離子推力器碳基材料柵極研究進展

郭德洲，顧　左，鄭茂繁，楊福全，孔令軒

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

離子推力器碳基材料柵極研究進展

郭德洲，顧左，鄭茂繁，楊福全，孔令軒

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

柵極組件是離子推力器的關鍵部組件之一，直接影響推力器的性能和壽命。相比傳統金屬鉬，碳基材料具備較低的熱膨脹系數和較強的耐離子濺射性，是離子推力器柵極組件的理想材料，可以有效提高推力器的壽命和可靠性，碳基材料柵極組件已被國外先進離子推力器廣泛采用。在調研國外碳基材料柵極研制過程的基礎上，結合國內碳基材料研制水平，針對目前我國離子推力器的長遠發展部署，提出開展碳基材料柵極組件制造的初步建議。

離子推力器；柵極；碳-碳復合材料；熱解石墨

0　引言

離子推力器與傳統化學推進相比，具有明顯優勢，已經在執行衛星平臺的南北位保和星際航行的主推進等空間任務中得到應用，其主要特點是低推力、高比沖、推力可精確調節［1-2］。柵極組件是離子推力器的重要組成部分，其主要功能是聚焦并加速放電室工質氣體電離后產生的離子。離子束引出過程直接關系到離子推力器的推力、比沖、效率等性能參數。

離子推力器放電室離子電離過程中產生大量熱量，柵極將經歷高溫環境，受熱后會產生熱形變，柵孔對準性變差，嚴重時可引起柵極短路及破壞；放電室下游區域存在CEX離子，對于雙柵離子推力器，速度較小的CEX離子易被帶負電位的加速柵吸引，大部分具有足夠的能量對加速柵材料造成濺射腐蝕。對于目前使用較多的鉬、鈦柵極而言，若要規避上述危害，柵間距和柵極厚度就要增大，這將降低柵極組件離子引出能力，進而降低推力器性能。

隨著離子推力器空間應用需求的不斷提高，柵極組件在高束流密度和高比沖下具備更好的熱穩定性和耐濺射能力的需求愈加顯得迫切。由于碳具備熱膨脹系數小、離子濺射系數低等優異特點，具備作為理想柵極材料的綜合潛質。因此，國外離子推力器研究機構歷經數十年，從材料特性、結構設計、測試驗證等方面著手研究，最終確定碳-碳復合材料（C-C）和熱解石墨（PG）是較為理想的柵極材料（文中碳基材料特指這兩種材料），可以有效的提高推力器熱穩定性和壽命［3-5］。文章在總結國外碳基材料柵極研制情況的基礎上，提出了開展碳基材料柵極研究的建議。

1　碳-碳復合材料柵極

1.1SIT-15離子推力器

SIT-15推力器設計目標是通過組合若干個小口徑SIT-15推力器，以滿足高功率、高比沖和大推力的空間推進任務。Mueller等［6-7］針對SIT-15推力器開展C-C復合材料平面柵極制備，采用DuPont E55碳纖維單向預浸碳布研制了15 cm三柵SAND （Screen-Accelerator-Negative Decelerator）結構，其中屏柵采用6層碳布呈［0°/+60°/-60°/-60°/+60°/0°］角度壓合而成，厚度為0.50 mm，采用電火花（EDM）開孔；加速柵和減速柵由兩層屏柵壓合而成，采用機械方式開孔，三柵都經過化學氣相滲透（CVI）法致密化處理。同時，對柵極組成成分比例和壓合角度進行了討論，如表1所列，提升碳纖維的質量和體積比例，拉伸強度和模量、彎曲強度和模量得到明顯提升，達到鉬的80%左右。與Garner［8］和Meserole［9］采用的編織結構相比，如表2所列，顯然多層單向預浸碳布壓合方式制備柵極更優。

表1　柵極組成成分比例和強度、模量

表2　不同結構C-C柵的強度和模量對比

此外，柵極安裝環采用G540石墨，安裝環與柵極之間使用滑石石瓷（MgO-SiO2）進行絕緣。經700 h考核試驗發現:試驗中束流引出穩定，導流系數小于金屬鉬柵，這是由于加速柵和減速柵加厚導致；試驗后加速柵小孔孔徑增大60～70μm，加速和減速柵質量減少0.1～0.25 g。

