2 cm ECRIT聯結磁場對羽流中和的影響

雷一鳴, 楊涓, 耿海, 吳先明, 牟浩, 付瑜亮

(1.西北工業大學 航天學院, 陜西 西安 710072;2.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)

伴隨微型航天器發展,電推進技術也獲得了更多發展機會。電推力器主要包括脈沖式等離子體推力器、場效應發射離子推力器和離子推力器等[1-3]。離子推力器分為射頻放電離子推力器、直流放電離子推力器和電子回旋共振離子推力器[4-5]。其中電子回旋共振離子推力器(ECRIT)具有結構簡單、無陰極燒蝕及比沖高等特點,具有很大發展潛力[6]。

ECRIT在軌應用中,離子源引出離子束流需要短時間內被中和器引出電子束流中和,否則缺少中和的離子束流會使得離子在空間中堆積,導致離子返流, 對航天器的安全和壽命產生嚴重影響[7-8]。目前對離子推力器羽流中和數值模擬研究工作的主流方法是采取混合模型描述羽流[9-11]。文獻[12]對離子推力器中和過程中的離子-電子耦合及電中性等離子體形成過程的物理機制進行了研究。采用二維軸對稱全粒子質點網格法對離子束中和過程和近場羽流進行了數值模擬。結果表明,在靠近推力器出口處的離子束會形成較高的正電勢,且該正電勢會隨著時間逐漸增大。推力器出口處的高電勢與周圍環境之間形成的勢阱能夠限制電子的逃逸并加速離子,最終使得二者的速度趨于一致,完成離子-電子的耦合過程,即離子束的中和過程。文獻[13]提出了一種混合粒子網格(PIC)流體方法來模擬離子束流和電子束流之間的相互作用。離子和中性粒子用PIC方法建模,而電子被視為流體。通過將模擬域劃分為擬中性區域和非中性區域,處理它們之間平滑過渡的三維混合模型來研究等離子體羽流及羽流中和,并驗證了該模型的準確性。文獻[14]描述了一個離子推力器柵極的數值混合模型。當離子和中性粒子被設定為宏觀粒子時,通過求解電子動量平衡、電子連續性和泊松方程的耦合方程來獲得電子性質和電勢,對羽流中和有了更深入的認識。

文獻[15]采用實驗方法,研究了微波功率和流量對2 cm ECRIT離子束流引出和耦合電壓的影響,結果表明不同模式下離子和電子束流與功率和流量呈正相關,中和器耦合電壓隨流量減小而增大。文獻[16]建立了二維軸對稱PIC/MCC計算模型, 通過數值模擬研究不同磁路結構對中和器的電子引出,及不同腔體長度對壁面電流損失的影響。計算結果表明,ECR區位置和引出孔附近磁場構型對中和器的電子引出性能至關重要。當ECR區位于天線上游,電子在遷移擴散中易損失, 并且電子跨過引出孔前電勢阱所需的能量更高。如果更多磁力線平行通過引出孔, 中和器引出相同電子電流所需電壓較小。

上述研究主要通過數值模擬的方法盡可能描述出實際羽流中和時的物理現象以便于更了解影響離子束流的中和機理。在實驗方面主要通過改進推力器構型來優化推力器性能[17-19]。文獻[17]通過改進2 cm ECR離子推力器放電室磁路和天線位置,對放電室結構進行了優化。ECRIT的離子源和中和器所形成的聯結磁場對離子束流引出和中和器耦合電壓的影響并未涉及。為此本文對ECR離子源和中和器在羽流區形成的聯結磁場進行模擬仿真,計算離子源與中和器在不同方位以及不同中和器磁極方向下聯結磁場的分布規律。實驗研究2 cm ECRIT在外部不同聯結磁場下,離子束流引出及中和器耦合電壓的變化規律。本文研究為提升ECRIT羽流的中和性能提供了參考。

