陰極位置對(duì)大功率霍爾推力器點(diǎn)火過(guò)程影響的研究

李文博， 廖 巖， 成渭民， 孫建寧， 高 前， 王尚民， 魏立秋*， 于達(dá)仁

(1.西安航天動(dòng)力研究所陜西省等離子體物理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710100；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3. 西安微電子技術(shù)研究所， 西安 710065；4. 蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

1 引言

霍爾推力器是一種典型的正交電磁場(chǎng)下的電推進(jìn)裝置[1-3]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推功比高，被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星南北位置保持和軌道轉(zhuǎn)移等空間推進(jìn)任務(wù)[4-5]。 隨著世界各國(guó)航天工業(yè)的不斷發(fā)展，深空探測(cè)和星際旅行項(xiàng)目[6]等空間探索活動(dòng)對(duì)大功率電推進(jìn)裝置的需求日益增加。 俄羅斯[7-8]、美國(guó)[9-10]、歐空局[11-12]和中國(guó)[13-14]等都開(kāi)展了關(guān)于大功率霍爾推力器的理論和試驗(yàn)研究。

霍爾推力器在軌點(diǎn)火成功關(guān)系著推進(jìn)任務(wù)能否成功執(zhí)行[15-16]，因此，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)推力器的點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了深入研究。 李文博等[15]實(shí)驗(yàn)研究了宏觀放電參數(shù)的改變對(duì)推力器點(diǎn)火沖擊電流的影響，結(jié)果表明隨著放電電壓和陽(yáng)極流量逐漸增大，點(diǎn)火沖擊電流峰值會(huì)逐漸增大；Vial等[17]和Ellison 等[18]分別采用高速CCD 相機(jī)拍攝的方式得到了霍爾推力器點(diǎn)火過(guò)程中在不同時(shí)刻下羽流區(qū)正面和側(cè)面的變化圖像，同時(shí)由于推力器的點(diǎn)火過(guò)程通常約為數(shù)十微秒，且等離子體參數(shù)變化劇烈，常規(guī)的探針和光譜等實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法都受到了一定的限制，因此Taccogna 等[19]和劉輝等[20]采用particle-in-cell (PIC)數(shù)值模擬方法研究了推力器點(diǎn)火過(guò)程中等離子體參數(shù)的變化特性。

霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中的第一步就是從陰極引出用于電離中性原子所需的種子電子及隨后用于中和所產(chǎn)生離子的電子。 對(duì)于大功率霍爾推力器，陰極存在外置和中置2 種不同的工作方式。 Hofer 等[21]和Goebelr 等[22]研究發(fā)現(xiàn)在大功率霍爾推力器采用陰極中置結(jié)構(gòu)可以減小推力器的耦合壓降，從而增大電壓利用率，提高加速電壓，增加了推力器的性能。 但是，當(dāng)陰極所處工作位置不同時(shí)會(huì)影響點(diǎn)火過(guò)程中陰極初始所發(fā)射的電子進(jìn)入放電通道的路徑，進(jìn)而影響點(diǎn)火過(guò)程發(fā)生的快慢和建立的難易程度，而這對(duì)于推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程有著重要的影響。

目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)關(guān)于陰極中置和外置結(jié)構(gòu)對(duì)大功率霍爾推力器點(diǎn)火過(guò)程影響的報(bào)道。 因此，為深入地了解陰極位置對(duì)大功率霍爾推力器點(diǎn)火過(guò)程的影響，本文在一臺(tái)10 kW 大功率霍爾推力器上實(shí)驗(yàn)測(cè)量陰極中置和陰極外置2 種不同情況下的點(diǎn)火沖擊電流，采用PIC 數(shù)值模型計(jì)算不同陰極位置下點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中的離子密度變化特性。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用真空系統(tǒng)如圖1 所示，罐體長(zhǎng)為5 m，直徑為2 m，具有5 個(gè)觀察窗，可以從多個(gè)角度觀察霍爾推力器的放電狀態(tài)。 同時(shí)真空系統(tǒng)包括1 臺(tái)粗抽干泵、3 臺(tái)低溫泵、6 臺(tái)氙氣泵和1 臺(tái)分子泵。 真空系統(tǒng)最低可以達(dá)到1×10-4Pa，在測(cè)量過(guò)程中保持工質(zhì)流量為90 sccm 的情況下，真空度保持在9.8×10-3Pa 左右。 點(diǎn)火沖擊電流參數(shù)的測(cè)量采用的是橫河DL850 型號(hào)錄波儀，能夠進(jìn)行高速、高分辨率的電流參數(shù)數(shù)據(jù)采集。

