30cm口径离子推力器热特性模拟分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:孙明明

  为了对30cm口径LIPS - 300 推力器的热设计提出合理建议,利用有限元分析软件对LIPS - 300 离子推力器进行地面稳态及热应力分析。结果显示处于大流量点火工作状态时,离子推力器的高温部件主要是阳极筒锥段、屏栅筒以及后极靴,当推力器达到稳态后,阳极筒和后外壳锥段的热形变占主要地位。根据仿真分析得出的热设计优化结论是提高LIPS - 300 离子推力器内外部件的表面发射率是可以降低内部部件温度,并满足磁钢工作温度上限的有效方法。

引言

  30 cm 口径离子推力器( LIPS - 300 型) 是针对新一代大型桁架式结构卫星平台全电推进应用目的而研制,从推力器尺寸的变化及某些关键部组件的更新显示出这是一款结构相对较新的推力器产品,因此对LIPS - 300 的各项性能需要开展深入研究,而其热性能参数作为重要的研究方向,可以直接反映出推力器的能量损失及其所接触的航天器表面热特性,因此需要作为推力器重要的设计内容之一。在LIPS - 300 离子推力器的基础上开展热分析,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为分析结果对热设计方面会具有指导意义。

边界条件

  由于离子推力器基本原理是依靠气体放电并中和产生推力,因此热模型需要从离子推力器放电腔内部各类带有能量的粒子沉积开始进行讨论。对于环形会切场推力器能量沉积过程中占有主导地位的是等离子体云团向放电腔不同内表面的辐射。

  热边界条件的获得根据LIPS - 300 目前实际工作性能参数进行计算,LIPS - 300 目前有两种工作模式分别为大推力模式( 功率5 kW) 和小推力模式( 功率2 kW) ,文章根据推力器一般工作模式即大推力模式计算边界条件并开展分析。热边界条件计算过程根据推力器气体放电能量沉积理论编写软件生成。从理论出发首先需要考虑放电过程中各类能量粒子的产生率和损失率,从而计算各类粒子密度,并根据密度计算在不同能量沉积部件上形成的电流,最后根据电流计算出能量分布。

空心阴极发射体温度预估值

图1 空心阴极发射体温度预估值

热设计优化

  从上述结果看出,推力器稳态工作时内部温度较高,在推力器高温薄弱环节上、下磁钢处的温度范围达到了296 ~ 330 ℃的范围,这已经超出了推力器磁钢的工作允许范围。推力器若长期在此温度下工作会严重影响SmCo 永磁铁的磁性能,从而影响放电性能,导致推力器不能正常输出额定参数。其次推力器内部的放电腔即上、下阳极筒由于高温引起的形变位移也是重要考虑因素,热形变过大会导致阳极筒结构出现严重失调,从而影响推力器的放电性能。

  由于推力器属于电真空器件,工作环境为真空,因此只能考虑通过传导或辐射将推力器内部产生的热量引出,以达到降低内部器件工作温度的目的。因此增大面- 面之间的辐射换热( 即提高表面红外发射系数) 是可采取的措施。推力器现有表面均为不处理铝本色表面,其发射率为0. 16 ~ 0. 18,以提高表面发射系数为目标考虑,对推力器前后外壳内外表面,前后屏栅筒外表面,采用提高发射率手段( 提高表发射率可以采用电镀氧化物、热控涂层等多种方式) ,将上述推力器6 个表面的发射率提高至0. 75 ~ 0. 8 之间后重新开展运算,结果如图5 所示,仅给出关心部位的温度分布和热形变位移。从比对结果来看,通过提高推力器内外部件的表面发射率,可以有效降低推力器内部部件温度。推力器内部关键部件的整体温度分布得到了优化,最为关心的磁钢降温幅度一般均在100 ℃左右,在某些部位降温幅度甚至达到120 ℃左右,磁钢温度已经能够满足工作温度上限要求。

结论

  根据仿真结果来看,提高推力器表面发射系数可以有效的增大推力器内部的辐射交换热流,从而达到降低推力器整体温度的目的。目前虽尚未对30 cm 口径推力器开展热试验,但从前期对20 cm口径LIPS - 200 推力器进行的表面处理热试验结果来看,降温幅度基本在70 ~ 80 ℃。对于表面涂层的选择,电镀本色阳极化是一种简单且有效的方式,但阳极化处理在大幅提高发射率的同时,吸收率也会随之提高并且使得原有推力器表面铝本色的导电状态发生了改变,因此本着最大限度降低推力器内部温度分布的目的出发,热设计建议为在推力器内部部件( 前、后屏栅筒) 外表面可以选择采用阳极化这一稳定且较为简易的工艺进行处理,而对于推力器前后外壳外表面可以选择导电多层热控涂层镀膜,以满足外表面高发射率且低吸收率的需求,且不会破坏推力器外壳表面导电的状态。

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