离子推力器有效透明度的地面测量方法研究

2013-09-21 王蒙 兰州空间技术物理研究所

  在离子推力器研制过程中,栅极组件的束流引出效率对于离子推力器的性能评估具有重要意义,通常采用测量相关电流数据求得有效透明度的方法来间接反应。文章比对了两种有效透明度的地面测量方法,并采用较优的方法对稳态工作下的离子推力器进行了有效透明度的地面测量。测试中通过加入偏置电源来抑制放电室中电子向栅极逃逸,结果更加接近实际值,并分析了有效透明度对放电过程的影响。

1、引言

  离子推力器是电推进的一种,其特点是推力小,比冲高,广泛应用于空间推进,如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。其主要由空心阴极,放电室和栅极组件三部分组成,推进剂进入放电室后与空心阴极逸出的电子在放电室内磁场的作用下碰撞电离,产生的推进剂离子被栅极组件捕获后,在栅间电场的加速下高速喷出产生推力。其中,栅极组件的束流引出效率对于评估放电室和栅极组件的优化设计具有重要意义。若知道单位时间内从栅极组件喷出的推进剂离子量与注入放电室内的推进剂总量间的比例关系,就能直接了解束流引出效率。在此基础上提出了栅极组件的有效透明度的概念,反映了推力器放电室中推进剂的电离化率,栅极组件的聚焦能力。

  1.1、离子透明度概述

  其物理含义为单位时间内经由栅极组件离开放电室的Xe+数目与放电室内产生的Xe+ 总数的比值。显然,该比值等效于电流比。由于栅极组件的静电聚焦作用使得有效透明度Φα要高于屏栅的物理透明度ΦA(即栅孔面积占屏栅有效面积之比) 。在束流引出状态下,一部分Xe 离子撞击在屏栅上游表面后被中和,试验中发现在屏栅和主阴极之间附加直流偏置电源可以在不改变放电电压的情况下提高Xe+ 的束流密度,并阻止放电室内部电子向屏栅上游表面运动,因此可将屏栅上的碰撞电流看作偏置电压的函数。图1 给出了试验测得的束流电流和偏置电压的系曲线:

束电流与偏置电压的关系曲线

图1 束电流与偏置电压的关系曲线

  1.2、离子透明度测量方法

  在双栅结构的离子推力器中,准确测量离子透明度对推力器的设计和性能评估很有意义。栅极组件的有效透明度可表示为束流电流Ib的函数,传统上采用测量屏栅电流和加速栅电流来粗略估计透明度,如下式所示:

Φa = Ib/(Ib + Ia)(1)

  上述方法未考虑放电室内部离子与屏栅间相互作用产生的碰撞电流Is,介绍了一种小幅修改20 cm 离子推力器主阴极机械连接方式和附加偏置电压回路的有效透明度测量方法,该方法通过测量束流电流、屏栅碰撞电流和加速栅上电流求得离子透明度。

2、试验流程及测量结果

  2.1、试验件概述

  有效透明度测量试验是在20 cm 口径,Xe 推进剂离子推力器工程样机上进行的,根据试验需要,改装了推力器内的机械结构和电气绝缘组件。具体的改装工作包括: 用大约8 mm 的陶瓷绝缘垫片将主阴极与屏栅安装法兰进行电隔离,从主阴极和栅极组件安装法兰各引出一条聚四氟乙烯导线,同时还应注意偏置电源的悬浮接地保护。

  2.2、试验设备及试验方案

  试验在特种推进室TS-6 真空舱内进行,推力器工作状态下,真空度达到8. 1×10-3 Pa,有效透明度测量电路简易框图如图2 所示,在主阴极和屏栅之间加载高于设备10 ~ 25 V 的正偏压,以阻止放电室等离子体中的电子撞在屏栅表面或逃逸出放电室,从而更精确地测量离子电流。由此可知,偏置回路的电流即为屏栅表面的离子碰撞电流,束电流即为栅极组件引出的离子电流,将两者之和除束电流即得到推力器的有效透明度。

测试电路连接框图

图2 测试电路连接框图

4、试验结论及改进意见

  4.1、结论

  在地面试验测量离子透明度时,将偏置电压置于15 V 附近,得到的离子透明度值与放电损耗值更为适宜,可将该值作为偏置电压法测量离子透明度的参考值。

  在离子透明度和偏置电压关系曲线上,当偏置电压超过15 V 时,离子透明度有小幅度上升,但放电损耗急剧增加,存在个别的尖峰和不规则点,试验过程中发现这些尖峰点多发生于屏栅与加速栅间产生间歇性打火前后,随着试验时间的增加,推力器工况趋于稳定,不规则点出现的频率大为减小。

  4.2、改进意见

  由于本次试验时间有限,试验设备的真空度和离子推力器的工况均未达到最佳状态,至少应等待栅间打火频率大为减少或稳定后进行测量数据会更加准确有效。为防止栅间打火导致加速栅测量回路中的电流表损坏,可以尝试利用二极管分流方法对电流表进行保护。后续试验建议在15 V 的参考偏置电位下,通过改变放电电流和Xe 推进剂流率得到放电功率-离子透明度特性曲线、放电功率-中性原子特性曲线、流率-离子透明度特性曲线、推进剂利用率-放电损耗特性曲线,有益于进一步评测离子推力器的性能。