一種提高空心陰極推力器推力的發射體外置方法

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哈爾濱工業大學 能源學院,哈爾濱 150001

一種提高空心陰極推力器推力的發射體外置方法

劉晨光，寧中喜*,孟天航，韓星，于達仁

哈爾濱工業大學 能源學院,哈爾濱 150001

為提高空心陰極推力器的比沖，研究了空心陰極發射體外置的方法，對比研究了發射體外置和內置兩種結構的空心陰極推力器的推力和比沖，發現發射體外置的結構相比較于內置結構能夠增加推力器的推力和比沖。進一步研究發現，發射體外置的空心陰極推力器引出的離子電流、離子能量要明顯高于發射體內置的空心陰極推力器，可以推斷發射體外置的陰極推力器存在離子加速噴出增大推力和比沖的機制。

空心陰極；微推力器；陰極模式；推力器模式；發射體外置

立方體衛星(CubeSat)是近年來微型衛星領域研究的熱點。與傳統衛星相比，這種微型衛星通用性強,研制周期短，而且立方體衛星體積小,研制發射成本低,發射方式靈活，并易于組網，可同時獲得較高的空間分辨率和時間分辨率，適應空間應用發展趨勢[1]。對于立方體衛星來說，受其自身體積的限制，給其提供一種體積小、能耗低、高效、高比沖、穩定可靠的微推力推進系統尤為重要。

空心陰極有可能發展成為一種低功率高比沖的微推力器，目前開展了大量空心陰極微推力器(Hollow Cathode Thruster,HCT)的研究工作。英國南安普頓大學的Grubisic的研究顯示,T5陰極推力器以氬氣為工質的條件下所能夠產生的比沖達到4 300 m/s，對應推力約為0.4 mN，功率為79 W，效率為1.1%；匹配圓錐形陽極的空心陰極推力器T5CA在3.2 A、1.8 A、和0.8 A的條件下比沖分別可以達到6 570 m/s、4 770 m/s和3 610 m/s，效率能夠分別達到4.5%、8.1%和17.7%[2]。T6空心陰極在高電壓羽流模式下以氬氣和氙氣為工質比沖分別能夠達到5 500 m/s和4 500 m/s，但是所需功率將近1 kW，并且效率不足1%[3]。Gessini和Gabrield對T6空心陰極推力器的研究發現,空心陰極推力器能夠在羽流模式工作狀態下獲得最高的比沖[4]。假設氣體工質無熱損失，氣體焓全部轉化為動能后所能獲得的比沖為[5]：

式中：Isp為比沖；T為氣體溫度；m為氣體質量。而試驗測得數據顯示所獲得比沖要比理論值大，因此推測存在著高能粒子噴出增加比沖的機制[4]。已經有研究證明，在空心陰極內部存在著高能離子的產生，而產生高能離子的機理包括電勢波峰的形成[6]、二次電離[7]、三次電離[8]、多次碰撞[9]和磁等離子體動力學等機制[10]。Grubisic對空心陰極推力器的推力產生機理的研究表明，陰極推力器產生推力的機理主要是電熱條件下的傳統氣動推進機理，并且推測離子的加速會產生增加推力的作用[5]。

空心陰極是電推力器中的關鍵部件，作為電子源來中和電推力器羽流區的離子。空心陰極具有低功率高電流密度的工作特點，工作所需功率較低。空心陰極工作時，發射體通過熱機制向外輻射電子，電子與氣體工質碰撞使中性氣體部分電離，而產生的離子少部分通過與中性氣體碰撞和擴散等作用通過節流孔向外噴出，并且在發射體自持工作后，發射體的加熱機制主要為離子加熱機制，大部分離子通過鞘層電勢撞到發射體表面，發射體通過離子轟擊表面加熱而發射電子。大約只有2%的氣體工質被電離成為高能粒子[11]。目前空心陰極推力器存在著效率低、離子加速在推力產生機制中所占比例低的問題。本文提出一種將空心陰極推力器發射體外置來增大推力的方法，對比研究發射體外置和發射體內置結構推力變化，以及等離子體參數的差異。

