屏柵邊緣小孔孔徑對離子推力器性能的影響*

趙以德 李娟 吳宗海 黃永杰 李建鵬 張天平

(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)(2020 年3 月11日收到; 2020 年3 月30日收到修改稿)

提出并實驗驗證了一種通過減小屏柵邊緣小孔孔徑消除雙模式離子推力器中束流離子對三柵極系統減速柵邊緣小孔濺射刻蝕的方法. 基于30 cm雙模式離子推力器， 在小推力高比沖和大推力高功率兩種工作模式下實驗對比研究了屏柵邊緣小孔孔徑對推力器放電損耗、束流平直度和減速柵邊緣小孔刻蝕速率和刻蝕范圍的影響. 當束流半徑95%外的屏柵小孔孔徑縮小26%后， 30 cm雙模式離子推力器在小推力高比沖模式和大推力高功率模式下放電損耗分別減小10%和21%; 束流平直度分別下降3%和10%; 減速柵邊緣小孔存在離子濺射刻蝕的小孔排數由邊緣5排減小到最邊緣1排， 刻蝕速率明顯減小， 并且當工作900 h后最邊緣小孔刻蝕現象也消失. 實驗結果表明: 減小屏柵邊緣小孔孔徑是一種解決雙模式離子推力器小推力高比沖模式下束流離子對三柵極系統減速柵邊緣小孔濺射刻蝕的有效方法， 而且不會降低推力器效率， 但是會造成束流均勻性變差.

1 引 言

離子推力器由于具有高比沖、長壽命特性， 在美國、日本、英國、中國等得到了廣泛的研究和應用. 隨著應用任務的拓展， 多模式逐漸成為離子推力器一個必備功能[1]. 例如: 用于通信衛星或全電衛星中的XIPS-25推力器[2]有兩種工作模式; 深空探測任務中的主推進離子推力器為適應航天器遠離太陽時太陽能電池帆板效率下降的問題，NSTAR離子推力器[3-6]具有112種工作模式， NEXT離子推力器[7]具有40種工作模式.

用于全電衛星的離子推力器必須具備兩種典型的工作模式(所以也稱為雙模式離子推力器)， 即小推力高比沖模式和大推力高功率模式. 小推力高比沖模式用于軌道保持， 實現較高衛星載荷比; 大推力高功率模式用于軌道轉移， 縮短軌道轉移時間， 減小空間環境對衛星的輻照.

離子推力器中除采用電磁鐵的發散場離子推力器[8]， 其放電室磁場強度可調節外， 其他離子推力器需在一個固定物理結構下通過工作電參數和氣參數調節實現多模式. 由于柵極結構和放電室磁場固定， 離子推力器在小推力高比沖模式下由于總加速電壓高、邊緣束流密度小， 在柵極邊緣易出現束流過聚焦; 在大推力高功率模式下柵極中心束流密度大， 在柵極中心易出現束流欠聚焦. 無論是欠聚焦還是過聚焦， 束流離子都會直接轟擊刻蝕柵極小孔孔壁， 造成柵極失效， 推力器壽命終止. 因此，消除不同工作模式下束流離子對柵極系統下游柵極的直接轟擊刻蝕是多模式離子推力器必須解決的關鍵技術之一.

柵極系統作為離子推力器關鍵組件， 各國學者對其進行了廣泛的研究. 西北工業大學陳茂林等[9，10]對離子推力器柵極系統進行了數值模擬， 分析了工作模式變化對柵極區域電場分布和束流狀態的影響， 并且對三柵極系統中減速柵的作用進行了研究. 溫正等[11]通過3維數值模擬， 研究了交換電荷離子的運動及其對雙柵極組件中加速柵孔的濺射刻蝕. 另外， 美國噴氣推進實驗室Brophy等[12]、弗吉尼亞理工大學的Wang等[13]、田納西大學的Peng等[14]、北京航空航天大學鐘凌偉等[15]、哈爾濱工業大學深圳分院Chu等[16]和王二蒙等[16]、蘭州空間技術物理研究所賈艷輝等[17]、李娟等[18]、龍建飛等[19]開展了大量離子推力器柵極系統數值計算工作， 模擬計算了柵極系統電場分布、離子引出路徑、離子透過率、交換電荷離子分布、柵極濺射腐蝕等參數. Malone和Soulas[20]建立了3維柵極系統仿真模型， 并對NEXT推力器束流離子交叉造成的加速柵邊緣小孔離子刻蝕進行了仿真研究.