1.2NSTAR離子推力器

NSTAR成功在DS-1航天器上得到應用，完成對Braille小行星和Borelly彗星的探測任務。為滿足下一步更高壽命的空間探測任務需求，Brophy等［10］在前期SIT-15推力器C-C復合材料柵極的研制基礎上，針對NSTAR離子推力器進一步研制了30 cm SAND球面柵。與上述SIT-15推力器使用石墨柵極安裝環不同的是，安裝環由AmocoT300碳纖維和SC1008酚醛樹脂加工而成。同時采用Mueller提到的［0°/+60°/-60°］S層合結構、碳纖維比重和體積比例，以保證強度和模量。三柵厚度均為0.46 mm，小孔都采用500 W的CO2激光器加工，激光加工完成后結果發現柵極拱高比設計值要小，并且屏柵和加速柵的偏差不一致，造成柵極之間的不匹配，無法調節間距，經測試流導受加工幾何形變影響變差。

在美國制定的CBIO（Carbon Based Ion Optics）計劃下［11］，2003年JPL對NSTAR C-C柵進行了局部改進解決制造中形變問題［4］，即在柵極周邊增設了加強環，采用雙壁柱狀C-C復合材料安裝環，如圖1所示，并采用熱處理方法來調節屏柵極和加速柵極的曲率半徑。柵極組件通過9.1 grms隨機振動試驗［12］，振動試驗前后束流引出基本一致。并后續進行了1 000 h試驗以確定耐離子濺射腐蝕能力［13］，試驗中柵極性能穩定，導流能力略有減小，試驗后柵極組件未發生故障，加速柵腐蝕仍然為點槽特征，斑點測量最大腐蝕率為27μm/khr（相同工況下鉬柵斑點最大腐蝕率為186μm/khr）。

圖1　CBIO計劃C-C柵極組件示意圖

1.3NEXIS離子推力器

NEXIS是現有離子推進NSTAR的擴比改進型，目標為長壽命、高功率、高比沖電推進系統進行外太陽系大規?？茖W探測。Beatty等［14］針對20 kW NEXISDM離子推力器樣機研制了57 cm大直徑CC球面雙柵組件，柵極使用P30X碳纖維和酚醛樹脂制成，安裝環使用T300碳纖維和酚醛樹脂制成，碳布呈［0°/+60°/-60°/-60°/+60°/0°］ns夾角層合而成，采用化學氣相沉積（CVD）法致密化處理。此外，采用激光變透明度設計開孔，如圖2所示。屏柵透明度控制在±0.6%波動范圍內；加速柵透明度控制在±0.25%波動范圍內。經測試證明該設計使得雙柵小孔同軸對準度提高0.13 mm，柵間距穩定性在5%以上。柵極組件通過10.0 grms隨機振動試驗［15］，試驗前后柵孔對準性和柵間距基本一致。后續經過大量束流引出試驗和2 000 h考核試驗后，柵極組件完好，推力器性能達到設計值且穩定［16］。

圖2　57 cm C-C柵變透明度設計圖（a）屏柵；（b）加速柵

2　熱解石墨柵極

2.1NSTAR離子推力器

Haag等［17-18］在前期研制8 cm PG平面柵的基礎上，于2003年針對NSTAR推力器研制了30 cm PG球面雙柵結構，安裝環同樣由PG制成。柵極尺寸與DS-1所使用的30 cm推力器（鉬柵）相同，小孔由機械方式加工。柵極組件組裝測試中發現，在離中心1/2半徑處存在柵間距變小的問題。不同工況與鉬柵對比試驗表明:離子引出穩定，束流小于金屬鉬柵；對離子的有效透明度較低；阻止電子返流能力較鉬柵強，如圖3所示。2004年在NSTAREMT1C上進行了9.2 grms驗收級（參照DS-1）隨機振動試驗［19］，振動后結構完好。

圖3　PG柵和鉬柵性能對比曲線圖

2.2T6離子推力器

英國針對BepiColombo水星探測任務研制的T6離子推力器，早先采用的是22 cm金屬鉬SAND球面結構，后續于2007年改為雙柵結構［20］，提高柵極組件結構可靠性，屏柵仍采用鉬柵，加速柵極改為PG柵，厚度提至1.2 mm，給濺射腐蝕留有裕量，加速柵柵孔采用計算機數控技術（CNC）機械加工。此外，柵極組件采用柔性安裝結構，以降低鉬、PG和安裝環三者不同的熱膨脹系數導致的變形問題。經地面引出測試，束流和推力達到設計值［21］；長壽命考核結果，如圖4所示，加速柵腐蝕最大深度為0.033 mm （6 056 h），理論壽命可以勝任BepiColombo和Alpha-Bus空間任務。

