离子推力器束流下降原因分析

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

  离子推力器的推力与其引出的束流成正比,束流的大小直接确定了推力。离子推力器在点火启动后,在工作条件不变的条件下,其引出束流随工作时间而下降。为找出束流下降的原因,以离子推力器为研究对象,通过分析引起离子推力器束流下降的各种因素,并对这些因素进行分析与验证。经过对因素的分析定位,找出引起束流下降的主要原因。分析与验证表明:影响离子推力器束流下降的决定因素为栅极组件固有特性、磁场固有特性和阴极固有特性,其中阴极固有特性是导致束流下降的主要原因。

  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任务,如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等任务。离子推力器在工作启动后,其束流随工作时间的推移出现下降的现象,并且随时间推移趋于稳定。由于离子推力器引出的束流与推力成正比,其束流的下降,直接导致推力的减小,严重影响离子推力器的性能。

  离子推力器引出束流主要与离子光学系统(亦称栅极组件)、放电室推进剂流量,以及放电电流和电压相关。栅极组件的几何参数和加速电压直接影响束流的大小;放电室推进剂流量不但限制了束流极限值,而且其流量的稳定性也会引起束流的变化;放电电流大小也确定束流的大小,根据设计经验,束流通常占放电电流的20%左右,而放电电压的变化同样会引起束流的变化。从真空技术网(http://www.chvacuum.com/)调研国外文献调研来看,目前还没有关于离子推力器在启动后,束流随时间而减小的相关报道。

  为了寻找引起离子推力器在工作启动后,束流随时间下降的原因,文章通过分析影响束流下降的6个故障因素,并通过试验验证,确定引起束流下降的主要原因。

1、原因分析与验证

  1.1、影响束流下降的原因

  离子推力器在工作启动后,发现其引出束流在2 h内存在连续减小,特别是在前30 min内变化显著,如图1所示。

推力器束流下降示意图

图1 推力器束流下降示意图

  通过对离子推力器引出束流在其工作启动时,连续下降的测试数据分析,导致推力器束流连续下降的原因有6个方面的因素。其中由于条件保障原因造成的条件事件有3个:供电电源异常(X1)、气路漏气(X2)及暴露大气的影响未消除(X3);由离子推力器本身原因造成的固有事件有3个:栅极组件固有特性(X4)、磁场固有特性(X5)及阴极固有特性(X6)。

  1.2、分析与验证

  原因分析及验证如下:

  (1)供电电源异常

  首先对地面电源进行了排查,没有发现异常。并用测试的离子推力器进行了问题复现试验,试验结果基本符合。由此确认供电源处于正常状态。

  (2)气路漏气

  在进行问题复现试验前,对试验设备真空室内气路管路进行仔细的检漏,确认管路不存在漏点后开展试验,束流下降问题得到了复现。并采用2台推力器进行试验都出现这种现象,初步分析气路漏气的可能性较小。由此确认气路不漏气。

  (3)离子推力器暴露大气的影响未消除

  为了消除大气影响的测试,进行了专项试验。试验中,采用离子推力器、星用PPU电源和地面供气系统进行。先对中和器和阴极通氙气1 h,同时抽空排气;中和器和阴极再用小电流预热1 h;然后在阳极小电流下,放电起弧1 h。在离子推力器完成了消除暴露大气影响的预处理后,进行了4次室温启动工作3 h试验,如图2所示。可看出点火启动试验束流变化的重复性较好,由此认为已消除了大气的影响。

