中高功率離子推力器的性能參數(shù)分析研究

張?zhí)炱?，陳娟娟，李興坤

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

中高功率離子推力器定義為輸入電功率范圍在4～40 kW之間的離子類型推力器。隨著中小功率電推進(jìn)系統(tǒng)在GEO軌道位置保持和近地小行星探測等航天器上的成功應(yīng)用［1，2］，地球衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移、空間科學(xué)探測、載人空間探測等航天使命對更高功率電推進(jìn)系統(tǒng)的需求被提上日程，世界各航天大國都在制定和實施高功率電推進(jìn)計劃，NASA針對空間科學(xué)、地球科學(xué)和載人空間探測的高功率電推進(jìn)計劃已經(jīng)實施10多年［3］，歐洲已經(jīng)發(fā)布了針對近地球物體、拉哥朗日點大型觀測站、載人火星探測的高功率電推進(jìn)發(fā)展指南［4］，俄羅斯政府已經(jīng)同意開始研制兆瓦級空間核電推進(jìn)項目［5］。由此可見，包括太陽能和核能的高功率電推進(jìn)技術(shù)是未來航天使命中最重要的支撐性技術(shù)之一。

從目前電推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)展看，離子電推進(jìn)、霍爾電推進(jìn)、磁等離子動力電推進(jìn)(MPD)、變比沖磁等離子電推進(jìn)(VASIMR)等都是高功率電推進(jìn)的主要侯選。在調(diào)研國外中高功率電推進(jìn)的基礎(chǔ)上，本文主要介紹了中高功率離子推力器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)品研制進(jìn)展，對中高功率離子推力器的主要性能參數(shù)進(jìn)行了分析研究，得到了離子推力器推力、比沖、效率等基本性能參數(shù)與功率之間的經(jīng)驗關(guān)系，應(yīng)用這些關(guān)系分析預(yù)測了中高功率離子推力器的性能極限，并得出了基于現(xiàn)有技術(shù)的離子推力器難以滿足未來高功率電推進(jìn)使命需求的結(jié)論。

2 中高功率離子推力器的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 概述

離子類型推力器包括直流放電(考夫曼)、射頻放電、微波放電(電子回旋諧振)等三種類型，在國外統(tǒng)稱為柵極離子推力器。直流放電(考夫曼)離子推力器又分為發(fā)散場和環(huán)尖場兩個子類。

國外進(jìn)行中高功率離子推力器研制的包括美國、英國、德國、日本等，其中美國以環(huán)尖場直流放電型為主，德國以射頻放電型為主，英國以發(fā)散場直流放電型為主，日本在環(huán)尖場直流放電型和微波放電型都有產(chǎn)品，但微波放電型產(chǎn)品的功率較小，沒有達(dá)到本文所定義的功率水平。

2.2 發(fā)散場直流放電型離子推力器

發(fā)散場直流放電離子推力器以英國QinetiQ公司研制的T系列為代表［6］，其獨特性包括［7］:(1)用電流線圈(螺線管)產(chǎn)生發(fā)散磁場，使得對放電室等離子體條件能夠通過磁場調(diào)節(jié)進(jìn)行實時控制;(2)內(nèi)凹曲面的三柵極系統(tǒng)，具有更好的熱穩(wěn)定性和聚焦性能;(3)三路流率單獨控制，在較寬功率范圍內(nèi)推力器性能連續(xù)可調(diào)。目前中高功率推力器只有T6，計劃用于2014年發(fā)射的貝布克倫布號(Bepicolombo)水星探測航天器［8］，產(chǎn)品額定的主要性能如表1所列［9，10］。該產(chǎn)品地面試驗驗證的上限推力和比沖分別達(dá)到230 mN、4 700 s。

表1 T6推力器產(chǎn)品性能

2.3 環(huán)尖場直流放電型離子推力器

環(huán)尖場直流放電離子推力器以美國波音公司電子通信分公司(L3公司)的XIPS系列和NASA格林研究中心(GRC)的深空探測系列推力器為代表，日本東芝公司的直流放電推力器系列也屬于該類型。其主要特點是用永久磁鐵而不是螺線管產(chǎn)生高強(qiáng)環(huán)尖磁場，不消耗電能，放電室電離效率比發(fā)散場高。XIPS系列中的中高功率推力器為XIPS-25，該產(chǎn)品應(yīng)用于波音702衛(wèi)星平臺位置保持和軌道插入已有近10年的歷史［11］。針對深空探測應(yīng)用，噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)和L3公司聯(lián)合進(jìn)行了推力器性能擴(kuò)展(增強(qiáng))試驗驗證，XIPS－25的擴(kuò)展性能指標(biāo)如表2所列［12］。

