應(yīng)用于電推進(jìn)的碘工質(zhì)電子回旋共振等離子體源*

李鑫 曾明 劉輝 寧中喜 于達(dá)仁

(哈爾濱工業(yè)大學(xué),航天等離子體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

電子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)源具有無(wú)需內(nèi)電極、低氣壓電離、等離子體密度較高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),適用于小功率電推進(jìn).因此,研究小功率碘工質(zhì)ECR 等離子體源具有重要意義.本文首先設(shè)計(jì)了一套耐腐蝕且可以均衡穩(wěn)定輸出碘蒸汽的儲(chǔ)供系統(tǒng);然后完成了耐碘腐蝕ECR 推力器設(shè)計(jì),利用耐腐蝕的同軸諧振腔結(jié)構(gòu)將微波饋送到推力器,并將通道磁場(chǎng)變?yōu)闀?huì)切型磁場(chǎng)以產(chǎn)生更多ECR 層;最終聯(lián)合點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)成功,成為國(guó)際上首個(gè)可以用于電推進(jìn)的ECR 電離碘工質(zhì)等離子體源.分析實(shí)驗(yàn)和靜磁場(chǎng)、微波電場(chǎng)分布發(fā)現(xiàn),小功率、低流量下的不穩(wěn)定等離子體羽流閃爍由尋常波電子等離子體共振加熱和非尋常波ECR加熱模式之間的轉(zhuǎn)化引起.高流量下電離率下降是由電子損失、壁面損失和碘工質(zhì)電負(fù)性導(dǎo)致.并依據(jù)此原理提出了改進(jìn)方案.放電后等離子體源沒(méi)有明顯損傷,說(shuō)明具備長(zhǎng)壽命潛力.此項(xiàng)工作初步證實(shí)了小功率碘工質(zhì)ECR 電推進(jìn)方案可行.

1 引言

近幾年,全世界范圍內(nèi)衛(wèi)星行業(yè)都發(fā)生了深刻的變革.2005 年以來(lái),隨著微納衛(wèi)星技術(shù)逐漸成熟,國(guó)際上出現(xiàn)大量微納衛(wèi)星[1].推廣微納衛(wèi)星技術(shù)的關(guān)鍵因素之一是發(fā)展推進(jìn)系統(tǒng),它可以使日益復(fù)雜的姿態(tài)控制和軌道控制任務(wù)成為可能[2,3].電推進(jìn)比沖比冷氣和化學(xué)推進(jìn)的比沖大,滿足小衛(wèi)星軌道定位和維護(hù)的任務(wù)需求.但是電推進(jìn)使用的傳統(tǒng)工質(zhì)氙氣存在一些不足,主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面: 一個(gè)是價(jià)格昂貴;另一個(gè)是儲(chǔ)存在超臨界狀態(tài)的加壓儲(chǔ)罐中[4].因此,研究氙氣的替代工質(zhì)具有重要意義,替代工質(zhì)需要滿足方便存儲(chǔ)、易電離、無(wú)毒和價(jià)格低廉等要求.固體碘易于實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)、價(jià)格低廉、易升華.碘蒸汽以分子形式存在,解離能非常低,電離能和原子質(zhì)量與氙原子大致接近.國(guó)際上研究發(fā)現(xiàn)兩種工質(zhì)放電特性接近[5–9].因此,碘工質(zhì)是氙氣的優(yōu)良替代工質(zhì),具有極大的研究?jī)r(jià)值.

