漸擴變截面通道對會切磁場推力器性能的影響

陳蓬勃,劉輝,胡鵬,孫強強,于達仁

哈爾濱工業大學等離子體推進實驗室,哈爾濱150001

漸擴變截面通道對會切磁場推力器性能的影響

陳蓬勃*,劉輝,胡鵬,孫強強,于達仁

哈爾濱工業大學等離子體推進實驗室,哈爾濱150001

為了改善會切磁場推力器在低功率下對中低等流量變化的不適應性,采用了一種漸擴的變截面通道設計來提升推力器中低等流量下的性能,對比了兩種等截面通道與一種漸擴通道在中低等流量下的性能。雖然漸擴通道與小直徑的等截面通道相比,會略微降低通道內的原子密度,但漸擴通道由于減小了出口離子能量損失,同時增大磁鏡比促進電離,從而能夠提升推力器在同等推力水平下的效率。而大直徑等截面通道和小直徑等截面通道分別由于原子密度過低及壁面損失較大,性能均不如漸擴通道。因此,漸擴型變截面通道在中低等流量變化范圍內具有更優的性能,這對推力器性能的進一步優化具有重要意義。

會切磁場推力器;漸擴變截面通道;中低等流量;直接模擬蒙特卡洛

電推進以其比沖高、壽命長、結構緊湊、體積小和污染輕等優點逐漸受到航天界青睞,無論是對近地空間航天器的控制或是深空探測及星際航行的主推進都有重要作用。會切磁場等離子體推力器是一類新型電推進概念。不同于傳統霍爾推力器,會切磁場等離子體推力器靠多級永磁鐵來形成會切磁場,其中相鄰的兩個永磁鐵極性相反,這使得在磁尖端處形成了磁鏡效應[1]。陶瓷放電通道上游放置陽極,出口放置空心陰極,工質經由上游的氣體分配器進入通道后與陰極釋放電子碰撞發生電離,電離后產生的離子在軸向電場作用下加速噴出形成推力,電子則通過碰撞傳導最終到達陽極。由于磁尖端的磁鏡效應和尖端外平行于通道軸線的磁力線的約束,電子很難到達壁面,從而大大降低了電子對通道表面的腐蝕,提高了效率,延長了推力器的壽命[2]。會切磁場推力器的諸多優勢,吸引了許多研究機構的注意,例如德國Thales機構研制的HEMPT[3],美國MIT研制的發散型會切磁場推力器(DCFT)[4]和Stanford大學研制的圓柱形會切磁場推力器(CCFT)[5]等。

隨著小衛星技術的迅速發展,各種小衛星推進設備也層出不窮。實驗與理論均已證實,會切磁場推力器可實現推力從微牛到牛的無級調節,這使得其在小衛星推進領域中具有很大的應用價值[6],如微重力補償、大氣阻力補償、姿態調節等。這要求推力器的推力需要實時變化,會切磁場推力器調節推力的一種有效措施便是調節陽極流量,然而,在工質流量變化時,推力器性能的變化也較為顯著。低流量(即低通流密度)下,不滿足充分電離準則,通道內電離不充分;而在中等流量的高通流密度下,等離子體與壁面的相互作用程度加劇,同樣引起性能的下降。因此,通過漸擴變截面通道設計來保證電離區足夠高原子密度的同時減小通道壁面與等離子體的相互作用,是可能有效提升推力器性能的方案之一。

關于漸擴變截面通道會切磁場推力器的研究,主要有MIT研制的DCFT[7-8]和Thales機構研制的高效多級會切磁場等離子體推力器(HEMPT)[9]。MIT的漸擴通道的主要設計理念在于通過逐漸增大通道截面尺寸來減小離子噴出時的磁化程度以及離子對通道壁面的沖擊,通過這種變截面通道設計使得推力器在10 mL/min陽極流量、400 V陽極電壓下達到了16 mN、30%的效率。而Thales對其通道的設計來源并沒有確切說明,但該通道適用于高功率大推力的任務需求,其最高效率可達55%,對應的推力和比沖分別為250 mN和3×104m/s[10]。霍爾推力器中,哈爾濱工業大學的武海峰曾做過類似漸擴通道變截面通道研究[11],結果表明這種變截面通道設計極大地拓展了推力器穩定工作范圍,并且存在一定的最優低流量工作范圍,此范圍內推力器性能可以達到等截面通道大流量下的最優工況。