表2 XIPS-25推力器產(chǎn)品擴(kuò)展性能

GRC針對深空探測開發(fā)研制的中高功率離子推力器包括NEXT、NEXIS、HiPEP等。NEXT推力器為太陽能機(jī)器人探測使命研制，基線產(chǎn)品的主要性能如表3所列［13，14，15］，計劃中的應(yīng)用包括太陽神土星系統(tǒng)、新世界觀測、彗星表面采樣返回、新前沿等使命［15］。GRC對NEXT推力器進(jìn)行了更高功率擴(kuò)展性能試驗，驗證的擴(kuò)展性能上限為功率13.6 kW、比沖4 670 s、推力466 mN、效率78%［16］。

表3 NEXT推力器產(chǎn)品性能

在普羅米修斯計劃支持下，針對木星冰月探測(JIMO)航天器應(yīng)用的核電推進(jìn)系統(tǒng)［17］，由JPL和GRC分別研制NEXIS［18］和HiPEP［19］高功率高比沖離子推力器，NEXIS實驗室模型的最高性能達(dá)到:功率27 kW、比沖8 700 s、推力517 mN、推進(jìn)劑利用率95%、效率81%［20］，發(fā)展模型推力器采用碳柵極系統(tǒng)，進(jìn)行了2 000 h試驗，驗證的主要性能如表4所列［21］。HiPEP推力器設(shè)計為獨特的矩型放電室，采用石墨柵極系統(tǒng)，在實驗室模型上驗證的性能達(dá)到:功率10～40 kW，比沖5 970～9 600 s、推力240～670 mN、利用率95%、效率72%～80%［19］，在2 000 h試驗中HiPEP的主要性能如表5所列［22］

表4 NEXIS推力器性能

表5 HiPEP推力器性能

日本東芝公司的直流放電型離子推力器中，針對軌道轉(zhuǎn)移和星際探測應(yīng)用研制的IES-35達(dá)到中高功率水平，在實驗室模型5 000 h試驗中的性能為功率3.3 kW，比沖3 518 s、推力150 mN、推進(jìn)劑利用率90%［23］，驗證的擴(kuò)展性能如表6 所列［24］。

表6 IES-35推力器性能

2.4 射頻放電型離子推力器

射頻放電離子推力器以德國Astrium EADS公司研制的RIT系列為代表，獨特性包括:用射頻電流線圈產(chǎn)生等離子體，在較寬功率范圍內(nèi)推力器性能連續(xù)可調(diào)。目前中高功率推力器只有RIT-22，針對水星探測Bepicolombo使命，該推力器完成了5 000 h試驗，產(chǎn)品的主要性能如表7所列［25，26］。

表7 RIT-22推力器產(chǎn)品性能

俄羅斯和德國正在聯(lián)合研制核電推進(jìn)系統(tǒng)的RIT-45離子推力器，計劃用于月球和火星輸運飛船。以保證50 000 h工作壽命為目標(biāo)，研制的RIT-45實驗室模型的性能如表8所列［5］，驗證的最高功率和推力分別達(dá)到57 kW、1 300 mN。

表8 RIT-45推力器產(chǎn)品性能

2.5 微波放電型離子推力器

中小功率微波放電型離子推力器的產(chǎn)品研制以日本μ系列為代表［27］，例如在隼鳥航天器上成功應(yīng)用的μ-10，但還沒有研發(fā)中高功率產(chǎn)品的計劃。目前只有NASA在普羅米修斯計劃中與HiPEP離子推力器同步開展過15 kW微波放電推力器原理樣機(jī)的研制，在2.45 GHz微波頻率和42 sccm氙氣流率下的放電室性能為［28］:放電電流隨微波功率線性增加，95%推進(jìn)劑利用率下最大放電電流達(dá)到2.9 A，放電功率1 750 W。

2.6 其他研制工作

上世紀(jì)90年代，JPL和GRC就開展過中高功率離子推力器研制，JPL在30 cm環(huán)尖場離子推力器上驗證了功率5.1 kW、比沖3 310 s、推力201 mN、效率64.3%的工作性能［29］。GRC在30 cm發(fā)散場離子推力器上完成了功率10 kW、比沖4 220 s、推力330 mN、效率68%的567 h性能和壽命評價試驗［30］。

