

2009年美国密歇根大学REID等[13]对霍尔推力器气体分配器供气方向开展研究,针对气体分配器出气小孔轴向供气和径向供气两种方式,采用流体仿真方法,对比分析了两种供气方向下的气体密度均匀性,结果如图2所示。研究表明,出气小孔采用轴向供气时,出气小孔附近的气体密度轴向分量偏大,导致气体在周向分布显著不均匀;相比而言,径向供气方式明显提高了气体密度周向的均匀性,同时推力器性能也优于轴向扩散方式。KIM[14]、MIYASAKA[15]等通过研究得到相近结论,气体分配器供气采用径向供气方式可显著改善通道内中性气体周向分布均匀性,降低阳极附近气体密度的周向差异,从而提高了推力器的性能。

图2 气体分配器出口轴向供气和径向供气示意图(a-b);轴向供气和径向质量通量仿真对比(c-d)[13]

2019年哈尔滨工业大学范昊天等[16]进一步开展了气体分配器周向供气方式研究。为实现气体分配器出口周向供气,研究人员将出气小孔在原来径向的基础上相对过原点的中心线倾斜45°进行加工,使得气体从气体分配器出口沿着轴向进入放电通道,其结构示意图如图3(a)所示。采用仿真手段对比分析了周向供气和轴向供气方式对中性气体分布均匀性的影响,仿真结果如图3(b)、(c)所示,其中图3(b)为周向供气,图3(c)为轴向供气。研究表明,采用轴向供气时,气体主要集中在通道中径区域(此处气体密度最高),而当供气方式改用周向供气时,气体主要集中在通道内外壁面附近。对比发现,周向供气时放电通道内气体密度径向均匀性更好。

图3 周向供气示意图(a);周向供气和轴向供气气体密度分布仿真结果对比(b-c)[16]

1.2 供气小孔位置影响

研究人员对气体分配器供气小孔位置进行了研究。GARRIGUES等[17]对供气小孔轴向位置进行研究,出气孔不同轴向位置会影响气体在通道内的停留时间,进而对气体分布均匀性产生影响;VIAL等[18]对气体分配器供气小孔径向位置进行了研究,将出气小孔沿着径向分别设置为:内壁面附近、通道中间、外壁面附近。通过仿真分析,得到三种不同位置下放电通道内气体密度沿轴向分布,结果如图4所示,其中a、b、c分别代表内壁面附近、通道中间、外壁面附近气体密度轴向分布。对比分析发现,出气小孔位于通道中心时,通道内气体密度最大值与最小值之间差值与均值比值最小,即气体分布均匀性最好。

图4 出气小孔径向位置对气体密度分布影响[18]

2017年哈尔滨工业大学高圆圆等[19]进一步开展了气体分配器出气小孔径向位置研究。针对低功率圆柱型霍尔推力器,将气体分配器出气小孔径向位置依次设计为Rg取0、5、10 mm三种情况,如图5(a)所示。采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法分别得到了三种情况下中性气体密度分布,仿真结果如图5(b～d)所示。对比分析发现,在相同的阳极供气流量下,随气孔的径向位置对应的半径Rg从0 m增大到10 mm的过程中,通道内气体密集区也随之从通道中心移动到靠近外壁面处。值得注意的是,当出气小孔位于通道中心(Rg=0 mm),更易于气体向周围空间的扩散,通道内的气体分布更均匀,而随着Rg增大到10 mm,供气位置靠近阳极,使得阳极周围的气体密度达到最高,沿着径向指向通道中央气体密度迅速减小,其中轴线附近的气体密度最低,其值不到阳极表面的1/10。

图5 出气小孔不同径向位置示意图(a);不同径向位置气体分布仿真结果对比(b～d)[19]

1.3 放电通道尺寸影响

以色列理工学院RAITSES等[20]在通过实验方法研究了通道尺寸对气体密度分布影响。根据推力器放电特性,放电通道沿着轴向依次可分为靠近阳极的近阳极区,位于通道中间的电离区,以及出口的加速区[10,19]。研究发现,如果增加放电通道长度,中性气体的电离率越高,之后趋于稳定;而缩小通道近阳极区宽度,可提高电离区域的中性气体密度。另外分析认为,放电通道长度和轮廓设计中,需要考虑阳极流量的匹配关系。LOYAN等[21]通过增加陶瓷垫片来局部改变通道尺寸,研究发现,电离区宽度将影响气体的停留时间。ASHKENAZY等[22]研究发现,适当增加通道长度可提升气体密度分布均匀性。此外,DING等[23]分析了倾斜通道对气体密度分布影响。

2021年大连海事大学段萍等[24]在开展通道宽度对霍尔推力器性能影响的数值研究时,将通道宽度从10mm逐渐增加到18mm,如图6(a)所示。仿真结果发现,相同阳极流量下,随着通道宽度的增加,通道内电离区域离子密度均匀性增加,如图6(b)所示。分析认为,随着通道宽度变大,使得中性气体径向扩散路径增大,气体径向分布更加均匀,提升了放电通道内工质利用率,通道内等离子体密度增加,进而推力器性能提升。

(a) (b)