總而言之,盡管各個機構所研制的變截面通道結構迥然不同,但是都對會切磁場推力器性能的提升起到極為重要的作用,然而國外文獻中尚未見到關于變截面影響研究的詳細報道。本文介紹的變截面通道設計主要目的在于使推力器在中低等的流量變化范圍內都有較強的適應性,其性能不會因為流量的調節出現較大下降。

1 變截面通道對中性氣體流動的影響及其匹配磁場

中性原子密度是影響推力器通道內電離率大小的主要因素之一,因此首先通過數值模擬方法模擬漸擴變截面通道對中性氣體流動的影響,并與兩種內徑的等截面通道進行對比。三種通道的形貌如圖1所示,兩種等截面通道的內徑分別是20 mm和39 mm,漸擴變截面通道的等截面部分內徑為20 mm,通道出口內徑為39 mm,對應擴張角度為24.68°,所有通道的長度均是84 mm。由于推力器通道內氣體屬于稀薄氣體動力學中過渡領域流動的范疇,這時連續介質方法和簡單的自由分子流理論均不適用,因此采用直接模擬蒙特卡洛(DSMC)方法來模擬通道內中性原子密度分布。本次計算中每個模擬分子代表的實際分子數量(FUNM)為6×1013,網格尺寸為1 mm,近似為分子平均自由程的三分之一。對射流小孔所在區,由于原子密度過高,取模擬分子權重為0.01,同時網格尺寸減小到0.1 mm,以減小FUNM值。計算時間步長Δt為1.2×10-6s,分子模型為變徑硬球模型(VHS),進氣參數粒子數密度n為1×1020,軸向速度u為0 m/s,徑向速度v為200 m/s,出口邊界條件為真空。更詳細的模擬信息可參考文獻[12]。圖1所示為模擬得到的結果,Z為通道與陽極的距離,R為通道半徑。

圖1 變截面通道與等截面通道內原子密度分布對比Fig.1 Atom density comparison of variable cross-section channel with constant-section channel

根據模擬結果可知,直徑為20 mm的等截面通道內原子密度最大,其次為漸擴通道,直徑為39mm的等截面通道內原子密度最低,且遠遠低于前兩者。通道內電離區主要發生在Z=30 mm附近,即靠近陽極的第二個磁尖端附近[12],而三種通道內此處的原子密度分別對應為: 7.9×1019m-3,5.2×1019m-3,1.7×1019m-3。圖2所示為通道中心原子密度的一維分布曲線,可以更加清楚地看到三種通道內原子密度的相對高低。漸擴通道內原子密度分布與直徑20 mm的等截面通道內原子密度分布較為接近,由于漸擴通道出口段為擴張型,出口段氣壓要低于等截面通道的出口段,從而使得通道內整體原子密度略有下降。

圖2 三種通道內原子密度分布對比Fig.2 Atom density comparison of three channels

為保證三種通道長度相同,均在相同永磁鐵長度下優化磁場設計。為盡量減小磁場差異對推力器性能帶來的影響,三種通道的磁場均設計為三級,并且每一級永磁鐵的長度也相同。在此基礎上改變磁場強度,使得性能最優化,

圖3 三種通道的匹配磁場位形Fig.3 Magnetic field configurations of three channels

圖3所示為得到的三種通道分別所對應的最優磁場位形?？梢钥吹?通道直徑減小后,由于通流密度增大,等離子體更易與壁面發生作用,因此所需的磁場強度也較強,以實現對等離子體更為有力的約束。關于磁場強度與等離子體空間分布的影響關系可參考文獻[3-4],磁場強度增大后,等離子體將會更加遠離壁面。

2 試驗設備及參數測量

與漸擴通道搭配的試驗用會切磁場推力器,最大外徑為102 mm,整體長度為91 mm,質量為1.5 kg。試驗所需的真空環境靠4×Φ1.5m的真空罐實現,試驗中起始真空壓力為1.0×10-4Pa,推力器工作時真空壓力在3.7×10-3Pa以下。試驗中用到的陰極數量為一個,屬于熱發射空心陰極,發射體為LaB6,陰極被固定在距離出口約10 cm、距離通道中心約8 cm的位置。試驗中,陰極工質和陽極工質均為氙氣,并穩定陰極流量為3 m L/min,保持陰極位置不變,測試不同通道在不同工況下對推力器性能的影響。試驗中推力測量裝置如圖4所示,推力通過三絲扭擺平臺測量,整個扭擺平臺被三根鎢絲吊起,利用配重調整平臺水平并使三根絲線的受力均勻。在推力器產生推力時,整個平臺會因為扭轉力矩產生偏轉。通過固定在平臺上的反射鏡,平臺偏轉的角度可以通過激光反射的方式轉化為標尺上光斑的移動距離。在推力器工作前首先進行標定,測量在特定的砝碼重力作用下光斑移動的距離,據此與推力器工作時得到的光斑移動距離進行比例計算,即可得到推力器產生的推力。

