碘工質霍爾推力器原理與研究進展

徐宗琦，華志偉，王平陽，康小錄

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院, 上海 200240；2.上?？臻g推進技術研究所, 上海 201112；3.上?？臻g發(fā)動機工程技術研究中心，上海201112)

0 引言

近年來，隨著航天技術的不斷發(fā)展，電推進技術的不斷成熟，越來越多的電推力器正在被各國航天界開發(fā)與研制。相比于傳統(tǒng)的化學推力器，電推力器具有比沖高、壽命長、結構緊湊以及體積小等特點，在衛(wèi)星姿態(tài)控制、軌道修正、軌道保持與動力補償?shù)确矫婢哂酗@著的應用前景。

電推力器利用電能加熱或電離工質產(chǎn)生等離子體，并通過電磁場加速機制使其高速噴出而產(chǎn)生推力。在眾多電推力器中，霍爾推力器因其結構簡單、易于操作、工質利用率高而受到廣泛關注，尤其是中功率霍爾推進技術自上世紀60年代以來在理論和實驗上取得了很大進步。

目前，從高功率至低功率甚至微功率的霍爾推力器大多采用氙氣作為工質氣體，并獲得較好的推力器性能，滿足大多航天任務需要[1]。同時，國內(nèi)外很多研究者正致力于能夠多模式工作的霍爾推力器研究[2]。然而，盡管氙氣在諸多方面具有較大優(yōu)勢，但其在自然界儲量很少，獲取難度較大且成本很高。因此，尋求可替代氙氣的推進工質對于未來的推力器發(fā)展具有重要意義。

2006年，美國首次將霍爾推力器(Busek BHT-200)應用于TacSat-2衛(wèi)星，但該推力器采用Xe作為工質。2011年首次報道在地面測試了碘工質霍爾推力器BHT-200[3]。隨后，更高功率的碘工質霍爾推力器BHT-1000[4-5]和BHT-8000[6-7]相繼被測試。測試結果顯示，此推力器的陽極效率超過65%，采用碘作為工質時的羽流發(fā)散角小于氙氣，且在遠場處，羽流衰減作用較明顯。因此，可以看出碘作為電推力器工質具有潛在優(yōu)勢。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)只有哈爾濱工業(yè)大學初步報道了碘工質電推進技術研究[8]，國外主要有3個碘工質霍爾推進系統(tǒng)研究機構，分別是NASA格林研究中心、NASA馬歇爾空間飛行中心及Busek有限公司[9-10]。

哈爾濱工業(yè)大學的研究團隊預估并對比了分別采用氙氣和碘完成小行星探測任務以及載人火星探測任務所需的推進劑質量和成本，并從碘的基本物性出發(fā)，深入分析了將其作為推進劑的合理性與可行性，提出了3種碘工質儲供系統(tǒng)的設計方法，分別是儲罐溫度控制法、熱節(jié)流法以及壓力控制法，闡述了各方法的原理與優(yōu)缺點。

國外關于碘代替氙氣作為電推力器工質的研究已經(jīng)超過數(shù)十年。在此期間，從用于地球同步轉移軌道(GTO)的衛(wèi)星(10～100 kg)至用于地球同步軌道(GEO)的衛(wèi)星，甚至用于單次發(fā)射并星際航行的衛(wèi)星均被考慮采用該推力器。2012年，空間系統(tǒng)參數(shù)評估的聯(lián)合建模小組首次完成了低成本碘工質霍爾推力器的詳細概念設計[11]。該模型為裝有改進型的BHT-200霍爾推力器和重新改裝集成的緊湊PPU的6U航天飛行器。雖然最初在提出該設計思想時存在諸多問題，如做出較多假設并需要大量的工程開發(fā)工作，但是可以看出，碘工質推進技術可以實現(xiàn)低成本、高價值的經(jīng)濟效益。