2 中性气体分布测试方法

中性气体密度检验可直观观察放电通道内中性气体分布情况,便于对气体分布均匀性进行评价。由于中性气体密度无法被静电探针探测,增加了中性气体分布实验诊断难度。为测量中性气体均匀性分布,目前主要方法包括:诱导荧光法、火焰亮度法和压力传感器法测量。

2.1 诱导荧光法检测

2003年VIAL等[18]采用电子束诱导荧光方法对SPT100霍尔推力器通道内气体密度进行检测,测试原理如图7(a)所示。主要测试设备包括:高能电子枪、单色仪光谱接收器组件、数据分析组件等。该测试方法主要是利用电子枪产生单一高能量(7000 V)电子束,电子束从推力器出口端面正面射入放电通道,与通道内中性气体进行激发碰撞,中性原子从激发态到基态将产生特定波长的荧光信号,通道侧面缝隙释放出来的荧光将被光谱分析仪捕获,通过光谱数据分析进而得到通道内中性原子密度分布。测试结果如图7(b)所示,SPT100推力器通道内中性原子密度分布关于通道平均半径具有较好的对称性,在通道内径附近有最小密度,沿着径向原子密度逐渐增大,最大密度约为5.0×1019/m3。SMITH、HARGUS等[25-27]也采用类似的激光诱导荧光法对霍尔推力器内部气体密度进行了测量,不在此赘述。

(a) (b)

2.2 火焰亮度法检测

2012年美国乔治亚理工的LANGENDORF等[28]采用火焰亮度法对霍尔推力器气体密度分布进行检测。测试原理如图8(a)所示,主要测试设备包括丙烷气瓶、空气气瓶、压力调节阀、压力计、流量控制器、气体分配器、相机等。这种检测技术是在气体分配器内通入可燃烧气体,并在气体分配器表面产生火焰,通过位于气体分配器正面的相机拍摄火焰并记录火焰光强度的方位角变化,从而量化出燃烧气体数密度的方位角均匀性,最终间接等效出推力器内部工质气体密度分布均匀性。测试结果如图8(b)所示,气体分配器出口端面火焰光强较为均匀,在右侧0°附近存在一个较亮光斑,分析认为这是进气口可燃气体密度过高导致。该方法通过火焰亮度对比较好得到气体分配器出口端面附近气体分布的不均匀性。

图8 压力测试装置的示意图(a);火焰可视化测试结果(b)[28]

2.3 电离规压力法检测

2017年美国加州理工学院喷气推进实验室的HOFER等[29]对H9霍尔推力器放电通道中性气体均匀性进行了试验研究。测试原理如图9(a)所示,主要设备包括旋转平台、氙气供气系统、皮托管、电离规等。测试过程中,将稳态电离规370与一根皮托管相连,并将皮托管另一端放置于通道内部(1/2通道深度),放电通道陶瓷固定在旋转台上,通过旋转电机测试出放电通道内不同周向角度中性气体压力,根据测量压力与平均压力之间的比值关系从而评价出气体均匀性分布,测量结果如图9(b)所示,H9霍尔推力器在推进剂流量分别为1 mg/s和3 mg/s时,最大峰峰值压力变化分别为3.2% 和2.6%。

图9 电离规压力法测量示意图(a);电离规压力测试结果(b)[29]

3 分析与讨论

3.1 气体均匀性影响分析

为了进一步理解各因素对中性气体密度分布影响,结合气体分子运动理论[30-31]做进一步分析。霍尔推力器放电通道内中性气体连续方程[32-35]:

(1)

式中z为轴向位置;Na(z)为中性气体轴向密度;N0为气体分配器表面的气体密度;〈σive〉为气体电离速率;ne为电子密度;λi为离子的自由程;Vaz为原子轴向速度。

根据式(1)可知,当中性气体的轴向速度Vaz过大时,则轴向的原子数密度变小,进而使得气体内部碰撞减少,不利于中性气体在通道内的均匀。气体的轴向速度还将影响气体在通道内的停留时间[36-38]。其中气体的停留时间t1满足:

(2)

气体在放电通道内停留时间越长,越有利于气体分布的均匀性。因此,为了让中性气体在通道内的停留时间最大化,尽可能减少气体的轴向速度。在考虑气体分布均匀性的同时,还需要结合气体的电离效率[39-43]分析,电子与中性气体平均电离碰撞时间t2为

(3)

为充分对中性气体电离,需要满足t2≪t1:

(4)

在气体分配器供气方式的选择方面,相比径向和轴向供气方式,采用周向供气方式,气体在轴向和径向初始流动速度相对较小(理论上可以认为这两个方向初始速度接近于零),提高了气体密度在轴向和径向的均匀性,结合放电通道为环状结构,增大周向速度有利于气体密度在周向的均匀分布。在放电通道尺寸设计中,延长通道长度或者增大通道宽度,可以提升气体的扩散路径,有利于气体的均匀化,但是这也将增加了电子和离子在通道壁面的碰撞损失,以及壁面能量沉积,给推力器的性能带来负面影响。