由于碘工質(zhì)電推進(jìn)具有一系列優(yōu)點(diǎn),歐美國(guó)家紛紛提出了在軌驗(yàn)證計(jì)劃.2020 年末,法國(guó)ThrustMe 公司首次實(shí)現(xiàn)碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)在軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,NPT-30 在34—66 W 的功率下產(chǎn)生了0.25—1.25 mN 推力,并將在軌數(shù)據(jù)發(fā)表在Nature雜志上[10].意大利商業(yè)航天公司研制了REGULUS碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng),采用磁增強(qiáng)等離子體推進(jìn)器在50 W 功率下產(chǎn)生了0.6 mN 推力.REGULUS 集成在UniSat-7 上,并于2021 年3 月在聯(lián)盟–2 運(yùn)載火箭上發(fā)射[11–13].美國(guó)NASA,Busek 公司和美國(guó)空軍研究室實(shí)施了用于12 U 小衛(wèi)星的ISAT 項(xiàng)目,采用BHT-200 碘霍爾推力器提供10 mN 左右的推力[14,15].Busek 公司研制出碘工質(zhì)BIT-3 射頻離子推進(jìn)系統(tǒng),在56—80 W 輸入功率下,產(chǎn)生0.66—1.24 mN 推力.該系統(tǒng)應(yīng)用在6 U 立方體衛(wèi)星項(xiàng)目,搭載于NASA SLS EM-1,并于2022 年11 月發(fā)射上天[16].中國(guó)納飛公司研制的碘工質(zhì)射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)在2022 年2 月成功入軌,實(shí)現(xiàn)了0.3—12 mN 推力范圍覆蓋[17].當(dāng)前研究的推力器推力主要在mN 量級(jí),缺少微納衛(wèi)星需要的μN(yùn)級(jí)推力器.基于碘工質(zhì)微牛級(jí)電推力器日益迫切的需求,需要針對(duì)性開展工作,設(shè)計(jì)合理的碘工質(zhì)等離子體放電裝置,驗(yàn)證方案可行性,解決當(dāng)前缺少小功率低成本微納衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的問(wèn)題.現(xiàn)有可以產(chǎn)生碘等離子體的裝置主要有激光誘導(dǎo)碘等離子體源、碘輝光放電燈、碘射頻感性耦合等離子體源、碘埃文森微波諧振腔等[18–21].電子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)等離子體源以其無(wú)需內(nèi)電極、低氣壓電離、等離子體密度較高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電推進(jìn)裝置中[22–24].因此,ECR 放電技術(shù)適用于μN(yùn) 級(jí)推進(jìn),但未見小功率碘工質(zhì)ECR 等離子體源的報(bào)道.

ECR 等離子體源種類有很多,主要以氙氣、氬氣、氨氣和水等作為工質(zhì),因此很多結(jié)構(gòu)不耐碘腐蝕.4 種典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示,圖1(a)的變壓、閉腔碘微波放電燈是一種埃文森微波諧振腔[25];圖1(b)中,大氣壓微波等離子體炬是圓柱形和同軸諧振腔的組合[26];圖1(c)中μ1 型ECR放電腔為內(nèi)徑20 mm 的圓柱形.推力器底部裝有兩個(gè)環(huán) 形永磁 體,產(chǎn) 生4.20 GHz ECR 所需的0.15 T 磁場(chǎng)區(qū)域,并形成抑制電子損失的磁鏡.推力器工作時(shí)將微波功率注入腔室產(chǎn)生等離子體,等離子體阻抗與設(shè)計(jì)的微波傳輸網(wǎng)路阻抗接近,不需另外安裝匹配器[27].

圖1 微波等離子體源原理圖[25–28] (a)埃文森微波諧振腔;(b)常壓微波等離子體炬;(c) μ1 微型離子束源;(d) ECRA 推進(jìn)器Fig.1.Schematic diagram of the microwave plasma source[25–28]: (a) Evanson microwave resonant cavity;(b) atmospheric pressure microwave plasma torches;(c) μ1 miniature ion beam source;(d) ECRA thruster.

圖1(d)是ONERA 開發(fā)的一種磁噴嘴ECR推力器(electron cyclotron resonance thruster developed at ONERA,ECRA).2.45 GHz 微波通過(guò)同軸線注入,同軸線終點(diǎn)是一個(gè)開放的同軸腔.推進(jìn)劑被注入到這個(gè)腔中,并被微波功率電離.所需磁場(chǎng)由位于腔體后部的環(huán)形永磁體產(chǎn)生,2.45 GHz ECR 層位于腔內(nèi)[28].綜合來(lái)看,諧振腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致碘只與耐腐蝕材料接觸,增強(qiáng)等離子體源耐腐蝕性.會(huì)切型磁場(chǎng)可以控制等離子體空間分布,減少結(jié)構(gòu)材料濺射并形成ECR 層以促進(jìn)電離.因此,應(yīng)用于電推進(jìn)的碘工質(zhì)ECR 等離子體源需要在諧振腔結(jié)構(gòu)和會(huì)切型磁場(chǎng)基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì).