在工程應用方面， 美國30 cm離子推力器NSTAR早期實驗時發現雙柵系統中加速柵邊緣小孔離子刻蝕問題， 為了解決該問題將束流直徑從30 cm縮小到了28 cm[21]. 同樣， 在NEXT離子推力器2000 h壽命實驗[22]時也發現了加速柵邊緣小孔離子刻蝕問題， 將束流直徑從40 cm縮小到36 cm[7，23，24].這兩次工程案例證明通過縮小束流直徑可將雙柵系統加速柵邊緣小孔離子刻蝕降低到一個可接受程度.

三柵極系統由于增加了減速柵， 離子通過柵極系統的路徑更長， 束流離子對柵極系統下游柵極的直接轟擊刻蝕問題更為突出. 本文提出并實驗驗證了一種通過減小屏柵邊緣小孔孔徑改善雙模式離子推力器三柵極系統減速柵邊緣小孔離子刻蝕的方法. 為了對該方法進行評價， 首先對比開展了屏柵邊緣小孔孔徑改進前后對離子推力器主要性能指標中放電損耗和束流平直度的影響; 然后通過短期磨損實驗對該方法在減速柵邊緣小孔離子刻蝕問題上改進效果進行了測試， 同時對磨損實驗期間平均放電損耗進行了測試， 從而對放電損耗的影響進行了再復核確認.

2 實驗設備與方法

在蘭州空間技術物理研究所研制環型會切場30 cm雙模式離子推力器上開展了三柵極系統屏柵邊緣小孔孔徑對推力器性能的影響測試實驗. 除屏柵邊緣小孔孔徑外， 在不改變任何參數的情況下制作了兩種三柵極系統， 第一種柵極系統的屏柵邊緣小孔孔徑與其內部相同(以下簡稱為等孔徑柵)，第二種柵極系統將束流半徑95%外的屏柵小孔孔徑縮小了26%(以下簡稱為小孔徑柵). 小孔徑柵相比等孔徑柵， 屏柵開孔區域幾何透明度下降8.8%.

放電損耗測試實驗是在30 cm雙模式離子推力器原理樣機上開展的， 供電電源為地面電源， 該電源系統由MAGNA公司TS和LS系列電源組成，所有電源線性調整率和負載調整率均 ≤ ± 0.04%，其供電連接關系采用了陽極電源與屏柵電源串聯連接關系[25]. 束流平直度測試實驗和兩種模式下分別累計300 h短期磨損實驗是在30 cm雙模式離子推力器初樣產品上開展的. 30 cm雙模式離子推力器初樣產品與原理樣機相比除采用了散熱效果更好的外殼外， 其余結構完全相同. 束流平直度測試實驗供電電源為地面電源， 短期磨損實驗主要供電電源為地面電源， 其中部分時段由于要驗證30 cm雙模式離子推力器配套電源處理單元PPU(power process unit)與推力器的匹配性而使用了PPU供電. 測試實驗設備是蘭州空間技術物理研究所TS-7A 10 kW級離子電推進測試系統，該設備真空艙由直徑3.8 m， 長度8 m的主艙和直徑1.5 m， 長度1.5 m的副艙組成. 氙氣供氣系統由氣源、減壓、穩壓、氣體置換、流率控制器等部件組成， 流率控制精度為 ± 2%. 表1給出了30 cm雙模式離子推力器兩種工作模式下的主要參數.

表 1 30 cm雙模式離子推力器主要參數Table 1. Main parameters of 30 cm dual-mode ion thruster.