圖1 實(shí)驗(yàn)用真空系統(tǒng)Fig.1 Vacuum system in test

圖2 為實(shí)驗(yàn)所用的10 kW 大功率霍爾推力器，其具有多模式放電特性，推力器采用勵(lì)磁線圈的方式產(chǎn)生磁場(chǎng)，同時(shí)為了能夠在放電通道內(nèi)部產(chǎn)生零磁點(diǎn)的磁場(chǎng)位型，采用3 組線圈的繞線方式，分別是內(nèi)線圈、外線圈與附加線圈。 其中內(nèi)外線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同，附加線圈產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)。 同時(shí)，推力器的尺寸較大，能夠支持陰極內(nèi)置與中置2 種工作模式。

圖2 10 kW 霍爾推力器Fig.2 10 kW high-power Hall thruster

圖3 為陰極中置和陰極外置情況下霍爾推力器穩(wěn)態(tài)放電狀態(tài)圖。 從圖中可以看出，陰極外置時(shí)，霍爾推力器羽流周向?qū)ΨQ性較差，且向陰極安裝一側(cè)進(jìn)行傾斜，而陰極中置時(shí)，霍爾推力器的羽流形貌周向?qū)ΨQ性良好，聚焦效果較好，羽流發(fā)散角較小，有利于大功率霍爾推力器在軌工作時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)其余器件安裝位置的選擇。

圖3 10 kW 大功率霍爾推力器陰極不同位置下放電圖Fig.3 Discharge diagram of 10 kW high-power Hall thrusters under different cathode positions

圖4 為陰極中置和陰極外置下大功率霍爾推力器的點(diǎn)火沖擊電流，在測(cè)試過(guò)程中內(nèi)、外和附加勵(lì)磁電流分別為3 A，3 A 和1 A，放電電壓均為300 V，陽(yáng)極流量均為90 sccm。 從圖4 可以看出，陰極中置和陰極外置2 種不同工作位置下霍爾推力器的點(diǎn)火沖擊電流的峰值均在百安培量級(jí)，為正常穩(wěn)態(tài)放電電流的數(shù)十倍。 與陰極外置結(jié)構(gòu)相比，陰極中置結(jié)構(gòu)下的點(diǎn)火沖擊電流峰值較小，并且推力器點(diǎn)火成功后向穩(wěn)態(tài)放電轉(zhuǎn)換過(guò)程中低頻振蕩放電電流的平均值和峰峰值明顯較低，推力器能夠較為平穩(wěn)地向穩(wěn)態(tài)放電過(guò)程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是點(diǎn)火沖擊峰值到來(lái)的時(shí)間會(huì)延遲。 這是由于當(dāng)陰極外置時(shí)，在點(diǎn)火過(guò)程中陰極發(fā)射的電子首先會(huì)被推力器出口區(qū)的磁力線所捕獲，然后需要穿越更多的磁力線來(lái)建立放電過(guò)程，這很容易激起等離子體的放電不穩(wěn)定性，因此推力器點(diǎn)火成功后向穩(wěn)態(tài)放電轉(zhuǎn)換過(guò)程中低頻振蕩放電電流的平均值和峰值遠(yuǎn)高于陰極中置的情況。

圖4 10 kW 大功率霍爾推力器不同陰極位置下點(diǎn)火沖擊電流Fig.4 Ignition pulse current of 10 kW high-power Hall thrusters under different cathode positions