等離子體源的設(shè)計(jì)基于當(dāng)前技術(shù)相對(duì)成熟的ECRA 推力器,采用會(huì)切型磁場(chǎng)和有利于低功率擊穿的諧振腔結(jié)構(gòu)以適應(yīng)小功率工況.儲(chǔ)供系統(tǒng)采用多孔碳化硅材料提高碘塊的導(dǎo)熱性,實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度分布和更快的啟動(dòng)時(shí)間,并且改進(jìn)流量標(biāo)定方法,提升流量數(shù)據(jù)精度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,碘工質(zhì)儲(chǔ)供系統(tǒng)具備均衡穩(wěn)定的輸出特定流量碘蒸汽的能力,在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于電推進(jìn)的碘工質(zhì)ECR 等離子體源放電,并得到低流量和高流量下放電不穩(wěn)定原因.另外,諧振腔結(jié)構(gòu)提高了等離子體源耐腐蝕性,延長(zhǎng)了壽命.第2 節(jié)介紹碘工質(zhì)等離子體源及儲(chǔ)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì);第3 節(jié)介紹真空罐和探針等實(shí)驗(yàn)裝置;第4 節(jié)介紹結(jié)果并討論;第5 節(jié)是結(jié)論.

2 電推進(jìn)系統(tǒng)

小功率碘工質(zhì)諧振腔ECR 等離子體源由去掉陽(yáng)極的低功率會(huì)切場(chǎng)推力器和同軸諧振器組成,同軸諧振器與推力器底部的放電通道連接,如圖2 所示.低功率會(huì)切場(chǎng)推力器通道直徑為6 mm,長(zhǎng)度為15 mm.會(huì)切型磁場(chǎng)由兩塊磁鐵產(chǎn)生,一塊為內(nèi)徑、外徑和高分別為8,16 和4 mm 的空心圓柱.另一塊是外徑和高分別為16 mm 和8 mm 的變內(nèi)徑空心圓柱.內(nèi)芯斜面一端內(nèi)徑為8 mm,另一端為11 mm.采用居里溫度為250 ℃的SmCo 磁體,保證放電穩(wěn)定性.由FEMM 計(jì)算得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及拓?fù)淙鐖D3 所示.會(huì)切磁場(chǎng)的橫向磁場(chǎng)具有降低帶電粒子輸運(yùn)的約束作用,減少了等離子體壁損失.在通道中心附近和通道進(jìn)出口兩端出現(xiàn)多個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.0875 T 的區(qū)域,形成ECR 層以促進(jìn)小功率工況放電.同時(shí),在通道出口外形成典型的磁噴嘴,陶瓷通道有一定傾角以匹配磁噴嘴.選用微波頻率2.45 GHz 的同軸諧振器,并使用了SMA 連接器來(lái)接收來(lái)自同軸傳輸線的微波.諧振腔一端短路,另一端開路,空腔的長(zhǎng)度是1/4 波長(zhǎng)的奇數(shù)(本文中選λ/4).1/4 波長(zhǎng)諧振腔內(nèi)部空間為中空梯形圓柱,下底直徑為20 mm,上底直徑為13.1 mm,中空內(nèi)芯直徑為7.2 mm,高為26.8 mm.諧振器的輸入阻抗Zin取決于輸入端口的位置,由短路傳輸線和開路傳輸線的并聯(lián)阻抗:

其中,Z0為同軸傳輸線的特性阻抗,j 為虛數(shù),l1為供給點(diǎn)到短路端口的距離,l2為從供給點(diǎn)到開口處的距離,α 為衰減常數(shù),β=2π/λ 是同軸線的相位常數(shù),k=β– jα 為復(fù)傳播常數(shù)或波數(shù).本文中,l1,l2分別為6.8 mm 和20 mm.

