电推进地面试验真空系统配置策略与研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京卫星环境工程研究所 作者:王军伟

  电推进地面环境模拟试验主要用于完成对电推进器性能和可靠性等进行测试。由于电推进羽流效应的影响,电推进地面环境试验对于试验设备提出了严格的真空抽气要求。文章通过对电推进系统工作时的试验特点、真空要求及存在问题进行分析,结合国际上电推进地面环境试验设备的发展现状与研究进展,对该类测试设备的真空系统实现配置进行研究,总结出应对该类试验所需的真空抽气策略与研究方法,为后续电推进地面环境试验设备的研制和试验测试提供参考。

  为了满足未来航天任务高性能、长寿命的空间推进要求,电推进技术的研究日益受到各国的重视,美国、俄罗斯、欧空局、日本都在加强电推进技术的研究,并已成功应用于多项空间任务,电推进技术对于深空探测及卫星长期在轨的任务具有巨大的应用前景。

  电推进系统在实际应用前需要经过全面的地面测试来验证其性能等级、使用寿命及与环境的兼容性,通过大量的环境试验可以完全的了解在不同环境状态下推进系统的性能参数和使用情况,识别和消除潜在的风险,提高其有效性和可靠性。目前国外先进研究机构和公司都建立了用于各类电推进系统地面试验的测试系统,未来电推进环境试验技术将成为电推进技术研究的重要补充。

  由于电推进羽流效应的影响,电推进地面试验对于试验设备提出了严格的真空抽气要求,特别是以氙气等惰性气体为工质的推进系统,由于氙气的特殊性对其地面试验的真空获得与维持提出了更高挑战。合理的真空系统配置可避免试验过程中气体干扰造成的试验数据偏差,避免电推进在试验过程中的溅射污染效应,因此电推进试验,特别是氙气工质电推进环境试验其真空系统配置策略是一项重要的研究课题。

1、电推进地面试验真空环境要求

  1.1、真空环境要求

  理想的真空环境应能完全复制电推进工作的实际空间状态,包括对环境气体状态(化学成分、密度、温度等)和推进器表面状态(形状、材料、温度等)都提出了较高的要求。因此,理想的真空环境状态实现成本较高。根据国外电推进环境测试的要求总结,为了准确模拟电推进试验的工作状态,其测试设备对真空环境的要求主要包括:

  1)工作真空度要求

  为保证推进器的正常工作测试设备应具有足够高的真空度,如果容器真空度太低,推进器和背景气体之间的作用会对试验数据造成干扰,造成测试试验的不准确,同时本底压力太高也会造成放电的不稳定。未来对于大功率、长寿命电推进系统,在其环境试验测试过程中,长时间稳定的获取足够高的真空度将是一项重要的关键技术。

  2)真空抽气速度要求

  电推进环境试验技术,特别是以氙气为推进工质的推进系统对于设备抽气速度的要求非常高。以波音公司XIPS 设备为例,其直径6 m,长12米,配备了30 台低温泵,与传统的热真空试验设备相比,世界最大的环境模拟器SPF 直径30 m,高37 m 也仅有26 台真空泵。根据研究,对于不同的推进器类型、功率以及试验目的均对抽气速率均提出较高的要求。

  3)工作时间要求

  电推进系统对工作寿命有更高的要求,执行时间通常需要数千甚至上万小时。因此电推进地面环境寿命测试对设备的真空维持时间与设备可靠性提出了较高的要求,测试过程中设备的真空环境需持续满足试验要求,因此设备真空系统的抽气能力和设备可靠性应满足系统长时间工作的要求。

  1.2、存在的问题

  传统的热真空试验设备真空系统不能完全满足电推进试验的真空要求,主要表现在:

  1)电推进工作时须持续通入工质,经电离后转化为高能束流喷射到真空试验容器内,特别是对于大功率电推进系统,其更高的功率意味将消耗更多的气体工质。推进工质在真空容器内经过真空系统进行抽除,意味着真空系统需具有比传统热真空试验设备更大的抽气能力才能满足电推进工作真空度的维持。