3 結果與討論

3.1 放電損耗影響

離子推力器放電效率是評價離子推力器性能的重要指標之一. 放電效率通過放電損耗表征， 放電損耗代表了產生單位安培束流需要的放電功率，放電損耗越小放電效率越高. 在束功耗(束電壓與束電流之積)一定情況下， 推力器總效率取決于放電損耗， 放電損耗越小推力器效率越高. 表2給出了30 cm雙模式離子推力器分別裝配小孔徑柵和等孔徑柵時， 在小推力高比沖模式和大推力高功率模式下平衡后的工作電參數. 從表2參數計算得到小孔徑柵相比等孔徑柵， 30 cm雙模式離子推力器在小推力高比沖模式下放電損耗由174 W/A減小到156 W/A， 減小10%; 在大推力高功率模式下放電損耗由203 W/A減小到161 W/A， 減小21%.屏柵邊緣小孔孔徑縮小導致柵極系統幾何透明度下降8.8%， 按柵極系統單孔束流計算理論可知， 在同樣條件下幾何透明度下降會使離子引出效率降低， 造成放電損耗增加， 但實驗結果顯示屏柵邊緣小孔孔徑縮小后， 雖然柵極幾何透明度減小， 但是放電效率反而增加. 分析認為這一反常現象可能是由于屏柵邊緣小孔孔徑縮小導致屏柵邊緣的結構強度增加， 造成推力器工作時屏柵中心發生較大的熱形變. 由于柵極系統是凸面柵， 屏柵中心較大的熱形變使柵極系統中屏柵與加速柵熱態柵間距減小， 柵極系統中心區域離子引出效率增加， 效率提高. 由于大推力高功率模式下放電功耗更高， 推力器工作溫度更高， 造成柵極熱形變更大， 效率提高更多. 兩種柵極系統的離子透明度測試結果也證明了這一分析的正確性， 小孔徑柵相比等孔徑柵在小推力高比沖模式下和大推力高功率模式下柵極離子透明度分別增加約0.97%和1.35%.

表 2 兩種柵極下30 cm雙模式離子推力器工作平衡時電參數Table 2. Steady-state operating parameters of 30 cm dual-mode ion thruster at two kinds of grid optical system.

3.2 束流平直度影響

束流平直度是評價離子推力器性能的另一個重要參數， 該參數對推力器的工作可靠性和壽命，以及對多模式離子推力器功率調節范圍存在決定性影響[26]. 束流平直度用于表征束流分布均勻性，是束流密度平均值與最大值的比值， 數值越大表示束流越均勻， 束流密度分布曲線越扁平. 在同樣束流下， 束流平直度較低的離子推力器其中心存在高密度離子， 這些離子將對屏柵上游表面造成快速濺射刻蝕或在羽流中心產生的高密度交換電荷離子對加速柵或減速柵造成快速濺射刻蝕， 柵極壽命縮短. 另外， 束流平直度較低時， 能正常聚焦引出某束流的束電壓范圍縮小， 導致功率調節范圍變小.

為了對裝配不同柵極的30 cm雙模式離子推力器在兩種工作模式下的束流平直度進行對比， 采用平直度測量裝置對不同徑向位置處束流密度進行了測量. 該裝置采用單法拉第探針在柵極下游50 mm處， 以2 mm的步進方式垂直推力器中心軸方向水平掃描， 每個步進點采集100個數值， 剔除最大值和最小值后的平均值作為該測試點的測量值. 為了減小電子對離子電流密度的影響， 平直度測量裝置的法蘭第收集盤和防護套均設置了—20 V偏壓. 圖1給出兩種柵極下30 cm雙模式離子推力器束流密度徑向分布曲線. 可見， 30 cm雙模式離子推力器束流密度分布基本呈平頂形， 束流分布均勻. 屏柵邊緣小孔孔徑縮小后， 束流分布曲線變窄變高， 束流均勻性變差. 小孔徑柵相比等孔徑柵， 30 cm雙模式離子推力器在小推力高比沖模式下束流平直度下降3%; 大推力高功率模式下束流平直度下降10%. 說明屏柵邊緣小孔孔徑對推力器束流密度分布存在影響， 束流越大影響越大. 屏柵邊緣小孔孔徑的縮小導致束流均勻性變差是因為屏柵邊緣小孔孔徑縮小導致邊緣離子透過率下降， 邊緣束流密度降低， 為了保持相同的束電流，使中心束流密度增加.