當(dāng)微波功率為16 W、頻率為2.45 GHz 時(shí),由COMSOL 計(jì)算的放電腔微波電場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖4 所示.由圖4 中ECR 層處微波電場(chǎng)垂直分量(E⊥)分布結(jié)果可知,強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域剛好與會(huì)切場(chǎng)通道入口端0.0875 T 磁場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域相交,通道中存在約15000 V/m 的微波電場(chǎng)垂直分量,因此是擊穿、低功率放電的電子加熱區(qū).微波電場(chǎng)與磁場(chǎng)方向夾角為銳角,存在尋常波(ordinary wave,O 波)和非尋常波(extraordinary wave,X 波),從而會(huì)導(dǎo)致放電模式轉(zhuǎn)變[29].本文也將在第4 節(jié)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析.調(diào)整腔體的幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在所有工況下反射微波功率在1.5 W 以內(nèi),傳輸線的微波功率傳輸效率約為67.8%[30].在采用共振腔結(jié)構(gòu)時(shí),天線不與碘接觸,由此解決了腐蝕問(wèn)題.

圖4 ECR 層中微波電場(chǎng)垂直分量(E⊥)的分布圖.圖中白線表示磁場(chǎng)線,黃色箭頭表示微波電場(chǎng)線Fig.4.Distribution diagram of microwave electric field vertical component (E⊥) in ECR layer.The white lines represent magnetic field lines and the yellow arrows represent microwave electric field lines.

碘工質(zhì)ECR 等離子體源無(wú)法單獨(dú)工作,需要配備一個(gè)可以穩(wěn)定輸出特定流量的碘工質(zhì)貯供系統(tǒng).因此,碘工質(zhì)等離子體源系統(tǒng)由小功率碘工質(zhì)諧振腔ECR 等離子體源和碘工質(zhì)儲(chǔ)供系統(tǒng)兩部分組成,如圖5 所示.碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)的主要作用是提供均衡穩(wěn)定的高精度碘蒸氣流量,如圖6 所示.工作原理是通過(guò)控制碘罐以及節(jié)流裝置溫度控制碘單質(zhì)的升華,從而實(shí)現(xiàn)流量控制.1U 碘罐具有單獨(dú)加熱器實(shí)現(xiàn)精確獨(dú)立溫控,同時(shí)配備3 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控碘罐溫度分布,便于后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì).碘罐內(nèi)部導(dǎo)熱材料選用耐碘腐蝕、導(dǎo)熱性高、孔隙率大并且強(qiáng)度適中的95%孔隙率多孔碳化硅材料.碘罐上面的壓力傳感器測(cè)量碘罐內(nèi)壓力,通過(guò)溫度以及壓力明確碘蒸氣狀態(tài),從而作為流量控制的反饋型號(hào)去調(diào)節(jié)流量.電磁閥主要用于緊急開閉以及防止碘工質(zhì)泄露,過(guò)濾器清除雜質(zhì),流量監(jiān)測(cè)部分檢測(cè)流量.由于這3 個(gè)部件對(duì)流量影響不大,不需要精確溫控,只需溫度高于碘罐10 ℃左右以避免碘冷凝沉積.節(jié)流裝置單獨(dú)溫控,通過(guò)控制氣體黏度實(shí)現(xiàn)流量精細(xì)控制.壓力測(cè)量裝置、電磁閥、過(guò)濾裝置均采用耐腐蝕材料.加熱器件選用聚酰亞胺加熱膜,測(cè)溫器件采用熱電偶,溫度控制采用PID 控制器.

圖5 碘等離子體源系統(tǒng)示意圖Fig.5.Diagram of iodine plasma source system.

圖6 碘工質(zhì)貯供系統(tǒng)實(shí)物圖(a)和流量標(biāo)定示意圖(b)Fig.6.Physical picture of iodine feed system (a) and schematic diagram of flow calibration (b).