BHT-200型推力器壽命超過1 800 h，推進劑攜帶量超過6 kg[12]，在標準工作條件下的陽極效率為48%。當放電功率為500 W時，推力峰值能夠達到25 mN，當額定放電功率為200 W時，推力峰值為12～14 mN。當放電電壓為150 V時，推力功率比為75 mN/kW；當放電電壓為額定電壓時，推力功率比為65 mN/kW，比沖大約為1 500 s。同時，當放電電壓為400 V時，比沖超過2 000 s。通過法拉第探針對電流密度進行診斷發(fā)現(xiàn)，碘蒸氣放電時羽流發(fā)散角較小，羽流中雙原子離子存在較多[13]。推力器工作狀態(tài)改變時，相對于推力器中心軸不同角度位置處的二聚物數(shù)量也相應發(fā)生改變。

BHT-1000型推力器的性能與原先同功率霍爾推力器的測試數(shù)據(jù)相一致，碘蒸氣放電與氙氣放電相比，產(chǎn)生的比沖略低而推力功率比較高，推力器效率也較為接近。通過羽流診斷發(fā)現(xiàn)其離子束流發(fā)散角較小，例如，在30°半角范圍內(nèi)能夠捕獲90%的碘離子，而在相同條件下能捕獲86%的氙離子。測試中還發(fā)現(xiàn)，通過安裝羽流屏蔽裝置可以有效地減小羽流離子發(fā)散角，BHT-8000型推力器的功率為2～10 kW，高功率的碘工質推力器陽極效率略低，實驗中以碘作為漂浮率標定時可能引起很大的測量誤差。

使用碘工質作為推進劑時，存在若干重要問題：羽流中碘離子所帶電勢與飛行器表面形成電勢差，影響電子設備的正常工作；飛行器工質供應系統(tǒng)與碘工質陰極的匹配設計與優(yōu)化；推進劑沉積與飛行器表面腐蝕。對于小型飛行器，主要考慮其操作性而可以忽略工質沉積問題。由于陰極的作用就是提供電子與陽極形成軸向電場并中和噴出的離子，為降低碘工質推力器的復雜程度，馬歇爾空間飛行中心采用碘作為主推力器的工質并采用氙氣作為陰極，發(fā)現(xiàn)推力器仍能正常工作[14]。

Busek公司也分別對由六硼化鑭和晶態(tài)陶瓷C12A7制成的電極發(fā)射裝置的空心陰極進行了測試，發(fā)現(xiàn)后者更適合應用于小型飛行器，由C12A7制成的陰極在室溫下就可正常穩(wěn)定工作而不需要加熱器?？屏_拉多大學對C12A7的研究發(fā)現(xiàn)，該陰極能夠正常工作超過50 h，并且未發(fā)現(xiàn)退化跡象。另外，處理過的C12A7更能夠耐腐蝕[15]。

美國空軍研究實驗室建立了碘的碰撞輻射模型，分析碘各種粒子之間的碰撞輻射截面，發(fā)現(xiàn)羽流中存在碘分子、碘陽離子以及單質碘離子，研究了粒子之間的碰撞輻射特性[16]。

綜上所述，國外研究學者對碘工質霍爾推力器的研究表明，在所有電推力器功率級上，碘工質的性能均可以和氙氣工質的性能相比擬，尤其是碘蒸氣放電時能夠獲得更高的推力功率比和更小的羽流發(fā)散角，但比沖略微減小。因此，碘工質霍爾推力器具有很高的研究價值。

2 工作性能及原理

2.1 推力器的推力、比沖及效率

航天器推進系統(tǒng)中，推力、比沖及效率是衡量推力器性能的重要標準，也是判斷推進劑質量的重要依據(jù)。推力器的推力可表示為：

(1)

(2)

(3)

式中:P為推力器輸入功率，且P=UJ，其中U和J分別為放電電壓和放電電流；ηm由許多氣體放電參數(shù)決定，其中最重要的是氣體的電離能，即產(chǎn)生離子-電子對所需的最小能量。在獲得相同能量條件下，低電離能的推進劑能夠電離出更多離子，因此更具優(yōu)勢。原子氣體相比分子氣體具有的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面[16]：分子具有較高的內(nèi)能，電離時消耗更多的能量；由分子形成的正離子極易與高速游離的電子復合成中性粒子，造成大量低能量電子沉積，無法與分子發(fā)生碰撞電離。因此，最佳的推進劑為質量大、電離能低的原子氣體，并在通常溫度下保持穩(wěn)定的壓強。從以上分析可知，氙氣比碘更有優(yōu)勢，但是氙氣的儲量和成本問題嚴重地影響其應用。因此，考慮碘代替氙很有必要。