本世紀(jì)初GRC針對星際探測使命和核電推進(jìn)計劃進(jìn)行過76 cm氪離子推力器研制嘗試［31，32］，目標(biāo)功率10～30 kW、比沖10 000 s。該研制工作沒有持續(xù)下去，也沒有形成離子推力器產(chǎn)品。

2010年NASA支持開展了高功率大推力離子推力器研制工作，目標(biāo)為推力器束直徑50 cm、功率范圍7～25 kW、效率70%以上、功率比推力達(dá)到50 mN/kW。

3 中高功率離子推力器的性能參數(shù)分析

3.1 基本性能參數(shù)分析

離子推力器的基本性能參數(shù)包括功率、推力、比沖、總效率，基于表1～8中數(shù)據(jù)(性能參數(shù)均取高限值)，可以得到中高功率推力器性能參數(shù)與功率之間的關(guān)系，下面分別討論。

(1)推力與功率關(guān)系

推力與功率之間關(guān)系如圖1，由試驗數(shù)據(jù)和擬合曲線可見，推力與功率之間成線性關(guān)系，其擬合曲線方程為:

圖1 推力與功率關(guān)系

中高功率離子推力器的推力和功率之間的線性關(guān)系可以從兩個方面理解。一是基于能量轉(zhuǎn)換效率的直接關(guān)系式(2)?？梢娫诒葲_和效率保持相對不變的情況下，推力和功率之間為線性關(guān)系。

二是離子推力器的推力與束電流和束電壓之間的關(guān)系式(3)。對中高功率離子推力器，功率中的很大部分被用于束流離子的加速，而只有很少部分用于產(chǎn)生等離子體，這就意味著絕大部分功率用于直接產(chǎn)生推力，由此呈現(xiàn)出推力與功率之間的近似線性關(guān)系。

(2)總效率與功率關(guān)系

總效率與功率之間關(guān)系如圖2所示，由試驗數(shù)據(jù)和擬合曲線可見，盡管在5 kW附近試驗數(shù)據(jù)比較離散，但整體上總效率與功率之間基本成線性關(guān)系，其擬合曲線方程為:

圖2 總效率與功率關(guān)系

離子推力器的總效率決定于推進(jìn)劑利用率和推力器電效率的乘積，具體表達(dá)式為:

推進(jìn)劑實際利用率一般保持在90%左右，這是提高效率和降低雙荷離子影響及離子生產(chǎn)成本的折中結(jié)果。電效率為束流功率與總功率之比，隨著推力器功率增大，總功率中的更大比例份額被用于束流離子的加速，也就是電效率隨功率增大而提高，所以總效率隨功率增大而提高。5 kW附近試驗數(shù)據(jù)比較離散，主要原因有兩方面:一是不同離子推力器類型差異;二是推力器處于不同成熟度狀態(tài)，一般來說，成熟度高的產(chǎn)品的推進(jìn)劑利用效率選擇都相對較低，以滿足工程應(yīng)用的長壽命需求。

(3)比沖與功率關(guān)系

圖3為比沖與功率之間關(guān)系，由試驗數(shù)據(jù)和擬合曲線可見，比沖與功率之間關(guān)系略為復(fù)雜，在20 kW以下，比沖隨功率增大而增大，20 kW以后比沖基本趨于飽和?？梢杂枚味囗検綌M合試驗數(shù)據(jù)，擬合方程為:

圖3 比沖與功率關(guān)系

實際上，比沖與功率的這種關(guān)系不難理解。因為離子推力器的比沖在本質(zhì)上決定于束流離子的噴射速度，也就是直接與束電壓相關(guān)，如式(7):

離子推力器的最高束電壓要受到柵極系統(tǒng)的擊穿場強(qiáng)限制。當(dāng)柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計和間距確定后，實際推力器的束電壓取值決定于兩方面的考慮:一是防止柵間發(fā)生場擊穿的安全裕度，二是額定功率下推力與比沖優(yōu)化折中，因為比沖越高，推力越小。因此，決定比沖的束電壓不會隨功率增大而單調(diào)增加，最大到柵極場擊穿安全裕度容許值后，就不能再增大了。

3.2 柵極系統(tǒng)和放電室性能主要參數(shù)分析

離子推力器除了基本性能參數(shù)外，其他比較重要的性能參數(shù)分別對應(yīng)于柵極系統(tǒng)和放電室，其中柵極系統(tǒng)的主要性能參數(shù)為流導(dǎo)和束流密度，放電室的主要性能參數(shù)為推進(jìn)劑利用率和離子生產(chǎn)成本。下面分別討論。