3 實(shí)驗(yàn)裝置

考慮到碘工質(zhì)具有常溫易沉積和腐蝕性強(qiáng)的特性,針對(duì)這兩點(diǎn)開展真空系統(tǒng)設(shè)計(jì).真空罐內(nèi)徑400 mm,長(zhǎng)度800 mm,側(cè)面采用耐腐蝕的石英玻璃.抽氣系統(tǒng)為擴(kuò)散泵和機(jī)械泵組合抽氣,真空度可以達(dá)到10–3Pa,如圖7 所示.

圖7 耐碘腐蝕真空試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7.Iodine corrosion resistance vacuum test platform.

碘蒸氣具有強(qiáng)腐蝕和易沉積的特點(diǎn).因此常用的分子泵不適合,碘會(huì)沉積在管道以及葉片上,脫落的碘粉末顆粒會(huì)對(duì)葉片造成很大的損傷,甚至無(wú)法工作.擴(kuò)散泵具有特殊的抽氣原理,碘可以溶于擴(kuò)散泵油,腐蝕和沉積的特性不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生巨大的影響.綜合分析成本、性能和安全性發(fā)現(xiàn)油擴(kuò)散泵是目前最佳選擇.根據(jù)真空罐尺寸以及真空度要求,擴(kuò)散泵選擇了KT 盤銅管泵,型號(hào)K-200T.

一些電氣參數(shù),包括探針收集到的離子電流,儲(chǔ)供各部位加熱電流,加熱電壓,溫度參數(shù)等,由YOKOGAWA DL350 scope corder 錄波儀和溫度記錄儀(GRAPHTEC midi logger GL840)測(cè)量.供電系統(tǒng)由一個(gè)2.45 GHz 微波電源提供微波,3個(gè)50 V/10 A Rainworm DC power supply 提供偏置電壓,一個(gè)Kingrang KR-1000-01 1000 V/0.1 A可編程線性直流電源.LDC-0000/3000-025-NMV30 負(fù)載負(fù)責(zé)吸收反射功率,搭配環(huán)繞器保證反射功率都流入負(fù)載而不是電源.Guan ge communication QOH-30-2.45/4.25-N 耦合器的耦合度是30 dB.100 mW 量程的Ys11801 功率計(jì)接在耦合器的耦合端口上,讀取功率計(jì)示數(shù)再乘以1000 可以得到耦合器輸出端口的功率.

采用法拉第探針和阻滯電勢(shì)分析器(RPA)探針對(duì)羽流進(jìn)行了測(cè)量.法拉第探針的屏蔽外殼與離子接收端面齊平,二者間隙小于此處等離子體的德拜長(zhǎng)度.由于具有相同的負(fù)偏置電壓,屏蔽外殼能夠有效屏蔽接收極側(cè)面的離子電流.因此探針對(duì)離子電流的有效接收面積為探針內(nèi)芯離子接收端面的面積.為了得到足夠大的接收極電流,在外電路中接入198 kΩ 的電阻,通過(guò)測(cè)量采樣電阻兩端電壓信號(hào)計(jì)算電流.法拉第探針可以在羽流區(qū)沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng),得到羽流區(qū)的離子電流密度分布.RPA 探針包含4 層?xùn)啪W(wǎng): 第1 層?xùn)啪W(wǎng)處于懸浮狀態(tài),其作用是降低等離子體振蕩,保持探針對(duì)離子電流的穩(wěn)定接收;第2 層?xùn)啪W(wǎng)處于負(fù)偏置狀態(tài),它能夠阻擋電子通過(guò)柵極,只允許離子進(jìn)入探針接收通道;第3 層?xùn)啪W(wǎng)為離子阻滯柵,偏置電壓設(shè)置為從0 V 線性增大到1.3 倍陽(yáng)極電壓,作用是濾除低于柵極電勢(shì)對(duì)應(yīng)能量的離子;第4 層?xùn)啪W(wǎng)與第2 層?xùn)啪W(wǎng)處于同一負(fù)偏置狀態(tài),其作用是消除二次電子給收集電流帶來(lái)的干擾.通過(guò)接收極的伏安特性曲線可得到離子能量分布的信息.它們安裝在15 cm長(zhǎng)的擺臂上,都有直徑為5 mm 的收集器.兩個(gè)探頭的偏置電壓為–30 V.圖8 為探頭診斷電路和探頭位置示意圖.等離子體源的工質(zhì)利用率為