屏柵邊緣小孔孔徑縮小后， 束流密度峰值增加， 會造成柵極下游交換電荷離子密度峰值增加.由于交換電荷離子密度與束流密度基本成正比關系， 因此屏柵邊緣小孔孔徑減小后， 30 cm雙模式離子推力器柵極系統交換電荷離子磨損壽命在小推力高比沖模式和大推力高功率模式下分別減少約3%和10%.

圖 1 30 cm雙模式離子推力器束流密度徑向分布曲線Fig. 1. Radial beam current density profiles of 30 cm dualmode ion thruster.

3.3 減速柵小孔離子刻蝕影響

通過短期磨損實驗對屏柵邊緣小孔孔徑縮小在消除減速柵邊緣小孔離子刻蝕問題上的有效性進行了評價. 同時， 為了對3.1節中發現的屏柵邊緣小孔孔徑減小后放電損耗減小這一反常現象再次進行確認， 短期磨損實驗時對放電損耗和功率也進行了監測. 圖2給出了裝配等孔徑柵的30 cm雙模式離子推力器在兩種工作模式下， 分別累計工作300 h時的功率和放電損耗變化情況， 其中小推力高比沖模式每3 h開關機一次， 大推力高功率模式每24 h開關機一次. 由圖2(a)可見， 在小推力高比沖模式下， 功率和放電損耗基本保持不變， 在216 h后功率出現波動是因為采用PPU供電后束流自動閉環在1.64—1.69 A范圍， 束流平均值低于地面電源供電時束流值1.68 A. 小推力高比沖模式300 h平均功耗和放電損耗分別為2760 W和182 W/A. 由圖2(b)可見， 在大推力高功率模式下功率和放電損耗隨開關機狀態呈現周期性變化特性， 300 h時長內每次啟動平衡后放電損耗基本保持不變. 功率在144 h時出現跳躍， 但在跳躍前后均基本保持不變. 跳躍是因為144 h前采用PPU供電， 自動閉環束流為3.61—3.64 A，從144 h開始采用地面電源供電， 手動閉環束流為3.67—3.69 A. 大推力高功率模式300 h平均功耗和放電損耗分別為5097 W和188 W/A.

圖3給出了裝配小孔徑柵的30 cm雙模式離子推力器在兩種工作模式下， 每50 h開關機一次分別累計工作300 h內功率和放電損耗變化情況.小推力高比沖模式除150 —250 h之間采用地面電源供電外， 其余時間均采用PPU供電， 自動閉環束流為1.67—1.70 A; 大推力高功率模式在50—85 h之間采用PPU供電， 自動閉環束流為3.67—3.72 A， 其余時間均采用了地面電源供電.從圖3可見， 在每個循環開機或屏柵和加速電源保護重啟時， 功率和放電損耗呈現先增大后趨于穩定的周期過程. 小推力高比沖模式下平均功率為2754 W， 放電損耗為169 W/A. 大推力高功率模式下平均功耗約5084 W， 放電損耗約為174 W/A.

圖 2 等孔徑柵下30 cm雙模式離子推力器在300 h內功耗和放電損耗變化情況 (a)小推力高比沖模式; (b)大推力高功率模式Fig. 2. The power and discharge loss of 30 cm dual-mode ion thruster with same aperture diameter grid optical system during 300 h operation: (a) Low thrust-high specific impulse mode; (b) large thrust-high power mode.