2.2 推力器的工作原理

碘工質霍爾推力器與傳統(tǒng)氙氣霍爾推力器的結構組成與工作原理基本相同，它的主要特點就是采用固體碘作為推力器的工質，首先通過陽極加熱使其升華為碘蒸氣，然后在放電室中電離為碘離子，最后在電場的作用下高速噴出產(chǎn)生推力。碘工質霍爾推力器的推進劑供應系統(tǒng)具有顯著特點，主要由推進劑儲箱、石英玻璃氣體分配器、推進劑放電室、推進劑溫控輸運管路及溫控質量流量控制器等組成，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 推進劑供應系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 The structure of propellant feed system

固體碘工質被儲存在帶有溫控的真空密封儲箱中，儲箱由外表面覆蓋聚四氟乙烯的鋁制成。與帶有高壓氣瓶的氙氣工質推進劑相比，碘蒸氣壓強較低且密度較高，儲箱的體積和質量均能夠大幅度減小。航天器入軌后失去重力作用，推力器工作時，推進劑不斷減少，儲箱中存在剩余推進劑的漂浮顆粒。因此，需要在儲箱的出口位置安裝由玻璃或者多微孔陶瓷材料制成的氣體分配器，防止大顆粒碘晶體(>100 μm)漂浮進入放電室，且要保持其溫度高于儲箱溫度。碘蒸氣通過氣體分配器進入推進劑輸運管路中，為防止碘蒸氣凝結為固體顆粒，管壁溫度應高于推進劑儲箱溫度。同時，輸運管路應采用含有鉻鎳的不銹鋼合金或陶瓷等抗腐蝕材料，避免某些不銹鋼材料在高溫狀態(tài)下與碘發(fā)生化學反應。帶有溫控的質量流量控制器連接限流閥，保證推進劑保持穩(wěn)定流率。碘工質霍爾推力器最重要的特點是推進劑供給系統(tǒng)需要保持一定的溫度，保持碘以氣體形式在管路中流動[17]。

與傳統(tǒng)的氙氣霍爾推力器相比，使用碘作為推進劑最重要的就是控制推進劑供給系統(tǒng)溫度，且蒸氣壓隨著溫度的降低而減小，因此通過直接控制溫度能夠間接控制推進劑的流量。典型的小型傳統(tǒng)霍爾推力器中氙氣的流量長時間保持低于10 mg/s，然而，對于碘工質霍爾推力器，若要產(chǎn)生相同的流量，需要在推進劑儲箱周圍安裝冷卻系統(tǒng)，通過調節(jié)溫度來控制蒸氣壓的大小，從而調節(jié)碘的質量流量。當溫度降低到碘的凝固點以下時，蒸氣壓逐漸降低為零，最終推進劑停止流動。碘升華的吉布斯自由能為19.3 kJ/mol，10 mg碘單質的物質的量為3.94×10-5mol，于是推力器工作過程中只需要消耗0.76 W的電能就能夠維持放電所需溫度，這部分能量相比于電離工質氣體所消耗的能量是可忽略的。

3 性能比較

在元素周期表中，碘元素與氙元素相鄰，因此相對原子質量相差不大，但物理性質卻相差很大。在自然界中，碘通常以雙原子分子的形式存在，而氙是單原子分子氣體，在氣體放電過程中，絕大多數(shù)碘分子首先分解為碘原子，然后電離為碘離子。目前，選擇氙氣作為推進劑工質是基于其相對原子質量較大，電離能較低，且化學性質穩(wěn)定。自然界中氙元素的儲量很少，并有著很高的商業(yè)應用價值，比如電子工業(yè)以及照明設備等，因此導致每千克氙氣上千美元。自然界中碘元素的含量約為氙元素的25 000倍，單質碘的成本低于氙氣的1/10。由單質碘分解得到的碘原子具有與氙相近的質量和電離能。碘原子與氙原子的物理性質如表1所示。

表1 碘原子和氙原子的物理性質

通過表1可以看出，單質碘以固態(tài)的形式儲存時，其密度約為氙氣的3倍，而且其在推力器工作溫度下的蒸氣壓低于1 atm，所以其儲箱更輕，成本更低[18]。另外，碘在非低溫狀態(tài)下被壓縮，容易模擬空間環(huán)境進行地面實驗，高純度的I2也比高純度的Xe成本低。