1 2 cm ECRIT束流引出影響因素分析和實驗系統

1.1 2 cm ECRIT組成和原理

2 cm ECRIT由ECR離子源和中和器構成,ECR離子源和中和器皆利用ECR原理加熱電子,從而產生高能電子,高能電子不斷碰撞工質氣體產生高密度等離子體,使得中性氣體電離產生并維持等離子體[17]。ECR離子源與中和器的放電室結構相同,都由磁路結構、環形天線以及圓柱腔體組成,其中磁路由內外環形永磁體及背部磁軛構成。工作時,微波能量通過環形天線饋入放電室產生ECR等離子體。離子源通過雙柵極系統引出離子束流形成推力,ECR離子源中雙柵結構由屏柵和加速柵組成,屏柵為正電位,加速柵為負電位。中和器通過電子引出板引出電子,在離子束流堆積所形成的高電勢的吸引下輸運至離子束流區完成中和[18,20]。

圖1 2 cm ECRIT

1.2 2 cm ECRIT的羽流場影響因素和磁場特征

2 cm ECRIT的離子源離子束流和中和器電子束流引出時,由于離子質量比電子質量大,并且在柵極系統的作用下,離子引出幾乎不受羽流環境的影響。相比之下,電子質量輕、電子引出板孔徑較大使得電子引出束流容易受到下游靜磁場和電場的影響。

當離子源與中和器在空間安裝方位不同時,推力器下游形成的聯結磁場分布也不同,從而對引出電子的運動、電流以及中和器耦合電壓和下游靜電場分布規律產生不同的影響。而且在不同的靜電場和靜磁場分布條件下,電子漂移運動各異,進一步影響電子行為和中和器耦合電壓。因此,為了進一步分析推力器束流引出性能,計算分析離子源和中和器的相對空間方位不同時下游區域靜磁場分布規律十分重要。

本文采用有限元軟件Comsol Multiphysics 5.6中AC/DC模塊的磁場、無電流(magnetic field,no current)子模塊進行ECR離子推力器下游靜磁場計算,對于靜磁場分析做出以下假設[21]:

1) ECR離子源與中和器放電室的工作環境均為空載條件,即放電室內不存在等離子體,為大氣環境;

2) 連續性假設。首先,放電室內部各零部件及媒質為均勻材料且為各向同性,即其物理特性的參數變化能夠保持線性連續;其次,物理特性參數在其所處的物理單元內變化時也能保持線性連續。

3) 忽略導體電阻的溫度效應和磁性材料的磁滯效應。

基于以上假設,建立靜磁場有限元求解模型,進行靜磁場求解。

可得離子源和中和器內外磁環磁化方向相同(內磁環端面皆N極、外磁環端面皆S極)和相反(中和器內磁環端面N極、外磁環端面S極,離子源內磁環端面S極、外磁環端面N極)且2組件軸線平行與垂直條件下,計算下游的聯結磁場分布規律如圖2～3所示。計算參數設置如表1所示。

表1 靜磁場計算參數設置

圖2 離子源與中和器磁極相同聯結磁場分布

圖3 離子源與中和器磁極不同聯結磁場分布

從圖2～3可以看出,在離子源與中和器磁極方向一致、離子源與中和器平行時,從離子源和中和器引出的磁力線近似相互平行且磁力線方向分別指向離子源和中和器。當中和器引出電子后,電子要到達離子束流區需要跨越磁力線,電子在低加速電壓下很難完成這一動作。離子源與中和器垂直放置時,在離子源與中和器中間形成了弱場區,磁力線分布密度低,電子輸運路徑縮短。離子源和中和器引出磁力線幾乎平行并且排斥。這種情況電子仍需跨越磁力線完成對離子束的中和。在低加速電壓下,由靜磁場決定電子輸運情況,此時相較于平行放置, 垂直放置將使得電子更容易沿著磁力線輸運到離子源束流區完成對離子束流的中和。離子源和中和器平行放置且中和器磁極方向與離子源磁極方向相反時,磁力線在離子源和中和器之間實現聯結,引出磁力線大部分都將形成封閉彎曲的磁力線,會導致羽流區磁力線由中和器指向離子源,使得電子在輸運過程中,可以直接沿磁力線方向運動至離子束流區。在離子源和中和器垂直放置且中和器磁極與離子源磁極方向相反時,在離子源和中和器下游區域形成封閉連續的磁力線, 在電子輸運路徑縮短的同時電子不需要跨越平行磁力線,僅需較低耦合電壓便可沿磁力線運動到離子束流區完成中和,也使得在加速柵下游更容易形成電子橋便于離子束流中和。