圖5 為陰極中置和陰極外置2 種結(jié)構(gòu)下推力器點(diǎn)火沖擊電流初始階段上升變化特性。 由圖可知，與陰極中置結(jié)構(gòu)相比，陰極外置情況下霍爾推力器點(diǎn)火初始階段的沖擊電流上升斜率更大。 這是由于陰極中置安裝時(shí)，陰極初始所發(fā)射的電子所處的磁場(chǎng)環(huán)境強(qiáng)度較強(qiáng)，點(diǎn)火瞬間陰極發(fā)射的電子在進(jìn)入放電通道的過(guò)程中所受到的束縛作用會(huì)明顯增強(qiáng)，電子的拉莫爾回旋半徑會(huì)明顯降低，這就使得點(diǎn)火瞬間陰極所發(fā)射的電子在向放電通道運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中單次獲得的能量降低，能夠達(dá)到氙氣原子電離閾值的高能電子數(shù)量相對(duì)較少，從而能夠電離的氙氣原子數(shù)目也相對(duì)較低，因此，在點(diǎn)火初始階段沖擊電流的增長(zhǎng)速率也相對(duì)較慢，與此同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致推力器點(diǎn)火沖擊峰值較小和到來(lái)時(shí)間的延遲。

圖5 10 kW 大功率霍爾推力器不同陰極位置下點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程初始階段沖擊電流圖(實(shí)驗(yàn)值)Fig.5 Pulse current at initial stage at ignition process for different cathode positions in 10 kW highpower Hall thruster (experimental value)

3 PIC 數(shù)值模型與結(jié)果

3.1 PIC 數(shù)值模型中電子布置方式改進(jìn)

為了更加深入地了解陰極中置和陰極外置2種不同工作位置對(duì)大功率霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中等離子體參數(shù)變化特性的影響，本文采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室所建立的PIC數(shù)值模型計(jì)算了陰極不同工作位置下的離子密度變化特性，該模型已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算霍爾推力器的點(diǎn)火瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)放電過(guò)程[23-25]。 在PIC 模擬中分別設(shè)置不同的電子進(jìn)入方式，陰極中置時(shí)電子源布置方式如圖6(a)所示，電子從模擬區(qū)域的左下角沿軸向進(jìn)入模擬區(qū)域，陰極外置時(shí)電子源布置方式如圖6(b)所示，電子從模擬區(qū)域的右上角進(jìn)入模擬區(qū)域。

圖6 10 kW 大功率霍爾推力器模擬區(qū)域電子布置方式Fig.6 Electronic layout of 10 kW high-power Hall thruster simulation area

但是在采用陰極中置的模型進(jìn)行推力器點(diǎn)火過(guò)程模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，在合理的參數(shù)設(shè)置下無(wú)論如何調(diào)節(jié)放電電壓等宏觀參數(shù)都不能夠?qū)崿F(xiàn)推力器成功點(diǎn)火。 圖7(a)和圖7(b)分別為未能成功模擬點(diǎn)火過(guò)程中的電子速度分布圖像和10 kW 霍爾推力器磁力線分布特性。 從圖中可以明顯地看出電子運(yùn)動(dòng)速度的流線與磁場(chǎng)磁力線的分布近乎一致，這意味著在霍爾推力器點(diǎn)火過(guò)程模擬中，電子從陰極發(fā)射后被周圍強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)的磁力線束縛，并且只沿著磁力線運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)，從圖7(b)可以看出推力器中間位置的磁場(chǎng)方向近似與推力器中軸線方向平行。 由此可以推斷，在霍爾推力器點(diǎn)火模擬過(guò)程中，大部分電子都沿著磁力線運(yùn)動(dòng)到了模擬區(qū)域右側(cè)的自由邊界處，只能電離該位置從放電通道擴(kuò)散出去的極少一部分工質(zhì)氣體，并且不能將電子引入到放電通道內(nèi)與高密度的中性氣體發(fā)生碰撞電離，因此造成了模擬中出現(xiàn)點(diǎn)火困難這一現(xiàn)象。