I和I2與電子發(fā)生非彈性碰撞而電離，其電離表達式為：

I和I2的電離能分別為10.45 eV和9.4 eV，而Xe的電離能為12.1 eV[19]，單個粒子的I和I2的電離碰撞橫截面積大于Xe，其值大約分別為6.0×10-16cm2和12.3×10-16cm2[20-21]，而Xe約為5.0×10-16cm2[22]。非彈性散射也能導致碘分子分解，其分解電離表達式為：

早期Busek對BHT-200型推力器進行的研究發(fā)現(xiàn)，工質選用碘和氙時，相同條件下推力器效率幾乎相同，但氙工質的推力與功率比值稍大[4]。相似的結論在其他推力器的研究中也有發(fā)現(xiàn)，如標準狀態(tài)下工作的BHT-1000[6]。

表2 碘電離產(chǎn)物相對比值

將霍爾探針放在不同位置測得各成分含量的結果是不同的。另外，推力器工作條件的不同也會導致各粒子數(shù)密度的不同，離子電流與二聚物的數(shù)密度有關。通常條件下，推力器的比沖隨著二聚物數(shù)量的增多而減小，推力與功率的比值隨著二聚物數(shù)量的增多而增大。然而，多重電離的高價離子(I2+，I3+)與其起到相反的效果。

4 關鍵技術

相比于傳統(tǒng)的氙氣霍爾推力器，碘工質霍爾推力器的關鍵技術主要有以下幾個方面：工質供應系統(tǒng)的設計、磁場位型的設計以及空心陰極的設計。

4.1 工質供應系統(tǒng)的設計

由于Xe和I2在霍爾推力器中儲存和輸運狀態(tài)不同，其工質供應系統(tǒng)的設計也有區(qū)別，主要體現(xiàn)在工質供應系統(tǒng)溫度控制和材料的選擇。

4.1.1 溫度的控制

Xe必須儲存于高壓容器和低溫環(huán)境，而I2以固體的形式儲存，以氣體的形式輸運。通過溫度的控制使儲箱中的固態(tài)碘升華為氣態(tài)，然后碘蒸氣進入放電室與電子碰撞發(fā)生電離，該合適的溫度大約為80～100℃。同時，碘蒸氣傳輸管路和氣體分配器也需要保持合適的溫度，防止碘蒸氣凝結為固體附著在管壁和氣孔內(nèi)，造成氣孔的堵塞[26]。儲箱中固體碘推進劑的加熱方式可以考慮以下幾種形式：

1)總體加熱，即采用電加熱絲纏繞儲箱及輸運管路進行加熱。

2)分成加熱單元加熱，即隨著推力器工作時工質的消耗，儲箱加熱位置不斷變化。

3)輻射加熱，即在儲箱內(nèi)壁安裝加熱片，熱輻射固體碘表面使其升華。

另外，儲箱周圍還需搭載冷卻系統(tǒng)，通過對I2的冷卻減小蒸氣壓，實現(xiàn)工質的流量控制以及推力器的關機。在此，可考慮通過在儲箱及管路周圍安裝電加熱片來提高整個供應系統(tǒng)的溫度，通過在儲箱周圍安裝水冷系統(tǒng)來降低工質溫度。

4.1.2 材料的選擇

碘元素作為一種鹵族元素，化學性質活潑，易與很多物質發(fā)生化學反應，尤其在潮濕環(huán)境下會造成金屬表面的腐蝕。因此，推力器工質供應系統(tǒng)金屬材料的選擇直接影響推力器的壽命。國外有研究表明采用陶瓷材料或摻有鉻鎳的不銹鋼合金材料能夠有效減輕碘造成的腐蝕，保證推力器長時間在軌運行[24]。當進行地面原理樣機實驗時，碘工質輸送管路材料需要能夠承受一定的壓力，并安裝控制閥，保證通風環(huán)境，安裝碘探測器，防止碘中毒。

4.2 磁場位型的設計

霍爾推力器是以電磁聯(lián)合工作為基礎，合適的電場與磁場結構是推力器正常工作的前提，直接決定著推力器的內(nèi)部工作過程和工作性能。電場的構造也主要由磁場分布決定。