  (4)栅极固有特性的影响

  栅极组件对束流的影响分为双栅间距的热形变和栅极孔径的热形变。双栅间距变大将导致束流减小;栅极孔径变大使放电室中气体密度减小,导致束流的减小。

离子推力器室温启动3 h 点火启动试验束流特性

图2 离子推力器室温启动3 h 点火启动试验束流特性

  a. 双栅间距热形变对束流的影响

  初步估算离子推力器工作从室温到热平衡时,栅极组件双栅间距的变化对束流的影响,如图3所示。束流与双栅间距为单调减的关系。

离子推力器栅极组件双栅间距对束流的影响

图3 离子推力器栅极组件双栅间距对束流的影响

  造成双栅间距变化的因素有2种,一种是温度变化时,屏栅与加速栅间支撑高度随温度变化,使双栅间距变化,离子推力器从室温工作2 h,由于屏栅与加速栅间支撑高度随温度升高而增大,使双栅间距变大。因此,离子推力器从室温工作到热平衡时,栅极组件双栅间距使束流减小了3 mA,如图3所示;另一种是由于屏栅和加速栅温度分布不均匀,造成双栅间距变化,离子推力器从室温工作2 h,内侧屏栅温度高于外侧加速栅温度,使双栅间距变小。

  b. 栅极孔径热形变对束流的影响

  在放电室流量一定时,放电室气体密度与栅极组件气体流导成反比,初步估算时可近似认为束流与放电与栅极组件气体流导成反比。离子推力器从室温工作2 h,加速栅平均温度变化140 ℃,使加速栅极小孔直径增大,致使小孔气体流导率增大,使束流减小约1 mA。

  (5)磁场固有特性影响的排查

  离子推力器启动后,推力器放电室磁路磁铁温度将逐渐上升并趋于平衡,由于磁铁的剩磁温度系数和内禀矫顽力温度系数不为0,因此,放电室磁场将随温度变化而变化,与此对应的放电电流也将变化,引起束流变化,热平衡过渡时间通常约3 h。离子推力器热平衡实验证明:推力器由室温到热平衡,磁场变化对束流的影响不超过1%。

  (6)阴极固有特性的影响

  为了验证阴极发射性能的热效应对束流的影响,进行了使离子推力器整体处于热平衡状态引束流的试验。试验中,阴极及中和器点火启动成功后,维持放电室处于放电状态而不引出束流,持续工作3 h,当离子推力器整体巳基本达到热平衡状态时,引出束流。束流随时间变化,如图4所示,图中曲线1~3为离子推力器室温下启动直接引束流的结果,曲线4~6为离子推力器放电3 h后,再引束流的3次试验结果。

放电室放电3 h 后引束流与工作启动引束流的比较

图4 放电室放电3 h 后引束流与工作启动引束流的比较

  由图4可以看出,当推力器工作3 h后,引出的束流仍然下降约50 mA。在离子推力器整体处于热平衡状态,即磁场和机械热变已处于稳定,束流下降认为是由阴极发射体热效应造成的。试验验证了阴极固有特性对束流下降的影响。

2、分析定位

  通过上述验证分析可得:

  (1)供电电源异常、气路漏气及暴露大气的影响未消除等原因可以被排除;

  (2)因离子推力器工作时间2 h,栅极组件热效应使栅间距和栅孔径变化,使束流减小4 mA,约占工作时间2 h束流下降总值的6%,故栅极组件固有特性是造成束流下降的原因之一,但影响小;

  (3)因离子推力器工作时间2 h,磁场固有的热效应特性使束流减小8 mA,约占工作时间2 h束流下降总值的12%,故磁场固有特性是造成束流下降的原因之一,但影响小;

  (4)离子推力器工作时间2 h,阴极固有特性使束流下降约51 mA,约占工作时间2 h束流下降总值的81%。因此,阴极固有特性的影响是引起束流下降的主要因素。

3、结论

  通过对离子推力器束流下降原因的分析,经过建立故障树,并对底事件进行排查验证,分析定位,得到引起离子推力器束流下降因素有:

  (1)栅极组件的热效应引起栅间距和栅孔径的变化;

  (2)磁铁的热效应引起磁场变化;

  (3)阴极固有特性。

  其中阴极固有特性是引起束流下降的主要因素,栅极组件和磁铁也能引起束流下降,但是影响小,不是主要因素。

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