圖4　T6PG離子推力器加速柵腐蝕測量結果曲線圖

2.3HIPEP離子推力器

HIPEP離子推力器用于木星月星探測任務（JIMO），高功率和長壽命是首要需求。鉬柵不能滿足高束流密度下引出的嚴格要求，為此，Foster等［22］針對HIPEP推力器研制了41 cm×91 cm矩形平面PG雙柵結構，柵孔沒有繼承NSTAR推力器的小孔結構，而是采用大孔徑（HIPEP柵極有效面積約是NSTAR的6倍，孔數卻只有NSTAR的1/5）。后續于2005年進行正弦振動和10.0 grms隨機振動試驗［23］，振動后經超聲檢測表明結構完好。并于2006年進行20.8 kW下2 000 h考核試驗［24］，性能穩定，預計壽命可以達到16年。

3　綜合分析與對比

3.1熱穩定性和耐濺射性

柵極在典型推力器工作過程中經歷溫度范圍為200～675 K［8］，對于高束流密度和高比沖推力器，其上限溫度將更高，并且柵極溫度沿徑向方向存在差距，中間區域較高。鉬的熱膨脹系數為5.2×10-6K-1，在上述溫度下鉬柵容易發生熱變形，嚴重影響到離子光學引出效率。據相關文獻表明［6，9，18］:C-C復合材料在173～773 K溫度范圍內熱膨脹系數為-1.8～-0.51×10-6K-1，PG的熱膨脹系數也同樣接近0甚至負值。顯然碳基材料能使柵極的熱膨脹得到明顯改善，柵間距值基本可以保持設計值，柵極引出離子性能趨于穩定，可顯著提高推力器熱穩定性和可靠性。

離子濺射腐蝕主要有兩種模式［25］:一種是對加速柵小孔壁的腐蝕，可導致阻止電子返流的能力喪失，進而造成柵極組件失效；另一種是對柵極表面的腐蝕，形成的凹槽和凹坑（groove-pit），造成加速柵極破裂失效。碳基材料在200～1 000 eV氙離子能量下，入射角0°～60°濺射產額試驗［26］，如圖5所示，PG和C-C復合材料的濺射產額基本相同，離子對碳基材料的濺射率約為鉬的1/7。采用碳基材料制備柵極，可顯著提高柵極壽命，提供長時間相對穩定的推力器性能，進而有效提升推力器壽命和可靠性。

圖5　氙離子對C-C和PG的濺射產額曲線圖

3.2結構與制備工藝

C-C柵結構復雜，為了保證開孔后能承受發射力學環境要求，對碳纖維排布要求較高，需預留柵孔的位置，以保證密集開孔過程中碳纖維絲束盡可能不遭到破壞能連續，從而保證強度。由于柵孔為六角陣列排布，所以C-C柵常由若干層碳布呈［0°/+ 60°/-60°］s夾角層合而成，如圖6所示。此外，C-C柵需經過化學氣相滲透或沉積（CVI/CVD）處理，以減少空隙率和增加強度。為避免毛刺與撕裂、分層缺陷和孔壁表面損傷等制孔缺陷問題，打孔常采用EDM和激光方式［27-28］。兩者都屬于無接觸式加工，前者通過電火花放電產熱，后者使光束聚焦為高能量光點，都可使材料局部熔化或氣化，特別適合在硬、脆、軟的各種材料上進行多數量、高密度的群孔加工。

圖6　C-C柵碳纖維排布示意圖

PG柵制備過程較為直接，其中PG是由碳氫化合物（常用甲烷）在真空環境下高溫（1 800～2 000℃）分解生成的，單體碳原子可直接氣相沉積在模具上，同層每六個碳原子在同一平面形成正六邊環，伸展成片層結構，第二片層相對第一片層存在水平偏移（A-B結構），PG柵層間呈A-B-A-B-A-……規律堆積，該結構使得其相對C-C復合材料孔隙小［19］?？追植疾皇芴荚臃植加绊?，最后直接加工出柵孔。PG柵不存在纖維狀毛刺，可直接采用CNC機械方式開孔。但是，PG質地較脆，對組裝及加工工藝要求非常嚴格。