圖4 推力測量裝置示意Fig.4 Diagram of thrust measuring equipment

在測得推力器推力、陽極電流和陽極電壓后,可計算得到陽極效率:

式中:U為陽極電壓;I為陽極電流;˙m為工質質量流量;T為推力器產生的推力。

圖5 三種通道恒定流量下推力器性能測試結果Fig.5 Experimental results of three channels at constant gas flow rate

3 試驗結果與討論

圖5所示為三種通道在5 mL/min和10 mL/ min兩種典型工作流量下測試得到的結果。從圖5(a)所示的伏安特性曲線可知,高于300 V后推力器電流變化較小;低于300 V時,電流增長較快,并且存在模式轉變[8],因此,圖5所示的試驗結果均在300 V以上的穩定工作范圍內。300 V以上,通道內主電離區的電離已經相當充分,因此電流增長較為緩慢,甚至穩定不變。而對于10 m L/min下直徑20 mm的等截面通道,300 V和350 V電流值較大,是推力器工作模式由大電流模式向低電流模式轉變未完成所致。圖5(b)顯示推力器推力隨陽極電壓的增大而增大,這是由于陽極電壓增大后,離子的加速能量也會相應增大,從而產生更大的推力。對于陽極效率,如圖5(c)所示,也是隨著陽極電壓的增加而增大,這是電壓升高電離率增大的緣故。但是電壓增大到一定程度后,電離率的增長已經極為緩慢,這是因為電場能過強,使得磁場對等離子體的束縛減小,一定程度上會造成壁面損失的增加,最終使得效率的增長也極為緩慢。這與之前的試驗結果相似[15]。

對比三種通道的試驗結果可知,在兩種陽極流量下,直徑為20 mm的等截面通道電流均最大,其次是漸擴通道,而直徑為39 mm的等截面通道電流最小。這與通道內的原子密度分布有關,根據模擬結果可知,直徑為20 mm的等截面通道內原子密度最高,電離產生的等離子體密度也越大,因此其電流也最大。在推力上,由于直徑為39 mm的等截面通道內原子密度過低,電離率也較低,產生的推力也最小。然而,漸擴通道與直徑為20 mm的等截面通道所產生的推力卻比較接近。雖然漸擴通道內原子密度與直徑20 mm的等截面通道內原子密度相比略有減小,但是由于離子加速區主要集中在出口[16-17],直徑20 mm的等截面通道在出口處截面積要小于漸擴通道,因此離子噴出過程中對漸擴通道壁面的沖擊要小于直徑為20 mm的等截面通道。因此,漸擴通道減小了出口離子能量的損失,彌補了其原子密度略微下降的缺點。此外,從磁場位形上來講,漸擴通道由于出口磁場的弱化,其磁鏡比略有增大,這對電離率有一定促進作用,這些都使得漸擴通道最終產生了與直徑為20 mm的等截面通道較為接近的推力?；魻柾屏ζ髦?也曾采用類似漸擴型的自然腐蝕形貌通道,減小了離子對壁面的沖擊,并最終提高了推力器的綜合性能[18]。效率分布上,同樣由于上述作用,在10 m L/min流量下,漸擴通道的效率明顯高于直徑為20 mm的等截面通道。而在5 m L/min的較低流量下,通道內等離子體密度較低,此時等離子體與壁面的相互作用相應減小,漸擴通道對減小壁面離子流損失的優勢并不像大流量下那么明顯,因此低流量下漸擴通道與直徑為20 mm的等截面通道效率相近。而對于直徑為39 mm的等截面通道來說,推力器內部等離子體密度非常低從而使得電離率嚴重不足,故而效率最低,流量越低這種劣勢更明顯。

