真空热试验中离子推进器点火对真空系统的影响与对策

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

  离子推进器( 也称离子发动机、离子推力器) 在航天领域有着广泛的应用,本文简要介绍了其工作原理。在真空热试验中,离子推进器点火,会向真空室内喷射出高能粒子,严重影响容器真空度。本文依据真空系统抽气方程,绘制出了推进器点火过程中的理论抽气曲线。试验结果显示,对氩气的实际抽气曲线与理论计算结果吻合很好,而对氙气则不太理想。本文对此展开分析,同时提出了采用氙气泵来有效抽除氙气的方法。

  航天器的发展趋势极大地促进了电推进技术在航天器入轨、离轨、状态保持、精确定位及复定位、姿态控制、行星探测一次、二次推进中的应用。离子推进器属于电推进技术的一种,具有比冲高、可多次开关点火、携带燃料少、使用寿命长等优点,离子推进系统稳定、安全、无污染,推力范围较宽,应用范围较广。既可以用于大、中卫星,又可以用于小卫星;既可以用于定点卫星的姿态控制、轨道修正,又可以用于星际航行的主推进系统;既可以用于地月系统,又可以用于深空探测。离子推进器的基本结构如图1 所示。

离子推进器基本结构

图1 离子推进器基本结构

  正因为有这些优点,NASA 才把离子推进系统选为NSTAR 工程的首选推进系统。离子发动机还特别适合于小卫星,NASA 正在开发功率为0.1 ~0.3 kW 的小型离子发动机,直径只有8 cm。离子发动机非常适合于星际航行,目前比较成功的型号有休斯公司的XIPS-13、XIPS-25 以及NASA 与休斯的XIPS-30( 或NSTAR-30) 。NSTAR 发动机于1998年10 月在“深空1 号”航天器上投入使用并完成了任务,系统已经在太空正常运行超过11000 h,任务可能进一步扩展到访问其它的小行星。

 RIT22 离子发动机三维模型与实物图

图2 RIT22 离子发动机三维模型与实物图

  图2 为欧空局“BepiColombo”计划所采用的RIT22 离子推进器。离子推进器的基本工作原理是: 采用一定的方法,推进器将工质( 一般为氙气)电离成带电离子与电子,离子在1000 V 以上的静电场的作用下,加速喷射而出,由于遵守动量守恒定律,因此获得向前的推力,其原理图如图3 所示。加速后的离子流由中和器释放出来的电子中和,这非常必要,因为如果尾流带走了大量正离子,那么飞行器将带负电,使离子流减速,甚至反弹回来,影响推进器工作。中和器应放在适当位置以减少尾流中离子的飞溅,并保证有效的中和。无论哪种离子推进器,都需要有效的方法电离推进剂,因此离子发生器格外重要。常用的推进剂为氙气,但氪气和氩气等也已经被使用。

离子发动机工作原理图

图3 离子发动机工作原理图

结论

  根据某颗星离子推进器点火的真空热试验结果,得结论如下:

  (1) 真空系统低温泵对Ar 的理论抽气曲线与实际抽气曲线吻合很好,计算过程中需要注意两个数值的选定,精确的Ar 通气量和低温泵对Ar 的抽气系数,抽气系数与泵的工作状态相关,一般对Ar选取0. 5;

  (2) 推进器在试验过程中点火,Xe 原子被电离,经过电场加速喷出,而后中和器对Xe 离子中和,由于Xe 原子量大,障板流导小,携带能量高,吸附热大,低温泵对Xe 的抽速极低,为名义对N2抽速的10%;

  (3) 常用的获取高真空的泵( 低温泵、分子泵扩散泵) 均不适宜抽除Xe,目前最好的抽除Xe 的方法是采用Xe 泵,其抽气原理与低温泵相同,只是冷头温度与结构存在差异,由于Xe 泵只针对氙气,抽气能力单一,限制了其广泛应用;

  (4) 放气阶段真空度由好变坏,计算过程中表面放气量可忽略不计;放气结束后真空度由坏变好,在放气过程中真空室表面重新吸附了气体,此时计算容器内压力的变化情况需要考虑表面放气的影响。

  真空热试验中离子推进器点火对真空系统的影响与对策为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/systemdesign/105649.html

  与 真空系统 真空热试验 相关的文章请阅读:

  真空系统http://www.chvacuum.com/systemdesign/