3.3力學性能

在推力器搭載火箭升空和爆炸螺栓解鎖過程中，柵極作為推力器力學薄弱部件，將承受較大的振動和沖擊。因此在設計柵極時，必須考慮柵極材料在上述力學環境中的失效強度。材料力學性能如表3所列，材料的最大張力能越大，其越能抵抗發射力學環境［4］，顯然，C-C復合材料最大張力能是鉬的2.44倍，PG是鉬的86%，C-C復合材料在抗結構失效性能上比鉬優異，PG略差。

表3　不同柵極材料力學性能

3.4耐電壓特性

柵間電場直接影響離子推力器的推力，理論上電場越強推力越大，但隨電場加強會引起場致發射電弧導致柵極短路，同時降低柵極組件可靠性。柵極耐壓特性受到材料和柵極光潔度兩方面的影響，而對于不同材料，耐壓特性存在差距；對于同種材料而言，柵極表面若受到破壞，會使其耐壓特性降低，因此耐離子濺射的材料，耐壓特性也較為穩定。

Goebel等［29-30］對碳基材料耐電壓特性進行專項研究，并和金屬鉬對比，結果如圖7所示，其中鉬柵的安全電場為40～50 kV/cm，C-C柵安全電場為23～35 kV/cm，PG柵安全電場為20～30 kV/cm。

圖7　不同柵極材料極限電場曲線圖

在推力器工作階段，柵極局部熱形變和離子濺射磨損將使上述值發生變化:C-C和PG具備良好的熱穩定性和耐濺射性，變化幅度較??；對于鉬柵而言，安全電場將隨著推力器長時間使用而降低。因此，碳基材料具備良好的耐電壓特性，完全適用于現有的離子推力器。

4　發展建議

碳基材料是用于制造熱穩定、長壽命離子推力器柵極的理想材料，已被國外先進離子推力器廣泛采用。20世紀70年代中期，蘭州空間技術物理研究所在國內率先開展離子推力器的研究，先后自主研制了8 cm汞離子推力器和LIPS系列氙離子推力器，采用的均是金屬鉬柵極。但是對下一步用于深空探測主推進任務的大推力、高束流密度、高比沖離子推力器，金屬鉬柵已經成為制約其發展的重要因素。因此，有必要跟進國外相關的研究進展，開展碳基材料柵極研制。

結合C-C復合材料和PG柵極對比分析，建議優先開展C-C柵極研究?？上葟男〕叽鐤艠O研究著手，在滿足小尺寸推力器性能的基礎上，逐步將制備理論和加工工藝發展成熟，進一步指導開展大尺寸推力器柵極制造。此外，建議同步進行C-C柵極安裝環研制，使整個柵極組件均采用C-C復合材料，這樣不僅可以提高推力器的熱穩定性和壽命，還可以實現推力器減重。

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THE INVESTIGATION OFCARBON-BASEDMATERIAL GRID FOR ION THRUSTER

GUO De-zhou，GU Zuo，ZHENG Mao-fan，YANG Fu-quan，KONG Ling-xuan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

Ion optics system，one of key components for ion thruster，isa determining factor that influences the performance and durability of ion thruster.Carbon-based materials，including carbon-carbon compositematerial and pyrolytic graphite，have shown nearly an orderofmagnitude improvement in sputtererosion resistance and coefficientof thermalexpansion overmolybdenum.Carbon is the perfectmaterial for grid，whichwas demonstrated that it can enhance the performance and life of ion thrustereffectively，and has been successfully applied in a series of advanced ion thrusters.Development of carbon-based material grid and the character of carbon-basedmaterials are investigated in this paper.Aiming at long-term progress strategy of ion thruster，preliminary suggestions for fabrication carbon-basedmaterial grid are put forward in view of the domestic development levelof carbon-basedmaterials.

ion thruster；ion optics；carbon-carbon compositematerial；pyrolytic graphite

V439+.4

A

1006-7086（2016）03-0125-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.001

2016-01-25

郭德洲（1989-），男，甘肅蘭州人，碩士研究生，主要從事電推進技術研究。E-mail:guodezhou510@163.com。