通過以上靜磁場計算,可以看出在離子源和中和器磁極相反時,無論離子源和中和器處于垂直放置還是平行放置,中和器引出電子束流,都將更容易沿磁力線方向連續且以最短路徑輸運至離子源引出離子束流區域。同時在離子源和中和器軸線垂直放置的情況下,電子輸運至離子束流區域需要的運動路徑相較于平行放置縮短,離子束流將會更容易得到中和。

1.3 2 cm ECRIT束流中和實驗系統

推力器實驗系統如圖4所示,系統由真空部分、氣路部分、電路部分和微波部分構成。真空部分由旋片泵、中置羅茨泵和羅茨主泵構成前級泵和擴散泵, 維持泵構成整個真空系統,能夠滿足實驗過程中真空度保持在5×10-3Pa 。電路部分主要由屏柵電源、加速柵電源、屏柵保護電阻、加速柵保護電阻和中和器電源構成,其中屏柵和加速柵保護電阻分別串聯在兩路中,通過測量保護電阻分壓大小得出離子源屏柵引出電流Is以及加速柵截獲電流Ia,則引出離子束流Ib等于屏柵引出電流Is減去加速柵截獲電流Ia。微波部分包括固態微波源、水冷微波源、衰減器、微波隔直器、功率計和同軸線纜。離子源在中和器協助下共同工作,通過調整中和器電壓使得離子源引出離子束流與中和器引出電子束流相等,認為離子羽流得到了完全的中和。中和器電源正極接地,負極接中和器,中和器與地之間電勢差即為耦合電壓。

圖4 中和實驗系統圖

首先,實驗前需對離子源和中和器兩路微波源進行上下行標定,以降低饋入微波功率誤差。需要標定饋入離子源和中和器一端的同軸線纜,由此可得出實際饋入負載端的微波能量大小。通過多次標定求得平均值以減少誤差。在實驗開始后,需在每一種工況下測量上行和下行2組引出束流大小再求其平均值,從而進一步減少誤差影響。中和實驗中,屏柵電壓由300 V逐漸增加至1 200 V,加速柵電壓由-50 V變化至-250 V。同時固定中和器工況不變,保持在微波功率分別1 W,工質流量為0.1 mL/min;離子源功率分別為2 W和3 W,工質流量分別為0.1,0.2和0.3 mL/min下進行實驗。

2 實驗結果分析及討論

2.1 磁極相同的離子源與中和器在不同方位條件下的中和實驗

設置離子源加速電壓范圍為350～1 450 V、離子源功率分別為2和3 W、流量分別為0.1和0.3 mL/min,中和器微波功率為1 W,流量為0.1 mL/min,進行磁極相同離子源和中和器在不同方位下的束流引出實驗,離子束流引出結果如圖5所示,可以看出離子源和中和器不同方位時對離子束流引出影響不大。當離子源和中和器平行放置時,離子源功率和流量為2 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 200 V達到最大引出為6.25 mA;離子源功率和流量為3 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 450 V達到最大引出為6.5 mA。當推力器達到最大引出時,其離子束流在固定功率和流量下相對于加速電壓達到飽和狀態,繼續增大加速電壓會使得離子源內部等離子體密度降低,剩余的電子不足以提供工質電離所需的能量,繼而降低離子引出束流。當離子源和中和器垂直放置時,離子源功率和流量為2 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 200 V時,引出離子束流為6.9 mA;離子源功率和流量為3 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 450 V條件下,引出離子束流為7.5 mA。

圖5 離子源和中和器磁極相同方位不同時中和實驗的離子束流引出 圖6 離子源和中和器磁極相同方位不同時中和實驗的耦合電壓

圖6為磁極相同、離子源和中和器不同方位耦合電壓變化曲線。平行放置時, 離子源功率和流量為2 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 200 V條件下,達到最大耦合電壓35 V;離子源功率和流量為3 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 450 V 條件下,達到最大耦合電壓為70 V。垂直放置時,離子源功率和流量為2 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 200 V條件下,最大耦合電壓為6 V;離子源功率和流量為3 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 200 V條件下,最大耦合電壓為 31 V。