圖8 探針診斷電路和探針位置示意圖,其中包括法拉第探針和RPAFig.8.Probe diagnostic circuits and schematic view of the probe positions,including a Faraday probe and RPA.

其中,Mi是離子質(zhì)量,e是電子電荷,是質(zhì)量流率.Ii是總離子電流:

其中,R是擺臂長(zhǎng)度,θ 是與推力器軸的角度,j(θ)是離子電流密度分布函數(shù),這是用法拉第探頭測(cè)量的等離子體參數(shù).

4 結(jié)果與討論

推力器成功點(diǎn)火的前提是具備可以輸出特定穩(wěn)定流量的貯供系統(tǒng).首先對(duì)儲(chǔ)供系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,然后開展流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn),分析誤差來(lái)源.通過(guò)逐步迭代,最終得到符合實(shí)驗(yàn)需求的流量參數(shù)范圍.在加熱實(shí)驗(yàn)時(shí)加熱片溫度在100—200 ℃范圍內(nèi)波動(dòng),但碘罐各關(guān)鍵部位能快速達(dá)到設(shè)定溫度.加熱45 min 各關(guān)鍵部位均達(dá)到設(shè)定100 ℃,達(dá)到常用的60 ℃僅需20 min,并且溫度達(dá)到平衡后控溫點(diǎn)溫度波動(dòng)小于0.3 ℃,其余部位溫度波動(dòng)均在2 ℃以內(nèi).實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),這些局部溫度差異導(dǎo)致的流量變化可以忽略不計(jì).標(biāo)定方案優(yōu)化后,質(zhì)量流量誤差控制在5%以內(nèi).圖9 給出了依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出來(lái)的碘罐溫度與質(zhì)量流量關(guān)系擬合曲線.

圖9 碘罐溫度與質(zhì)量流量關(guān)系擬合曲線Fig.9.Iodine tank temperature and mass flow fitting curve.

運(yùn)用研制好的碘工質(zhì)儲(chǔ)供系統(tǒng)與碘ECR 等離子體源開展耦合放電實(shí)驗(yàn).等離子體源成功點(diǎn)火,在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于電推進(jìn)的碘工質(zhì)ECR等離子體源放電,驗(yàn)證了碘工質(zhì)ECR 電推進(jìn)的可行性,推力器放電照片如圖10 所示.在此基礎(chǔ)上,探究了推力器的點(diǎn)火范圍,并對(duì)等離子體源的電離加速特性進(jìn)行研究.

圖10 碘工質(zhì)ECR 等離子體源放電圖像Fig.10.Image of iodine propellant microwave plasma source discharge.