當用I2作為推進劑時，由于其電離會產(chǎn)生多種粒子，且質量與Xe不同，所以應考慮研究一種合理的磁場位型使I2能夠最大程度電離。同時，放電通道長度也應做出相應調整，使幾何結構與磁場分布匹配。另外，碘蒸氣是一種電負性氣體，其特點是非金屬性強，電離后形成的離子極易與電子碰撞復合為中性粒子而無法被電場加速，影響工質的電離率、束流發(fā)散角、推力器的推力及比沖性能。

進行磁場位型設計時，可首先通過有限元仿真軟件模擬磁場空間分布，確定電離區(qū)與加速區(qū)的位置，然后模擬I2放電的全過程，得到放電室內(nèi)各等離子體參數(shù)大小以及空間分布，重點分析電子數(shù)密度、離子數(shù)密度和離子速度的分布，計算出推力和比沖范圍以及變化趨勢，最后對磁場位型的合理性進行評估，為實驗提供參考依據(jù)，最終通過實驗確定合適的磁場位型。

4.3 空心陰極的設計

空心陰極的工質和功率消耗占推力器整體效率及比沖損耗的重要部分?？招年帢O設計的目的是最大程度地降低陰極功耗和工質流率，同時保證陰極的電子發(fā)射能力和工作壽命，滿足推力器工作的需要。

碘工質霍爾推力器的空心陰極也需要從發(fā)射體、孔板、觸持極以及加熱器等主要組成結構部件考慮，其散熱問題也是影響推力器正常工作的關鍵問題。因此，采用I2作為空心陰極工質的研究是非常復雜的，需要深入分析。國外有學者在對碘霍爾推力器進行實驗研究時，空心陰極仍采用氙氣作為工質，并發(fā)現(xiàn)推力器仍能夠正常工作[10]。Busek公司采用BaO陰極進行點火測試，工作時長大約50 h未出現(xiàn)較大問題，但工作更長時間的可靠性還需進一步評估。

空心陰極是制約推力器壽命的關鍵部分，對其研究還需從理論和實驗兩方面展開。

5 未來工作

與傳統(tǒng)的霍爾推力器相比，碘工質霍爾推力器具有很大的發(fā)展空間。其特點是不僅成本低，具有良好的經(jīng)濟效益，而且電離率高，離子束流發(fā)散角小，推力與功率比值大。雖然將這種推力器最終應用于空間飛行器還需經(jīng)過深入的理論分析與實驗研究，但是已經(jīng)證實將固體碘作為推進劑在原理上是可行的，主要難點在于工質供應系統(tǒng)設計較為復雜，磁場位型較難確定。國外的研究也僅處于初級階段，主要體現(xiàn)在工程技術方面，而理論研究仍然滯后，各個部分組件的優(yōu)化還需在未來深入研究。今后將要開展如下工作：

1)分析固態(tài)碘在真空環(huán)境條件下的相變過程，建立固體升華量與溫度及功率的對應關系，提出碘蒸氣在輸運管路中流動的溫度控制方法，最終得出碘蒸氣流量與輸入電功率的線性關系。

2)通過物理機制、放電過程和加速方法的研究分析，揭示碘工質霍爾推力器的工作機理、放電規(guī)律和加速特性。在此基礎上，對推力器進行工作參數(shù)分析和優(yōu)化設計，研制出地面原理樣機。

3)采用介入式和非介入式等離子體診斷技術，對碘工質霍爾推力器羽流開展診斷工作，系統(tǒng)深入地研究該推力器的等離子體輸運過程、能量沉積過程和離子加速機理，并與數(shù)值模擬結果對比分析，驗證模擬結果、修正理論模型或改進實驗。通過實驗研究，建立和優(yōu)化該推力器的工作參數(shù)范圍與宏觀性能的對應關系。

總之，碘工質霍爾推力器具有潛在的應用前景，尤其體現(xiàn)在小衛(wèi)星發(fā)展方面。其能夠滿足地球同步軌道以及低地球軌道衛(wèi)星完成航天任務的需要，且具有良好的推力及比沖性能，在未來空間科學探測任務中發(fā)揮積極優(yōu)勢。