ECR離子源和中和器垂直放置時,正如磁場特征分析,中和器引出電子更容易沿著磁力線方向像離子束流運動完成中和,所以同一條件下垂直放置要比平行放置時的耦合電壓低,即離子束流會更容易更充分地實現中和。低的耦合電壓會減少中和器受到的離子濺射,同時降低整個系統的功耗從而提升整體性能。離子源功率增加至3 W時,同樣滿足垂直放置時要比平行放置時的耦合電壓低。

2.2 磁極相反的離子源與中和器在不同方位條件下的中和實驗

設置離子源加速電壓為350～1 450 V,離子源微波功率保持3 W不變,工質流量分別為0.1和0.3 mL/min;中和器微波功率1 W,流量為0.1 mL/min。進行離子源與中和器磁極相反且在不同方位下的中和實驗。離子束流引出結果如圖7a)所示,離子源和中和器平行放置時,離子源功率和流量為3 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 450 V條件下,最大引出離子束流為7.04 mA。離子源和中和器垂直放置時,離子源功率和流量為3 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 450 V條件下,最大引出離子束流為7.05 mA。耦合電壓結果如圖7b)所示,離子源和中和器平行放置時,離子源功率和流量為3 W,0.3 mL/min,在加速電壓1 450 V條件下,最大耦合電壓為50 V。離子源和中和器垂直放置時,離子源功率和流量為3 W,0.3 mL/min, 在加速電壓1 450 V條件下,最大耦合電壓為24 V。明顯看出離子源和中和器在磁極相反條件下束流引出效果和磁極相同條件下束流引出效果類似,離子源和中和器在2種方位下的離子束流引出十分接近,表明離子束流引出效果受磁極方向和空間位置的影響較小。

圖7 相反磁極不同方位條件下中和實驗

圖7b)中表示離子源和中和器在不同空間位置且離子源與中和器磁極相反的中和器耦合電壓變化規律,可以看出當離子源與中和器垂直放置時耦合電壓最低。然而相較于圖6b)所示結果,可以看出,改變中和器磁極方向會比調整離子源與中和器空間位置更能降低中和耦合電壓。

通過靜磁場模擬可以看出在改變中和器磁極方向后,無論離子源與中和器處于垂直放置還是平行放置,如圖3所示加速柵下游所形成的聯結磁場中磁場線連續、方向由中和器指向離子源,使電子更容易輸運至離子束流區,更容易在電子束流和離子束流之間形成連續的等離子體橋,使離子束流容易得到中和,降低離子束流區由于離子堆積所形成的較高空間電勢。同時,在離子源和中和器垂直放置時如圖3b)所示,電子運動至離子源束流區所需輸運路徑相對于兩者平行放置時變短,兩者之間磁力線指向更加明確,容易在離子束流和電子束流之間形成電子橋, 使得耦合電壓也得到了降低。

3 結 論

本文通過計算模擬2 cm ECR離子源和中和器在不同安裝方位和磁極方向條件下的聯結磁場分布規律,并實驗研究了相應的離子引出束流和中和器耦合電壓的變化規律。得出了如下結論:

1) 離子引出束流大小幾乎不受離子源和中和器的方位以及中和器磁極方向的影響。

2) 當中和器磁極方向與離子源磁極方向相反時,下游聯結磁場磁力線皆由中和器指向離子源。此時電子無需跨越磁力線而是沿磁力線輸運,易形成電子橋,從而降低了對電子輸運至離子束流區完成中和所需耦合電壓的要求。

3) 當離子源與中和器垂直放置時,電子輸運至離子束流區的距離較短,有利于完成中和,從而降低耦合電壓。

4) 當離子源和中和器磁極相反且垂直放置時,離子源功率和工質流量分別為3 W,0.3 mL/min,在1 450 V加速電壓條件下,最大耦合電壓為24 V此時離子引出束流為7.05 mA。