1 試驗設備及試驗方法

霍爾推力器和離子推力器等電推力器都是將氣體工質電離產生離子，通過電場加速離子使大量離子高速噴出從而獲得較大推力和高比沖。考慮到空心陰極內部同樣會產生等離子體，因此可以利用空心陰極內部產生的離子向外加速噴出而增加空心陰極推力器的推力與比沖。

空心陰極中大部分離子在電場力作用下落在了發射體表面，可以稱空心陰極作為電子源的工作模式為陰極模式。而加速離子噴出增加推力需要將電場方向倒置，從而使離子受到向外的電場力，獲得加速度。因此提出將發射體外置的方法，將此種模式稱為推力器模式。研究表明，大部分的電離發生在陰極孔區，即在發射體的節流孔區存在較高的離子密度。因此，盡管在發射體區的離子落在發射體表面，仍會有相當部分的離子在節流孔區被電場加速噴出，從而在理論上能夠增加空心陰極推力器的推力。發射體外置空心陰極推力器結構示意如圖1所示，發射體作為負極安置在陰極管端部，而內部的通氣管接到電源正極作為陽極。陰極模式和推力器模式的工作原理對比如圖2所示。

圖1 空心陰極推力器結構Fig.1 Structure of the hollow cathode thruster

圖2 陰極-推力器模式原理對比Fig.2 Comparison of principle in N-mode and T-mode

推力器推力大小是利用三絲扭擺裝置測量，采用扭矩平衡和光杠桿放大的原理，將推力器的微小推力轉化為光斑的大位移[12]。利用砝碼標定的方法，測力不確定度在0.4%左右，通過改進延長扭擺，利用電磁力標定方法能夠將不確定度降到0.1%左右，靈敏度為0.05 mN/mm。由此，可以利用三絲扭擺裝置測量陰極推力器微牛級的力。在陰極推力器尾部，距出口1 cm處利用法拉第探針測量離子電流大小，探針接收電流的探頭是直徑為1 cm的圓形鉭鉑。加上偏置電壓-2 V，以消除電子電流的干擾。利用RPA探針測陰極推力器羽流區離子能量，測量示意如圖3所示。

2 試驗結果與分析

在推力器模式和陰極模式的工作狀態如圖4所示，在流量為10 ml/min,電流為1 A的條件下，可以明顯對比出推力器模式由明亮的羽流噴射出，而陰極模式沒有羽流噴射出。因此推力器模式有利于陰極推力器中等離子體的引出。

圖3 探針測量示意Fig.3 Diagram of the probe measurements

圖4 陰極推力器工作模式對比Fig.4 Figures of the HCT in N-mode and T-mode

2.1 陰極推力器放電特性

圖5 推力器放電伏安特性Fig.5 Volt-ampere characteristics of the HCT

以氙氣為工質，流量為10 mL/min，空心陰極推力器陰極模式和推力器模式下的伏安特性如圖5所示。隨電流的增大放電電壓降低，并且推力器模式下空心陰極推力器放電電壓要高于陰極模式下的放電電壓，因此相應的工作功率也會高于陰極模式。如圖6所示，陰極推力器工作功率隨著電流增加而增加。在電流為1 A時，陰極模式下推力器的功率在10 W左右，而推力器模式下功率在15 W左右。推力器模式下工作功率高于陰極模式下的工作功率，是由于外置的發射體直接暴露于真空環境中，輻射散熱量要高于陰極模式，因此增加的功率補償了增加的輻射散熱。

同樣，在不同氣體工質流量條件下，推力器模式下的推力器工作功率要高于內置發射體推力器，如圖7所示，放電電流為1.5 A，功率隨工質流量增加而降低，并且推力器模式下推力器工作功率要比陰極模式下的推力器工作功率高5 W左右。