(1)流導(dǎo)與功率關(guān)系

流導(dǎo)表征了柵極系統(tǒng)在一定加速電壓條件下的束流引出能力，其最大值(極限流導(dǎo))決定于柵極系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和被加速離子的性質(zhì)，其物理意義是在考慮空間電荷效應(yīng)下的離子極限引出能力。一般來說，柵極系統(tǒng)的設(shè)計為比沖和工作流導(dǎo)參數(shù)折中，因為柵極間距越小，流導(dǎo)越大，但柵間擊穿電壓減小(比沖減小)。柵極系統(tǒng)工作流導(dǎo)的計算式為:

工作流導(dǎo)與功率關(guān)系如圖4所示，試驗數(shù)據(jù)比較分散。圖中分別給出了數(shù)學(xué)平均值曲線和指數(shù)衰減擬合曲線，平均值為 3.34×10－5A/V2/3，擬合曲線為:

圖4 柵極系統(tǒng)工作流導(dǎo)與功率關(guān)系

(2)束流密度與功率關(guān)系

束流密度定義為束電流與柵極有效面積之比，計算式為:

束流密度與功率關(guān)系如圖5所示，試驗數(shù)據(jù)比較分散。要直接建立束流密度與功率關(guān)系還缺乏理論依據(jù)，因為決定束流密度更多地是考慮了柵極系統(tǒng)工作壽命。但作為一種分析估算，圖中給出了數(shù)學(xué)平均值曲線，平均值為 4.08×10－3A/cm2。

圖5 柵極系統(tǒng)束流密度與功率關(guān)系

(3)推進(jìn)劑利用率與功率關(guān)系

推進(jìn)劑利用率定義為進(jìn)入放電室推進(jìn)劑原子中被電離并且被柵極系統(tǒng)引出成為束流離子的比例，圖6給出了推進(jìn)劑利用率與功率之間的關(guān)系，試驗數(shù)據(jù)非常離散。圖中分別給出了數(shù)學(xué)平均值曲線和線性擬合曲線，平均值為86.1%，線性擬合曲線為:

圖6 推進(jìn)劑利用率與功率關(guān)系

(4)離子生產(chǎn)成本與功率關(guān)系

離子生產(chǎn)成本定義為產(chǎn)生一個被柵極系統(tǒng)引出的束流離子所需要的放電功率。圖7所示給出了離子生產(chǎn)成本與功率之間的關(guān)系，試驗數(shù)據(jù)非常離散。圖中給出了數(shù)學(xué)平均值曲線和線性擬合曲線，平均值為192.1 A/W，線性擬合曲線為:

圖7 離子產(chǎn)生成本與功率關(guān)系

3.3 中高功率推力器的性能參數(shù)上限分析

在一級近似下，離子推力器的放電過程、離子引出過程、束流中和過程可以相互獨立設(shè)計，這一最突出特點也為分析和討論中高功率推力器的性能參數(shù)上限提供了可能。

(1)性能上限約束條件

中高功率推力器性能上限的約束條件主要包括柵極直徑、束(屏柵)電壓、工作流導(dǎo)和束流密度、推進(jìn)劑利用率和離子生產(chǎn)成本等。

柵極直徑約束主要源于柵極的可制造性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，特別是發(fā)射振動環(huán)境和工作熱循環(huán)條件下的柵極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，以確保柵極的間距、對中性、曲面形狀不變，使得柵極系統(tǒng)的設(shè)計性能、可靠性和工作壽命得以實現(xiàn)。按照目前的柵極材料選擇、結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計及可制造性考慮，取柵極直徑上限為60 cm是合理的。

束電壓約束主要源于柵極間擊穿場強(qiáng)及安全裕度考慮。極限束電壓與柵極材料、間距、孔徑等相關(guān)，考慮工程安全裕度并參考推力器試驗數(shù)據(jù)后，目前柵極設(shè)計水平和工程可用前提下，取屏柵電壓上限4 500 V比較適當(dāng)。

實際工作流導(dǎo)決定于總加速電壓和束流大小，與束流密度相關(guān)。束流密度的大小是柵極工作壽命和束流引出能力(工作流導(dǎo))優(yōu)化折中的結(jié)果，因為束流密度越大，工作流導(dǎo)越高，交換電荷離子對加速柵的濺射腐蝕越嚴(yán)重，工作壽命越短。從保證工程應(yīng)用長壽命考慮，對工作流導(dǎo)和束流密度取平均值是合理的，即分別取圖4 中的3.34×10－5A/V2/3和圖5 中的4.08×10－3A/cm2。