圖7 10 kW 大功率霍爾推力器模擬區(qū)域電子運(yùn)動(dòng)速度流線圖和磁力線分布圖Fig.7 Streamline diagram of electron velocity and distribution diagram of magnetic field line in the simulation area of 10 kW high power Hall thruster

前期的文獻(xiàn)調(diào)研表明，大功率霍爾推力器都能夠點(diǎn)火成功穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步考慮到電子被磁力線束縛，導(dǎo)致電子不能有效地進(jìn)入放電通道區(qū)域，對(duì)此有2 種不同的解決方案:①將計(jì)算模擬區(qū)域變大，在更大的模擬區(qū)域中，軸向的磁力線能夠環(huán)繞進(jìn)入模擬區(qū)域，電子也能夠沿著磁力線運(yùn)動(dòng)到放電通道內(nèi)部完成有效的碰撞電離；②改變電子入射的方向，將陰極中置的放置方式改為如圖8 所示的方式，電子從軸向邊界以上的一個(gè)區(qū)域邊界向上發(fā)射電子，電子能夠在已有模擬區(qū)域內(nèi)的磁力線作用下進(jìn)入放電通道。 由于軸向磁場(chǎng)在有限的空間內(nèi)很難彎曲形成閉合磁力線，考慮到計(jì)算時(shí)間的可行性，在本模型中選擇采用第二種方式進(jìn)行近似處理。

圖8 10 kW 大功率霍爾推力器模擬區(qū)域簡(jiǎn)化電子布置方式Fig.8 Simplified electronic layout in simulation area of 10 kW high Power Hall thruster

3.2 點(diǎn)火過(guò)程中等離子體參數(shù)變化特性

在對(duì)陰極中置時(shí)模擬區(qū)域的電子布置方式進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化之后，發(fā)現(xiàn)霍爾推力器點(diǎn)火模擬能夠成功實(shí)現(xiàn)。 因此，分別計(jì)算了陰極中置和陰極外置兩種不同陰極位置下霍爾推力器點(diǎn)火沖擊電流和相同時(shí)刻下的離子密度分布特性，分別如圖9、圖10 和圖11 所示。 圖9 中綠色的時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著圖10 和圖11 中不同陰極位置下離子密度的時(shí)間點(diǎn)。 從圖9 可以看出，與陰極中置相比，當(dāng)大功率霍爾推力器陰極外置時(shí)，點(diǎn)火初始階段霍爾推力器的點(diǎn)火沖擊電流增長(zhǎng)速率較快，這和圖5 所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性是一致的。

圖9 10 kW 大功率霍爾推力器不同陰極位置下點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程初始階段沖擊電流圖(模擬值)Fig.9 Pulse current at initial stage of ignition process for different cathode positions in 10 kW highpower Hall thruster (simulated value)

圖10 陰極中置時(shí)點(diǎn)火啟動(dòng)階段離子密度分布Fig. 10 Ion density distribution during ignition process with cathode mounted in the center

圖11 陰極外置時(shí)點(diǎn)火啟動(dòng)階段離子密度分布Fig. 11 Ion density distribution during ignition process with cathode mounted outside