圖6 功率特性Fig.6 Power characteristics of the HCT

圖7 不同工質流量下的電功率Fig.7 Power of HCT at different gas flow

2.2 陰極推力器推力特性

為評估發射體外置后空心陰極推力器所產生推力的變化，對比測試了發射體內、外置兩種結構在相同條件下所產生推力大小。以氙氣為工質，變化工質流量，對比冷氣、陰極模式和推力器模式下的推力與比沖。如圖8所示，推力大小基本與工質流量呈線性關系，并且在推力器模式下，相比較于陰極模式推力增加了0.2～0.4 mN，增加幅度最大達到4倍。

盡管推力器模式所需功率高于陰極模式，但推力器模式下的推力功率比仍高于陰極模式，如圖9所示，并且推力功率比基本與流量呈線性關系。因此將發射體外置能夠有效地增大推力，并且提高推力功率比，對于提高推力器效率具有一定意義。

圖8 不同工質流量下的推力Fig.8 Thruster of the HCT at different gas flow

圖9 推力功率比Fig.9 Thrust power ratio of the HCT at different gas flow

對比兩種結構的空心陰極推力器的比沖，如圖10所示，兩種結構的空心陰極推力器工作在1.5 A和相同工質流量條件下，推力器模式的空心陰極推力器比沖要高于陰極模式，而且隨著工質流量增加，比沖降低。比沖表征工質的平均速度大小，在相同流量條件下，推力器模式下工質平均速度要高于陰極模式。在流量為2 ml/min時，推力器模式工質平均速度遠高于陰極模式。假設發射體外置的空心陰極推力器存在加速離子的機制，由此，平均速度由離子速度和中性氣體速度構成:

由于電離度較小，在離子的數量一定條件下，離子速度遠高于中性氣體的速度，因此在小流量時，推力器模式下，比沖要遠遠高出內置時，當流量逐漸增大時，由于離子所占比例減少，因此中性氣體的速度在總的平均速度中所占比重增加，因此總體的平均速度下降。

圖10 不同流量下的比沖Fig.10 Specific impluse of the HCT at different gas flow

研究發射體外置結構的空心陰極，在一定工質流量、不同工作電流條件下，比沖大小變化如圖11所示。氙氣流量為2 mL/min，電流在1～2 A之間變化，發現比沖基本不發生變化，因此比沖的大小主要與工質流量相關。因此為了獲得更高的效率，可以使空心陰極工作在低電流條件下。

圖11 不同工作電流下的比沖Fig.11 Specific impluse of the HCT at different current

2.3 離子電流測量試驗結果

利用法拉第探針偏置電壓為-2 V條件下，法拉第探針接收電流面積為0.8 cm2,所測得離子電流如圖12所示。推力器模式下，在推力器尾部獲得的離子電流在5 mA左右，在陰極模式下，能夠獲得的離子電流在0.5～1 mA左右，由此可以證明外置發射體后在陰極推力器發射出的離子量增多。根據式(2)，離子比例增加可以增加整體平均速度，從而可以一定程度上解釋外置發射體后推力和比沖的增加。結合離子電流和推力比沖的對比結果，推力器模式下，離子占氣體工質的比例高于陰極模式下的比例。

圖12 不同氣流下的離子電流Fig.12 Ion current of the HCT at different gas flow

圖13為相同電流和氣體流量條件時兩種模式下RPA所測得的離子電流伏安特性，可以看出，推力器模式下的離子電流要高出陰極模式下的離子電流20倍左右。發射體外置后，由于陰極內部電勢高于外部，離子逆著電勢梯度向外運動，而內置發射體結構，內部電勢低于觸持極，離子逆電勢梯度向陰極內部運動，因此推力器模式下能夠獲得的離子多于陰極模式。同時由圖14，推力器模式下可以獲得的離子能量主要分布在7 eV左右，而陰極模式下獲得的離子能量分布較均勻。同樣由于在陰極模式下，離子主要向陰極推力器內部運動，少量離子通過碰撞及擴散可以運動到推力器外部，但碰撞多次后，離子能量分布較均勻。而外置發射體時，陰極推力器中離子向外部運動，碰撞次數相較于內置結構大為減少，能量分布更為集中。