理論和試驗都表明，推進(jìn)劑利用率和離子生產(chǎn)成本之間存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，如圖8所示［1］。在90%以上再要提高推進(jìn)劑利用率，必須以較大幅度的離子產(chǎn)生成本為代價，這不僅影響推力器總體效率，也會影響放電室工作壽命。放電室性能優(yōu)化的主要目的就是在保持適當(dāng)離子產(chǎn)生成本的情況下實現(xiàn)推進(jìn)劑利用率的最大化。從圖6和圖7可見，雖然推進(jìn)劑利用率和離子生產(chǎn)成本都有隨功率增大而增加的趨勢，但考慮到20 kW以上推力器的產(chǎn)品成熟度較低，工作壽命考慮和評價遠(yuǎn)不充分，所以對推進(jìn)劑利用率和離子生產(chǎn)成本取平均值更為穩(wěn)妥些，即分別取圖6中的86.1%和圖7中的192.1 W/A。

(2)性能上限預(yù)測

基于前面確定的中高功率離子推力器性能上限約束條件，對中高功率推力器性能參數(shù)上限分步進(jìn)行預(yù)測分析:

第一步，由柵極(束流)直徑上限和平均束流密度，利用式(10)計算束流上限，計算結(jié)果為11.5A;

第二步，由束流上限和平均工作流導(dǎo)，利用式(8)計算總加速電壓上限，計算結(jié)果為4 900 V，也就是屏柵電壓4500 V、加速電壓－400 V;

圖8 離子產(chǎn)生成本與推進(jìn)劑利用率關(guān)系

第三步，由平均推進(jìn)劑利用率和束流上限計算放電室推進(jìn)劑流率，計算結(jié)果為185 sccm;

第四步，由平均離子產(chǎn)生成本和束流上限計算放電室放電功率，計算結(jié)果為2 210 W;

第五步，由束電壓和束電流計算束功率，計算結(jié)果為51.75 kW;

第六步，取中和器流率為放電室流率的10%，計算總流率，計算結(jié)果為20.0 mg/s(203.5 sccm);

第七步，作為一級近似，忽略中和器、陰極、加速等電源功率，中高功率離子推力器的功率上限為束功率和放電功率之和，即54 kW;

第八步，用擬合方程(1)得到對應(yīng)的上限推力為1 100 mN;

第九步，根據(jù)比沖的定義(推力與總流率之比)，計算得到上限比沖為5 610 s;

第十步，應(yīng)用式(2)得到總效率為56%。

4 結(jié)論與展望

當(dāng)前國外正在研制的中高功率離子推力器的功率已經(jīng)達(dá)到35 kW，通過對這些中高功率離子推力器的性能參數(shù)分析，得到了離子推力器推力、比沖、總效率、工作流導(dǎo)、束流密度、推進(jìn)劑利用率、離子生產(chǎn)成本等性能參數(shù)與功率之間的檢驗關(guān)系?；谶@些關(guān)系，分析預(yù)測在目前技術(shù)水平下的中高功率離子推力器上限性能參數(shù)為功率54 kW、推力1 100 mN、比沖5 610 s、效率56%、束流直徑60 cm。

符號說明

相對未來核電深空探測MW級功率電推進(jìn)應(yīng)用需求而言，基于目前技術(shù)的離子推力器，無論在功率還是比沖方面都存在明顯的差距。一方面，用20臺束流直徑60 cm的離子推力器組陣達(dá)到1 MW，存在航天器工程設(shè)計和結(jié)構(gòu)布局的困難;另一方面，不到6 000 s的比沖，使得對速度增量需求較大的使命，需要攜帶的推進(jìn)劑量太大。顯然，離子推力器要滿足未來高功率應(yīng)用需求，必須尋找新的技術(shù)途徑，例如采用雙級4柵極離子推力器技術(shù)［33，34］，由此可以克服雙極系統(tǒng)或三極系統(tǒng)在比沖和電流密度之間需要折中的難題，同時實現(xiàn)高比沖和高功率。

［1］張?zhí)炱?國外離子或霍爾電推進(jìn)技術(shù)最新進(jìn)展［J］.真空與低溫，2006，12(4):187～193.

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