從圖10 和圖11 中可以看出，在相同的點(diǎn)火時(shí)刻下，與陰極中置結(jié)構(gòu)相比，陰極外置結(jié)構(gòu)下的離子密度明顯較高，并且電離區(qū)域向放電通道內(nèi)部移動(dòng)的趨勢(shì)更加明顯。 結(jié)合圖5 所示的2 種不同陰極位置下點(diǎn)火初始階段的電流增長(zhǎng)速率可知，盡管陰極中置的情況下陰極所發(fā)射的電子距離放電通道位置更近，但是初始點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程仍然速度較慢。 這主要是由于不同的陰極位置使得陰極所發(fā)射初始電子所處的磁場(chǎng)環(huán)境不同。 從圖7(b)可以看出，當(dāng)陰極外置時(shí)，陰極所發(fā)射初始電子所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯弱于陰極中置的情況下(盡管陰極中置情況下電子發(fā)射位置進(jìn)行了一定的修改，但該處的磁場(chǎng)強(qiáng)度仍然相對(duì)較強(qiáng))。 因此，陰極外置情況下陰極初始發(fā)射的電子受到磁力線的束縛作用相對(duì)較小，能夠在電場(chǎng)力和碰撞等作用下快速進(jìn)入放電通道內(nèi)部，在這個(gè)過(guò)程中電子能夠從陰極和陽(yáng)極之間的軸向電場(chǎng)中更快地獲得足夠的能量來(lái)電離中性原子，推力器的點(diǎn)火過(guò)程相對(duì)更快地發(fā)生，并且發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火初始階段的電流增長(zhǎng)速率明顯較大。 而在陰極中置的結(jié)構(gòu)下，盡管陰極所處的位置距離放電通道更近，但是由于陰極初始發(fā)射的電子所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，電子受到其束縛作用在電場(chǎng)中的移動(dòng)速度緩慢，導(dǎo)致電子在陰極和陽(yáng)極之間的軸向電場(chǎng)獲得達(dá)到氙氣原子電離能的速度也相對(duì)較慢，與中性原子發(fā)生碰撞電離的速率較低，推力器的點(diǎn)火過(guò)程演化得也比較慢，且點(diǎn)火初始階段沖擊電流的增長(zhǎng)速率較慢。

對(duì)比圖10 和圖11 可以看出，當(dāng)采用陰極中置結(jié)構(gòu)時(shí)，霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中羽流的周向?qū)ΨQ性更好，不會(huì)出現(xiàn)陰極外置情況下向一側(cè)偏心的情況，這對(duì)于霍爾推力器的在軌應(yīng)用是非常重要的。 盡管霍爾推力器具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但由于陰極工作位置的非軸對(duì)稱安裝，使得霍爾推力器的羽流存在周向不對(duì)稱性，這一現(xiàn)象在小功率及中等功率的霍爾推力器在軌應(yīng)用中不是非常明顯。 大功率霍爾推力器通常尺寸和重量較大，而且推力器在軌服役過(guò)程中需要經(jīng)歷多次點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程，如果在在軌應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)羽流周向?qū)ΨQ性差的問(wèn)題，就會(huì)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)其余器件安裝位置的選擇帶來(lái)嚴(yán)重的影響。 甚至由于大功率霍爾推力器羽流的不對(duì)稱性會(huì)使得一側(cè)的電子元件或太陽(yáng)能帆板長(zhǎng)期受到離子羽流的轟擊而提前失效，進(jìn)而縮短衛(wèi)星平臺(tái)的服役壽命。

4 結(jié)論

1)與陰極外置結(jié)構(gòu)相比，陰極中置結(jié)構(gòu)下大功率霍爾推力器的點(diǎn)火沖擊電流峰值更小，霍爾推力器點(diǎn)火啟動(dòng)成功后向穩(wěn)態(tài)放電轉(zhuǎn)換過(guò)程中低頻振蕩放電電流的平均值和峰值較小，有利于霍爾推力器穩(wěn)定地向穩(wěn)態(tài)放電過(guò)程進(jìn)行轉(zhuǎn)換；但點(diǎn)火過(guò)程初始階段的電流增加速率更慢，點(diǎn)火沖擊電流峰值出現(xiàn)較晚。

2)與陰極外置結(jié)構(gòu)相比，陰極中置結(jié)構(gòu)下推力器的點(diǎn)火過(guò)程演化速率較慢，在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的離子密度也相對(duì)較低。

3)與陰極外置結(jié)構(gòu)相比，陰極中置結(jié)構(gòu)下推力器點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中羽流的周向?qū)ΨQ性更加良好，有利于大功率霍爾推力器在軌工作時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)其余器件安裝位置的選擇。