氣體工質15 ml/min流量下，不同電流2 A、1.8 A和1.4 A，離子能量分布如圖15所示。隨著電流增加，離子能量主要分布在10 eV左右，隨電流的變化量不大。在一定程度上說明陰極推力器工作較為穩定。而增加的電流沒有轉化為離子的能量，可能是增加的電流轉化為了壁面的熱量或者氣體工質的內能。有待進一步驗證。

圖13 發射體內、外置結構RPA離子電流伏安特性Fig.13 Ion current-voltage characteristics of the HCT

圖14 發射體內、外置結構RPA離子能量分布特性Fig.14 Ion energy distribution of the HCT in N-mode anf T-mode

圖15 15 ml/min不同放電電流條件下離子能量分布Fig.15 Ion energy distribution of the HCT at different current,the flow rate is 15 mL/min

3 結束語

發射體內置的空心陰極推力器產生推力能夠靠加熱內部氣體工質獲得高溫高壓氣體，氣體工質膨脹噴出獲得一定推力，并且可以工作在低電流低功率條件下，大約10 W左右。然而所獲得的推力較小，比沖低，只有200～300 m/s，因此推進效率低。試驗結果證明發射體外置的方法能夠使空心陰極推力器的推力增加。在小流量條件下，推力和比沖的增加幅度顯著，比沖能夠達到1 300 m/s。并且由于發射體外置使得發射體輻射散熱強度增加，發射體外置的空心陰極推力器的工作功率要稍高于發射體內置的空心陰極推力器，大約為10～20 W。并且根據離子參數的測量結果，在空心陰極推力器出口下游的1 cm處，發射體外置結構的離子通量要比發射體內置結構模式下高。并且發射體外置后，離子能量增加。根據離子能量診斷試驗結果，離子能量高于陰極與陽極間的電位，高能離子的產生有助于增加推力器的比沖。發射體外置結構增加離子數量密度，存在加速離子而增加推力的機制。

由于空心陰極推力器在小流量工質條件下能夠獲得高比沖，并且在低電流條件下工作功率較低，因此為了匹配立方體衛星能夠提供的功率，研究重點是發射體外置的陰極推力器在低電流、低流量下獲得大推力，從而提高推進效率。

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(編輯：高珍)

Investigationonthemethodofimprovingtheperformanceofhollowcathodethrusterwithanouteremitter

LIU Chenguang,NING Zhongxi*,MENG Tianhang,HAN Xing,YU Daren

SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China

To improve the performance of the hollow cathode as a thruster,a hollow cathode thruster with an emitter mounted on the top of the keeper was developed.It is found that the thrust and specific impulse generated by hollow cathode with the outer emitter are higher than those produced by hollow cathode.A further study shows that the ion current and ion energy in hollow cathode with an outer emitter are both higher than those in hollow cathode,and it infers that there exist ions acceleration in thrust production mechanism in hollow cathode thruster with an outer emitter causing improvements in thrust and specific impulse.

hollow cathode; micro thruster;cathode mode; thruster mode;outer emitter

http://zgkj.cast.cn

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0079

V439+.2

A

2017-05-11；

2017-09-02；錄用日期2017-09-12；< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-09-24 16:00:58

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170924.1600.002.html

國家自然科學基金(No.61571166,新型寬范圍自適應熱發射空心陰極研究)

劉晨光(1993-)，男，碩士研究生，1036558146@qq.com，研究方向為電推進

*通訊作者：寧中喜(1980-)，男，副教授，ningzx@hit.edu.cn，研究方向為電推進

劉晨光,寧中喜,孟天航,等.一種提高空心陰極推力器推力的發射體外置方法[J].中國空間科學技術,2017,37(5)：40-46.LIUCG,NINGZX,MENGTH,etal.Investigationonthemethodofimprovingtheperformanceofhollowcathodethrusterwithanouteremitter[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(5)：40-46(inChinese).