如圖6所示為三種通道在500 V陽極電壓、不同陽極流量下的測試結果。圖6(a)、(b)顯示陽極電流和推力均隨陽極流量的增加而增大,并近似呈線性關系,這是陽極流量增大后電離率以及電離產生的等離子體密度增大的直接結果。效率分布上,對于漸擴通道和直徑為39 mm的等截面通道,也都由于電離率的增加表現出隨著陽極流量的增加而增大。而對于直徑為20 mm的等截面通道來說,流量增大到10 m L/min時效率不再增大,主要是因為該通道直徑較小,通道內原子密度太高,磁場約束相對弱化,較多等離子體與壁面發生相互作用,離子能量損失嚴重,最終引起效率增加緩慢甚至減小,在更高流量下直徑為39 mm的等截面通道和漸擴通道同樣也會表現出效率下降的趨勢[12]。但是,直徑為39 mm的等截面通道其效率隨流量的增大速率則越來越大,并高于其余兩種通道,這表明直徑為39 mm的等截面通道在大流量情況下更加適用,而不適用于小流量。整體上來看,漸擴通道不僅能達到相同流量下直徑20 mm的等截面通道所產生的推力,而且其效率能達到更高;而直徑為39 mm的等截面通道則明顯表現出對低流量工況的不適應性,各個性能參數在低流量下均比較低。因此,對于這種低流量的小功率水平,漸擴通道則表現出極大的優勢。

圖6 三種通道在500 V陽極電壓下推力器性能測試結果Fig.6 Experimental results of three channels at 500 V anode voltage

4 結束語

在滿足低流量低功率的小衛星推進任務需求的過程中,等截面通道型的會切磁場推力器表現出了若干問題:通道直徑較大時,推力器內的電離率較低,性能較差;而推力器直徑較小時,通道內等離子體與壁面的相互作用程度增加,使得效率降低,并對推力器的壽命也有很大影響。通過一種漸擴型的變截面通道設計,可以有效改善上述情況。雖然DSMC模擬結果顯示,這種漸擴通道會略微降低通道內的中性原子密度,但是漸擴通道極大減小了離子噴出過程中對通道壁面的腐蝕,從而減小了離子束流的能量損失;此外,漸擴通道一定程度上也增大了出口級的磁鏡比,促進了電離率的增大。試驗結果表明,漸擴通道與等截面通道相比,在能實現相同推力的同時,還能進一步提高推力器的效率。

然而,漸擴變截面通道對會切磁場推力器通道內放電參數的影響還有待進一步研究,探針測量以及通道出口壁面熱沉積的測量將會在未來工作中展開。同時,研究者將會設計更多不同的變截面通道,進一步提升推力器性能。

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(編輯:高珍)

Effect of diverging variable-cross-section channel on performance of a cusped field thruster

CHEN Pengbo*,LIU Hui,HU Peng,SUN Qiangqiang,YU Daren
PlasmaPropulsionLaboratory,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China

The adaptability of cusped field thruster changes with different operating conditions,especially with different efficiencies,which changes a lot at different gas flow rates.To overcome this problem,a diverging variable-cross-section channel was proposed to improve the performance of cusped field thrusters at low and middle gas flow rate. Meanwhile,two constant-section channels with a big diameter and a small diameter respectively were introduced to be compared with the diverging channel.Although the diverging channel may cause a little decline in the atom density compared to the smallconstant-section channel,the diverging channel improves the efficiency at both low and middle gas flow rates on the premise of providing a considerable thrust,because it decreases the energy loss of ions at exit and promotes ionization by improving the magnetic mirror ratio.In comparison,both the big constant-section channel and the small constant-section channel have low performances due to a lower density of gas and a bigger wall loss. Therefore,a diverging channel is beneficial to improving the performance of a cusped field thruster at low and middle gas flow rate.

cusped field thruster;diverging channel;low and middle gas flow rate;direct simulation Monte Carlo

V430

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0026

2015-12-10;

:2016-01-08;錄用日期:2016-00-00;< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2016-04-19 15:39:26

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1539.010.html

國家自然科學基金(11505041,11275055),國家自然科學基金創新研究群體科學基金(51421063)

陳蓬勃(1992-),男,碩士研究生,1151786040@qq.com

*通訊作者:劉輝(1981-),男,副教授,huiliu@hit.edu.cn,主要研究方向為電推進和等離子體仿真

陳蓬勃,劉輝,胡鵬,等.漸擴變截面通道對會切磁場推力器性能的影響[J].中國空間科學技術,2016,36(2):

74-80.CHENPB,LIUH,HUP,etal.Effectofdivergingvariable-cross-sectionchannelonperformanceofacusped fieldthruster[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):74-80(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn