磁屏蔽霍爾推力器磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

徐亞男，康小錄,2，余水淋,2，黃 浩,2

(1.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112;2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

霍爾推力器憑借其可靠性高、比沖范圍合適等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于地球軌道衛(wèi)星和深空探測(cè)飛行器的姿態(tài)調(diào)整、位置保持以及軌道轉(zhuǎn)移等空間推進(jìn)任務(wù)[1]。隨著人類空間活動(dòng)愈加頻繁，比如空間站的運(yùn)行、全電衛(wèi)星的發(fā)展以及遠(yuǎn)地航天任務(wù)的開展等，對(duì)推力器壽命的要求隨之提高。然而目前霍爾推力器的壽命僅幾千到一萬小時(shí)，遠(yuǎn)不能滿足將來任務(wù)的需求，其中制約推力器壽命的主要因素就是放電室壁面的腐蝕。

美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)在對(duì)BPT-4000霍爾推力器進(jìn)行壽命驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)5 600 h后放電室達(dá)到了壁面“零腐蝕”的穩(wěn)定狀態(tài)[2]。通過對(duì)這一穩(wěn)定狀態(tài)的物理本質(zhì)進(jìn)行數(shù)值仿真研究，提出了“磁屏蔽”的概念。隨后在6 kW的霍爾推力器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明推力器的壁面腐蝕速率減小了3個(gè)數(shù)量級(jí)，且推力器的推力、比沖、效率等性能沒有明顯的下降[2]。因此從大幅度延長(zhǎng)霍爾推力器壽命方面考慮，磁屏蔽技術(shù)在不同功率、不同尺寸霍爾推力器上的應(yīng)用有著廣泛的前景。

國(guó)外對(duì)磁屏蔽霍爾推力器有著一定程度的研究，包括美國(guó)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)[2-4]、密歇根大學(xué)[5]、加州大學(xué)[6-10]、NASA[11-14]、意大利[15-16]，法國(guó)[17]等各方。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)申請(qǐng)了關(guān)于磁屏蔽低功率霍爾推力器的專利[18]，大連海事大學(xué)進(jìn)行了ATON型霍爾推力器不同磁屏蔽磁場(chǎng)位形的仿真研究[19]。目前雖然有如上關(guān)于磁屏蔽的諸多研究，但是距磁屏蔽霍爾推力器的應(yīng)用還有很多研究有待開展。

本文擬通過對(duì)磁屏蔽基本理論的分析，探討何種磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形能夠?qū)崿F(xiàn)全壁面磁屏蔽，利用磁場(chǎng)仿真得到了磁屏蔽霍爾推力器的磁場(chǎng)構(gòu)形，利用120 mm口徑的霍爾推力器對(duì)該磁屏蔽磁場(chǎng)設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性進(jìn)行必要的驗(yàn)證。最后初步探究了磁屏蔽霍爾推力器的性能。

1 磁屏蔽原理

||Te≈0

(1)

式中Te是電子溫度，eV。

由電子動(dòng)量方程可得平行于磁力線方向上的電場(chǎng)分量，從通道中心到壁面沿磁力線進(jìn)行積分可以得到沿磁力線的電勢(shì)

φ||=φ0+Te0ln(ne0/ne)

(2)

式中：φ||為平行于磁力線的電勢(shì)，V;ne為電子數(shù)密度,1/m3；下標(biāo)0為放電室通道中心線上的值。

由于沿磁力線電子數(shù)密度在變化，而電子溫度有限且恒定，造成Te0ln(ne0/ne)變化不可忽視，如圖1(a)的傳統(tǒng)霍爾推力器放電室通道放電特性和磁場(chǎng)構(gòu)形所示，壁面沿軸向的電子溫度呈單峰狀變化，壁面電勢(shì)沿軸向一直下降，磁力線與放電室壁面相交，沿磁力線存在電場(chǎng)分量E||(單位V/m)將離子加速碰撞到放電室壁面產(chǎn)生嚴(yán)重的濺射，所以降低E||的影響是減輕壁面腐蝕的核心，即要實(shí)現(xiàn)磁力線等勢(shì)。

Te0ln(ne0/ne)的變化是導(dǎo)致電勢(shì)沿磁力線變化的原因[20]，若要實(shí)現(xiàn)磁力線等勢(shì)，就要盡量弱化該項(xiàng)對(duì)于電勢(shì)的影響[20]。通過將壁面附近的磁力線向近陽極區(qū)延伸，利用磁力線絕熱的特點(diǎn)使壁面附近的電子溫度等于陽極附近較低的電子溫度，則壁面磁力線上的電子溫度Te0→0，進(jìn)而有φ||≈φ0。同時(shí)在出口加工倒角使磁力線與壁面盡量貼合，形成的磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形如圖1(b)所示。與傳統(tǒng)霍爾推力器磁場(chǎng)構(gòu)形造成的電子溫度和電勢(shì)沿壁面的分布相比，磁屏蔽霍爾推力器電子溫度沿壁面一直維持一個(gè)較小數(shù)值不變，沿壁面一直維持陽極的高電勢(shì)不變。

圖1 磁屏蔽與傳統(tǒng)霍爾推力器壁面電磁場(chǎng)及放電特性比較Fig.1 Comparison of electromagnetic field and discharge characteristics near the wall between magnetic shielding and baseline configuration

腐蝕速率是垂直入射到壁面的離子流密度ji⊥(單位A/m2)與濺射系數(shù)Y的函數(shù)

ε=ji⊥Y

(3)

而ji⊥是離子電荷qi(單位C)、離子數(shù)密度ni(單位1/m3)和離子入射到壁面速度的垂直分量ui⊥(單位m/s)的函數(shù)，Y是離子入射能量Ki(單位V)和入射角度θ(單位rad)的函數(shù)。磁屏蔽將壁面附近的離子驅(qū)使遠(yuǎn)離，降低了入射到壁面上的ni，從而減小了ji⊥；使得壁面電子溫度減小，鞘層勢(shì)能隨之減小，壁面離子的Ki減小，從而降低了Y；壁面與陽極間的電勢(shì)差減小，離子從等離子體到壁面途中速度增量減小，即減小了ui⊥和Ki，從而降低了ji⊥和Y。通過以上方面磁屏蔽最終大幅減小了壁面腐蝕速率。

2 磁屏蔽磁場(chǎng)仿真

為了使貼近壁面的磁力線盡量向陽極彎曲，而放電室通道中心磁力線接近于徑向，以保證壁面離子遠(yuǎn)離、而中心處磁場(chǎng)依舊加速離子噴出，最終在全部壁面上實(shí)現(xiàn)磁屏蔽，本節(jié)進(jìn)行了磁屏蔽霍爾推力器的磁場(chǎng)仿真。

圖2是口徑為120 mm實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的傳統(tǒng)磁場(chǎng)構(gòu)形的仿真結(jié)果，在近出口處磁力線接近于徑向，放電室壁面相交。磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形需要壁面磁力線盡量向陽極彎曲以求近乎等勢(shì)，圖3中多條磁力線與壁面相交，下游的磁力線由于向陽極彎曲的程度不夠[21]，則電子溫度較高，該磁力線不能保持等勢(shì)，壁面離子能量較高，若超過能量閾值將沿平行于該磁力線的電場(chǎng)分量加速?zèng)_向壁面，從而發(fā)生濺射[22]。壁面與磁力線相交的面積越多，出口壁面磁力線越容易不等勢(shì)。

圖2 傳統(tǒng)磁場(chǎng)構(gòu)形仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of baseline magnetic field configuration

為追求該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)全部壁面能夠?qū)崿F(xiàn)磁屏蔽，在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)尺寸的限制下能夠達(dá)到的理論效果最優(yōu)的磁屏蔽磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖4所示，最貼近壁面的磁力線在向陽極彎曲同時(shí)與壁面完全不相交，等勢(shì)的程度最高。但是最終壁面的離子能量實(shí)際造成濺射的程度未知，因此該磁屏蔽構(gòu)型能否最終實(shí)現(xiàn)全部壁面的磁屏蔽需要通過長(zhǎng)時(shí)間的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 磁力線與出口壁面相交示意圖Fig.3 Diagram of the intersection of the magneticflux line with the exit wall

圖4 磁屏蔽構(gòu)形仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of magnetic shielding configuration

圖5表示的是磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形和傳統(tǒng)磁場(chǎng)構(gòu)形在放電室通道中心線上的標(biāo)準(zhǔn)化磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，其中無量綱數(shù)Bc表示的是標(biāo)準(zhǔn)化磁場(chǎng)強(qiáng)度，無量綱數(shù)Zc表示標(biāo)準(zhǔn)化軸向位置，Zc=1是放電室出口。可以看出磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形磁場(chǎng)強(qiáng)度軸向分布較傳統(tǒng)磁場(chǎng)構(gòu)形向下游移動(dòng)，代表電離加速區(qū)的軸向位置也向下游移動(dòng)。JPL關(guān)于等離子體在放電室通道內(nèi)的軸向位置與壁面腐蝕速率對(duì)應(yīng)規(guī)律表示，等離子體軸向位置越向下游則腐蝕速率越小[4]，此次靜磁場(chǎng)仿真結(jié)果佐證了這一點(diǎn)。

圖5 磁屏蔽與傳統(tǒng)磁場(chǎng)構(gòu)形放電室通道中心標(biāo)準(zhǔn)化磁場(chǎng)強(qiáng)度軸向分布Fig.5 Axial distribution of standardized magnetic field intensity along discharge chamber center of magnetic shielding and baseline configuration

3 磁屏蔽效果驗(yàn)證及性能分析

3.1 磁屏蔽效果驗(yàn)證方法

磁屏蔽驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證上文確定的磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形能否實(shí)現(xiàn)磁屏蔽，大幅減小壁面腐蝕速率。由于磁屏蔽霍爾推力器入射到壁面上的離子能量較低，導(dǎo)致腐蝕速率很小，若要放電室壁面呈現(xiàn)較為明顯的腐蝕狀貌需要進(jìn)行上百甚至上千小時(shí)的點(diǎn)火，否則壁面輪廓的測(cè)量將會(huì)存在很大的誤差。但這種衡量壁面腐蝕狀況的方法需要消耗巨大的時(shí)間和成本，因此提出了一種較為簡(jiǎn)便、節(jié)省的檢驗(yàn)方法。

如圖6(a)所示，推力器在地面實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)工作時(shí)，等離子體加速噴出推力器后部分羽流與真空艙內(nèi)壁碰撞，而真空艙壁主要有Te,C，Ni等成份，這些黑色物質(zhì)被等離子體轟擊掉落后會(huì)隨時(shí)間逐漸沉積在放電室壁面上，但是沉積的速度很慢，大功率霍爾推力器沉積的速度大約為0.001～0.01μm/h[23]；同時(shí)放電室壁面還承受著來自電離加速區(qū)等離子的濺射，如圖6(b)所示。如果等離子體對(duì)放電室壁面濺射程度相較沉積程度更高，則放電室壁面呈現(xiàn)陶瓷本來的白色，證明腐蝕速率至少比沉積速度大；反之放電室壁面就會(huì)沉積一層黑色物質(zhì)從而呈現(xiàn)黑色，說明壁面腐蝕速率比沉積速度更小，腐蝕很少。這一方法能以肉眼可見的形式比較出磁屏蔽對(duì)于減輕壁面腐蝕的顯著效果。

圖6 霍爾推力器壁面濺射和碳沉積示意圖Fig.6 Schematic diagram of sputtering and carbon deposition on Hall thruster wall

3.2 腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用前文設(shè)計(jì)的磁屏蔽磁場(chǎng)，在功率為1.5 kW、放電電壓為300 V、內(nèi)外磁線圈電流6.5 A/2.8 A最優(yōu)工況的條件下，口徑為120 mm的樣機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10 h的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。磁屏蔽霍爾推力器放電室壁面濺射、沉積狀況如圖7(a)所示，可以看出壁面完全被從艙壁濺射回的碳粉覆蓋，說明磁屏蔽霍爾推力器壁面腐蝕速率較低。傳統(tǒng)磁場(chǎng)構(gòu)形下霍爾推力器工作10 h的放電室壁面濺射、沉積狀況如圖7(b)所示，雖然采用了壁面倒角，但是由于沒有采用磁屏蔽的磁路設(shè)計(jì)，放電室尾段依舊腐蝕得比較厲害，呈現(xiàn)白色，證明腐蝕速率大于沉積的速率。綜上所述，前文設(shè)計(jì)的磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形明顯大幅降低了口徑為120 mm的霍爾推力器放電室壁面的腐蝕速率，實(shí)現(xiàn)了全部壁面的磁屏蔽，無濺射帶。證明了該磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形設(shè)計(jì)的正確性。

磁屏蔽構(gòu)形主要依靠壁面磁力線等勢(shì)在霍爾推力器出口壁面處建立了垂直于壁面指向背離壁面方向的電場(chǎng)力，驅(qū)使壁面離子遠(yuǎn)離進(jìn)而大幅降低了腐蝕速率。腐蝕速率比碳沉積速率還小，所以壁面才會(huì)沉積一層碳膜而呈現(xiàn)黑色。而傳統(tǒng)構(gòu)形的徑向磁場(chǎng)因?yàn)榇嬖谥赶虮诿娴碾妶?chǎng)分量，加速離子與壁面碰撞造成了出口的嚴(yán)重腐蝕。同時(shí)根據(jù)圖5的標(biāo)準(zhǔn)化磁場(chǎng)強(qiáng)度在放電室通道中心的分布可以推測(cè)電離加速區(qū)的外移減少了等離子體與壁面的作用，此為腐蝕速率降低的原因之一。

圖7 點(diǎn)火10 h后磁屏蔽與傳統(tǒng)構(gòu)形下的放電室壁面對(duì)比Fig.7 Comparison between walls of Hall thrusters with magnetic shielding and baseline configuration after 10 hours of operation

3.3 性能分析

基于前文初步設(shè)計(jì)的磁屏蔽霍爾推力器，進(jìn)行了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下的推力器性能計(jì)算，以對(duì)該磁屏蔽霍爾推力器的性能有初步認(rèn)識(shí)。

在尋找磁屏蔽霍爾推力器工作最優(yōu)工況的過程中發(fā)現(xiàn)羽流狀況隨磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生了很明顯的變化。放電電壓為300 V，陽極流量為62 sccm工況下，在磁場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，羽流呈現(xiàn)略微發(fā)散的狀態(tài)，如圖8所示；之后羽流隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的上升而更加發(fā)散；當(dāng)內(nèi)外電磁線圈電流為6.27A/2.7A時(shí)羽流呈現(xiàn)如圖9的長(zhǎng)筒狀；磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)上升則羽流再次呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)。

磁場(chǎng)強(qiáng)度上升過程中，推力器的性能變化總結(jié)在表1中，陽極流量為62 sccm，放電電壓為300 V。放電電流與羽流狀態(tài)的變化相互對(duì)應(yīng)，在放電電流突降點(diǎn)附近出現(xiàn)了最優(yōu)效率54.23%，此時(shí)內(nèi)外電磁線圈電流為6.5 A/2.8 A，羽流呈現(xiàn)長(zhǎng)筒狀。可以解釋為該磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁屏蔽的作用效果最好，因?yàn)榈入x子體受垂直于壁面磁力線的電場(chǎng)分量驅(qū)使，遠(yuǎn)離壁面在放電室通道中心聚集，從而呈現(xiàn)出較為清晰的環(huán)柱長(zhǎng)筒狀羽流。

圖8 略發(fā)散羽流Fig.8 Slightly divergent plumes

圖9 長(zhǎng)筒狀羽流Fig.9 Long barrel plume

放電電壓/V內(nèi)磁/A外磁/A放電電流/A推力/mN比沖/s效率/%3005.342.35.9-羽流發(fā)散-3005.82.55.9-羽流發(fā)散-3006.272.75.3103.81662.7253.213006.52.85.11102.91648.354.233006.732.95.13102.91648.354.023007.23.15.23102.91649.653.07

經(jīng)測(cè)量，300～450 V間該磁屏蔽霍爾推力器的最高效率為54.23%，此時(shí)比沖為1 648.3 s，推力102.9 mN，放電電壓300 V。

4 結(jié)論

本文首先根據(jù)磁屏蔽理論進(jìn)行了磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究，構(gòu)建了磁屏蔽霍爾推力器的磁場(chǎng)構(gòu)形，選擇最優(yōu)工況長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火觀察放電室壁面沉積了一層碳而完全呈現(xiàn)黑色，證明實(shí)現(xiàn)了磁屏蔽。在此磁屏蔽霍爾推力器基礎(chǔ)上對(duì)性能進(jìn)行了初步研究。研究發(fā)現(xiàn)：

1)磁力線越向陽極彎曲、與壁面相交越少，則壁面上的磁力線越趨向于等勢(shì)，磁屏蔽效果越好。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壁面磁力線向陽極彎曲且與壁面無相交的磁屏蔽磁場(chǎng)構(gòu)形對(duì)減輕壁面腐蝕確實(shí)效果顯著。

2)磁屏蔽霍爾推力器羽流隨磁場(chǎng)強(qiáng)度有明顯變化，最優(yōu)工況出現(xiàn)在“長(zhǎng)筒狀”羽流狀態(tài)下。