對比圖2和圖3不難發現， 小孔徑柵相比等孔徑柵， 30 cm雙模式離子推力器300 h內平均功率和平均放電損耗均減小， 與放電損耗影響實驗結果相同， 即屏柵邊緣小孔孔徑縮小后雖然使柵極幾何透明度下降， 但放電損耗卻降低. 在小推力高比沖和大推力高功率兩種工作模式下， 300 h內平均功耗分別減小0.22%和0.25%， 平均放電損耗分別減小7.14%和7.45%. 這里功耗相比放電損耗減小并不明顯是因為， 一方面中高功率離子推力器總功率中放電功率占比較低; 另一方面是因為在小孔徑柵實驗時對PPU閉環控制束流進行了調大處理， 束功耗增加， 造成相應總功耗增加.

圖 3 小孔徑柵下30 cm雙模式離子推力器300 h內功耗和放電損耗變化情況 (a)小推力高比沖模式; (b)大推力高功率模式Fig. 3. The power and discharge loss of 30 cm dual-mode ion thruster with small aperture diameter grid optical system during 300 h operation: (a) Low thrust-high specific impulse mode; (b) large thrust-high power mode.

圖4 給出了裝配等孔徑柵和小孔徑柵的離子推力器分別在小推力高比沖模式累計工作300 h后和大推力高功率模式再工作300 h總共累計600 h后， 減速柵邊緣下游表面照片. 由圖4可見， 等孔徑柵在工作300 h后， 減速柵邊緣5排小孔孔徑存在不同程度的呈六邊形狀增大， 其中最邊緣小孔孔徑增大最為明顯. 然而， 小孔徑柵推力器工作300 h和600 h后減速柵除最邊緣小孔外其余小孔孔徑無可見變化.

為了對減速柵小孔刻蝕情況進行定量評價， 分別在磨損實驗前、300 h實驗后和600 h實驗后對不同柵極半徑處減速柵小孔孔徑采用三維光學輪廓儀進行了測量. 測量時在減速柵下游表面測量小孔邊上均布確定8個點， 然后通過輪廓儀軟件擬合成圓得到小孔直徑. 圖5給出了裝配等孔徑柵和小孔徑柵的30 cm雙模式離子推力器分別在小推力高比沖模式累計工作300 h和大推力高功率模式再工作300 h總共累計600 h后減速柵不同半徑處小孔平均孔徑相對磨損實驗前的相對變化情況.由圖5可知， 等孔徑柵在小推力高比沖模式工作300 h后最邊緣小孔孔徑增大8.4%， 再在大推力高功率模式工作300 h后最邊緣小孔孔徑增量達到13.6%. 小孔徑柵工作300 h后減速柵最邊緣小孔孔徑增大6%， 600 h后相對增大至7.4%. 并且后期壽命實驗顯示， 小孔徑柵最邊緣小孔刻蝕隨工作時間增加， 逐步減緩， 累計900 h時不再刻蝕. 采取小孔徑柵后， 減速柵最邊緣的小孔仍然存在刻蝕是由小孔周圍非對稱結構造成小孔鞘層扭曲導致的[21]， 同NEXT推力器壽命實驗結果表現相同[23].

圖 4 實驗后減速柵外觀照片 (a)等孔徑柵300 h后;(b)等孔徑柵600 h后; (c)小孔徑柵300 h后; (d)小孔徑柵600 h后Fig. 4. Photography of decelerate grid: (a) and (b) are the same aperture diameter grid optical system after 300 h and 600 h operation respectively; (c) and (d) are the small aperture diameter grid optical system after 300 h and 600 h operation respectively.

對比等孔徑柵和小孔徑柵短期磨損實驗結果，不難發現減速柵邊緣小孔刻蝕主要發生在小推力高比沖模式， 屏柵邊緣小孔孔徑縮小后除最邊緣小孔外其他小孔刻蝕消失， 且最邊緣小孔刻蝕至一定程度后將不再刻蝕. 因此， 縮小屏柵邊緣小孔孔徑是解決雙模式離子推力器減速柵邊緣小孔刻蝕問題， 實現推力器長壽命的一條有效途徑.

圖 5 柵極不同徑向位置處減速柵小孔孔徑相對變化情況 (a)等孔徑柵; (b)小孔徑柵Fig. 5. Relative variation of decelerate grid apertures diameter at the different radial position after 300 h and 600 h operation: (a) The same aperture diameter grid optical system; (b) the small aperture diameter grid optical system.