工质流量主要影响通道内原子密度,较低质量流量工况下,中性气体在通道内的原子密度相对较低,周向供气方式下气体周向扩散可降低轴向扩散速度,而在大质量流量工况下,碰撞产生的离子同时继承了原子的周向速度分量,且原子密度的增加也会导致壁面离子损失的加剧,从而难以达到明显的性能改善效果。而关于周向速度是否存在最优值尚未见到相关报道,值得关注。

3.2 气体均匀性检测技术分析

(1)针对放电通道内中性气体分布均匀性检测技术,诱导荧光检测方法可以较好诊断出放电通道内局部区域气体密度,通过光谱分析而获得气体密度分布。该方法是通过使用高能量电子束冲击中性气体产生荧光发展而来的,该方法所需高能电子枪、光谱分析仪等复杂设备,测试过程中光谱信息捕获难度较大,且荧光对推力器造成一定的光污染。

(2)火焰亮度检测方法可以较好诊断出气体分配器出口端面气体密度分布均匀性。该技术主要通过火焰亮度来表征气体密度,同时可以识别出霍尔推力器气体分配器的制造缺陷。该方法可以通过提高气体流量来放大和识别气体分布的不均匀性,并且基于图像处理可以提高测量精度。但是该方法主要针对气体分配器出口端面进行诊断,对于通道长度和宽度等尺寸影响无法识别,且需要后期图像处理等技术支持。

(3)电离规压力检测法主要通过电离计测量气体压力来表征,相比火焰亮度检测,该方法可以定量测量出中性气体均匀性,但获得的气体分布数据有限,无法直观地观察中性气体在放电通道内的分布,另外该方法仅针对推力器待机状态开展,不能在推力器工作状态下进行在线诊断。相比待机状态,工作状态下气体密度分布还将受到电子与气体的电离碰撞、推力器内部壁面温度非均匀分布等多因素影响。

4 结束语

中性气体不均匀分布是优化霍尔推力器性能不可忽视的问题,本文对推力器内部气体均匀性关键影响因素和中性气体分布测试方法两方面进行总结与展望。

(1)针对气体均匀性关键影响因素,国内外研究人员主要研究了气体分配器供气方向、出气小孔径向和轴向位置、通道长度和通道宽度等影响,这些因素几乎涵盖了气体在放电通道扩散运动的全过程,较为全面地分析了气体密度分布影响规律,主要结论及存在问题包括:1)采用周向扩散方式优于径向扩散和轴向扩散,但目前关于周向供气方式研究中,出气小孔的倾斜角度对气体均匀性的定量关系尚不明确,周向供气方式涉及的一些关键参数,仍需开展深入研究工作;2)气体分配器出气小孔位于放电通道内壁面优于外壁面,位于内壁面时更容易实现中性气体在放电通道扩散,中性气体分布更均匀,但另一方面,会造成近阳极区的中性气体密度较低,导致电离效果弱,间接影响电离和加速的过程;3)关于气体分配器内部参数对通道内气体密度分布均匀性的研究较为缺乏,现有研究主要关注气体分配器供气方向和出气孔位置,对气体分配器内部结构尺寸对气体均匀性影响研究相对较少,后续需要结合实验和数值模拟开展研究;4)适当延长放电通道尺寸和扩展放电通道宽度,可以延长气体的扩散路径,提升中性气体的均匀性,但是放电通道尺寸涉及等离子体放电、带电粒子运动,等离子体与壁面相互作用等多物理过程,在综合分析的基础上进一步完善分析模型。

(2)针对中性气体内部均匀性检测研究,目前主要的检测方法包括诱导荧光法、火焰亮度法、电离规压力法等。这些测试方法可以获得放电通道内气体分布均匀性,但仍有一定局限性:1)诱导荧光检测中需要对推力器通道壁面侧面开缝隙以便捕获通道内部光谱信息,这种结构性破坏将影响通道内中性原子流动,需要分析缝隙附近中性原子密度分布影响,减少测试误差;另外,光谱分析中需要进一步提高电子枪电子束的单一性;2)火焰亮度检测方法中火焰燃烧亮度不仅与可燃气体密度分布相关,还与周围环境中氧的分布以及可燃气体本身化学性质相关,这些因素都将给测量带来误差,因此需建立燃烧火焰亮度与中性密度的关联模型,以便进一步提高测试的准确性;3)电离规压力检测方法中,当固定的皮托管与陶瓷通道产生周向相对运动时,中性原子也在周向产生一定的分向速度,影响了气体进入皮托管的流量,从而使得测量产生误差,需要建立定向流中性原子密度检测模型,分析相向运动带来的误差。

近年来各国在深空探测领域的不断探索推动了霍尔推力器技术的快速发展,取得了许多阶段性成果,并对霍尔推力器性能提出了更高的要求。对于霍尔推力器放电通道内中性气体均匀分布问题的研究显得更重要。尽管我国近年来在中性气体均匀分布研究中取得了一定成果,但与国外相比仍存在一定差距。因此,未来进一步深入开展中性气体均匀分布研究需紧盯国际发展前沿,集思广益,合理设计气体分配器结构,解决放电通道内气体不均匀的问题,为我国霍尔推力器优化中性气体均匀分布研究与发展提供支撑。