  2)对于氙气工质电推进系统,由于氙气的特殊性,传统的真空泵不能完全胜任氙气的抽除:分子泵对氙气抽速较小且成本较为昂贵;扩散泵其工作原理决定可能会对推进系统造成油污染;低温泵是传统热真空试验真空获得的主泵,但低温泵对氙气抽除能力较弱,电推进工作时的氙离子能量较大,造成低温泵作为氙气工质电推进试验的抽气主泵具有一定的局限性。

2、国外电推进试验设备真空抽气技术

  2.1、ALTA 公司IV4 测试设备

  IV4 是ALTA 公司霍尔推进器测试设备的重要部分,IV4 真空容器直径2m,总容积为8m3,设备配备四级真空抽气系统:第1 级为粗抽真空系统,主要设备包括粗抽干泵;第2 级为分子泵系统;第3 级为高真空抽气系统,主要设备包括自屏蔽低温泵;第4 级为大抽速低温抽氙系统,容器内部配备冷头驱动制冷的冷板,主要用于电推进工作时氙气的抽除。真空系统能够实现130,000 L/s 对氙气的抽速,并可以达到10-6 Pa 的极限真空。

电推进地面试验真空系统配置策略与研究

图1 ALTA 公司IV4 测试设备

  2.2、德国JUMBO 地面环境试验设备

  JUMBO 地面环境试验设备真空容器直径2.6m,长6m,体积30 m3,为了满足氙气抽除能力,该设备配置8 套抽氙低温冷头,最终可达到100,000 L/s(Xe)的抽气能力,可以满足束流功率10kW 的推进系统测试,真空泵组及其它测试设备的安装位置如图2 所示。

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图2 德国JUMBO 地面环境试验设备

  2.3、德国STG-ET 测试设备

  德国STG-ET 测试设备真空抽气系统设计可满足典型电推进器高达100 sccm 的抽气需求,设计抽速100,000~200,000 L/s(Xe)。图3 为该设备的真空系统示意图,低温泵包括7 个冷头,每个冷头对氙气的抽速为30,000 L/s,该系统后续将增加液氦系统,通过液氦增压泵实现400,000 L/s的扩展抽速。

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图3 德国STG-ET 测试设备

  2.4、日本NAL 测试设备

  该测试设备真空容器内径3 m,直筒段长3 m,副容器直径1.5 m,长0.8 m,真空容器总体积约30 m3。容器内装有冷板以有效抽除氙气,同时容器内安装热沉和和隔热材料减少对冷板的热辐射。低温冷板为卧式筒状铝结构,直径2.7m,内部通过低温制冷机驱动对其实现循环制冷。

  通过对世界先进电推进测试设备发展现状进行总结,除传统的低温泵作为主泵的测试系统配置外,为了克服抽气能力不足的局限,目前电推进地面试验设备一般采用四级真空抽气配置进行抽气。典型的真空系统配置包括四级干式无油系统,第1 级为粗抽真空系统,主要设备为罗茨机组;第2 级真空抽气为分子泵抽气系统;第3 级为高真空抽气系统,主要设备包括低温泵;第4 级为氙气抽除系统,一般通过冷头驱动冷板抽气或氦系统循环制冷冷板的方式,实现对氙气的抽除。下表1 为国外先进研究机构试验装置真空系统配置。

电推进地面试验真空系统配置策略与研究

图4 日本NAL 电推进测试设备

3、真空系统的配置设计

  低温冷头驱动冷板抽气或氦系统循环制冷冷板的方式其抽气原理与低温泵相同,都是通过低温冷凝吸附的方式抽气,所不同的是温度与冷板结构的差异。对于氙离子推进器,根据氙气的饱和蒸汽压- 温度关系图,当氙气温度达到50 K,氙气的饱和蒸气压优于10-4 Pa 的真空度。因此冷板温度不需要达到普通低温泵二级冷头的温度,只需保证驱动抽气冷板达到40~50 K 左右即可。

表1 国外测试设备真空系统配置

电推进地面试验真空系统配置策略与研究

4、结束语

  随着世界各国电推进技术的迅猛发展,电推进地面环境试验技术研究显得尤为必要。本文通过对国外先进的电推进地面环境试验真空抽气技术现状进行调研,总结出该类试验真空系统的配置、计算与数值模拟优化设计方法,为下一步我国进行先进电推进环境试验技术和测试设备研制提供参考。

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