柵極是離子推力器聚焦、加速引出離子的離子光學系統， 三柵極系統(從上游到下游分別由屏柵、加速柵和減速柵組成)中每一組小孔是一個獨立的離子光學透鏡. 在屏柵極的上游， 由于放電室等離子體中的電子較離子有較高的遷移率， 電子將先于離子到達屏柵而在柵前產生一個負電位鞘層，這個負電位吸引離子而排斥電子， 使得到達屏柵的離子流密度增大， 而電子流密度減小， 最后當達到屏柵極的電子流密度等于離子流密度時， 就在屏柵極上游表面形成一層電位稍低于等離子體電位的等離子體鞘層. 離子光學系統就是利用加速電壓將離子從這個鞘層引出， 所以也將這個鞘層叫作離子發射面. 引出離子束的方向取決于鞘層的形狀與位置， 鞘層的形狀與位置又取決于屏柵電壓、加速電壓、柵間距、柵片厚度、小孔直徑和小孔上游等離子體密度. 離子聚焦發生在離子加速區， 該區分為兩個部分， 鞘層至屏柵孔之間和三柵之間. 在整個加速區中， 離子基本受電力線的約束. 在鞘層附近，離子速度較小， 趨向于垂直電位面運動， 對決定離子的運動軌道起關鍵的作用. 離子初始運動方向主要決定于鞘層形狀. 理想的情況是鞘層發射的離子全部通過加速場， 不被加速柵極和減速柵截獲. 三柵極系統在小推力高比沖模式下減速柵邊緣小孔存在離子刻蝕是因為邊緣小孔上游等離子體密度較小(如圖1所示)， 又由于為了實現高比沖總加速電壓(束電壓和加速電壓絕對值之和)較高， 離子發射面遠離離子加速區域， 凹向放電室的弧度過大， 離子束產生過聚焦， 引出離子軌跡發生交叉，交叉離子直接沖擊到減速柵小孔孔壁上， 造成減速柵邊緣小孔離子濺射刻蝕. 屏柵邊緣小孔孔徑縮小后減速柵邊緣小孔離子刻蝕問題基本消除是因為一方面屏柵孔徑縮小后小孔束流直徑減小; 另一方面屏柵小孔孔徑縮小后， 離子發射面弧度變小， 交叉離子未能被減速柵截獲.

4 結 論

在小推力高比沖和大推力高功率兩種典型工作模式下， 通過屏柵邊緣小孔孔徑對30 cm雙模式離子推力器性能影響的實驗研究， 得到如下結論.

1) 30 cm雙模式離子推力器束流半徑95%外的屏柵小孔孔徑縮小26%后， 減速柵邊緣小孔存在離子濺射刻蝕的小孔排數由邊緣5排減小到最邊緣1排， 刻蝕速率明顯減小， 并且當工作900 h后最邊緣小孔刻蝕現象也消失. 這說明減小屏柵邊緣小孔孔徑能減小雙模式離子推力器減速柵邊緣小孔刻蝕速率和刻蝕區域， 是有效解決離子推力器減速柵邊緣小孔刻蝕問題， 實現多模式離子推力器柵極長壽命的一種有效方法.

2) 30 cm雙模式離子推力器屏柵邊緣小孔孔徑縮小后， 在小推力高比沖模式和大推力高功率模式下束流平直度分別下降3%和10%; 屏柵邊緣小孔孔徑的減小將使束流密度分布曲線變窄， 束流密度峰值增加， 束流平直度變差.

3) 30 cm雙模式離子推力器屏柵邊緣小孔孔徑縮小后， 在小推力高比沖模式和大推力高功率模式下放電損耗分別減小10%和21%; 屏柵邊緣小孔孔徑減小并沒有造成推力器效率降低， 反而出現提升， 這是由于屏柵邊緣小孔孔徑縮小后雖然柵極幾何透明度下降8.8%， 但柵極離子透明度并沒有降低. 其中柵極離子透明度增加的深層機理還需進一步研究.