在碘工質(zhì)放電實(shí)驗(yàn)探究中,可變參數(shù)主要是質(zhì)量流量和微波功率.在變流量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),碘罐溫度低于65 ℃ (對(duì)應(yīng)0.52 mg/s)時(shí)羽流閃爍,即放電不穩(wěn)定.而碘罐溫度高于75 ℃ (對(duì)應(yīng)0.82 mg/s)時(shí)推力器性能急劇下降.在變功率實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),微波功率低于6 W 會(huì)導(dǎo)致放電不穩(wěn)定甚至熄火,高于10 W 微波導(dǎo)線和推力器過(guò)熱.因此,選擇的實(shí)驗(yàn)研究參數(shù)區(qū)間為碘質(zhì)量流量0.52—0.82 mg/s、微波功率6—10 W.從圖4 磁場(chǎng)線(白線)和微波電場(chǎng)線(黃色箭頭)分布可以看出,大部分區(qū)域微波電場(chǎng)與磁場(chǎng)方向夾角為銳角,因此同時(shí)存在O 波電子等離子體共振加熱和X 波ECR 加熱兩種模式[29].在低流量、低功率下,通道中心部位微波電場(chǎng)與外磁場(chǎng)平行的分量較大,等離子體主要由O 波激發(fā).當(dāng)?shù)入x子體密度到達(dá)O 波截止密度時(shí),會(huì)產(chǎn)生O 波電子等離子體共振層.電子加熱及微波功率吸收在電子等離子體共振層中均獲得局部增強(qiáng),因此微波電場(chǎng)在該共振層中快速衰減,X 波對(duì)應(yīng)電離占比下降.局部增強(qiáng)的電子加熱和微波功率吸收也導(dǎo)致共振層氣體工質(zhì)溫度上升,中性粒子密度降低,等離子體密度降低.當(dāng)?shù)入x子體密度低于O 波截止密度時(shí),X 波對(duì)應(yīng)電離占比再次提升,等離子體密度增加,羽流變亮.振蕩過(guò)程中微波電源增益不變,氣體溫度、等離子體密度和等離子體阻抗變化,微波功率變化.法拉第探針與等離子體源軸線夾角為0°時(shí),收集到的離子電流密度振蕩頻率為50 Hz,如圖11(a)所示.羽流閃爍過(guò)程的圖像如圖11(b)所示,羽流大小和明亮程度都在周期性變化.在高流量下,閃爍消失是因?yàn)榱髁吭龃?氣壓升高,電子-中性粒子碰撞頻率增大,O 波吸收增加,但X 波吸收減弱,放電由O 波放電主導(dǎo),放電由此穩(wěn)定.

圖11 在低流量低功率下,等離子體源羽流閃爍過(guò)程 (a)離子電流密度隨時(shí)間變化;(b)羽流閃爍過(guò)程的圖像Fig.11.Plasma source plume scintillation process at low flow and low power: (a) Change of ion current density with time;(b) image of plume scintillation process.

為探究等離子體源的電離特性,選擇在微波功率10 W 下開展變流量實(shí)驗(yàn).觀察圖12 離子電流密度分布數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),隨著流量增加,離子電流密度峰值越來(lái)越小,各個(gè)角度下的離子電流密度也變小.因此,隨著流量增大,離子電流密度分布更加均勻的同時(shí)各角度數(shù)值也變小.由圖13 流量與工質(zhì)利用率關(guān)系可知,隨著流量從0.52 mg/s 增加到0.82 mg/s,工質(zhì)利用率從5.2%降到了0.8%.兩組數(shù)據(jù)均說(shuō)明隨著流量增大,碘工質(zhì)電離率越來(lái)越低,其原因主要有以下3 點(diǎn).1) 隨著流量的增大,電子密度升高,電子加熱區(qū)靠近壁面.從而電子損失增大,等離子體產(chǎn)生效率降低.2) 流量過(guò)大時(shí),電子與內(nèi)壁面的碰撞損失會(huì)顯著增加.在強(qiáng)碰撞條件下,帶電粒子橫越磁場(chǎng)的輸運(yùn)系數(shù)增大,造成了高壁損失.壁面損失的能量并未用來(lái)電離中性氣體,最終導(dǎo)致電離率下降.3) 碘是雙原子分子并存在電負(fù)性,因此大流量下氣壓增大,電子溫度降低,電子附著反應(yīng)速率增高,并且電離和加速過(guò)程中碘易發(fā)生離解和復(fù)合影響電離加速過(guò)程.

圖12 離子電流密度分布Fig.12.Ion current density distribution.

圖13 工質(zhì)利用率Fig.13.Utilization rate of propellant.

為探究等離子體源加速特性,選擇在微波功率10 W 下開展變流量對(duì)比實(shí)驗(yàn).RPA 置于等離子體源軸線上測(cè)量,得到離子能量分布(圖14),并且在流量0.52 mg/s 下開展變微波功率實(shí)驗(yàn),得到離子能量分布(圖15).分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),改變流量和微波功率對(duì)離子能量分布影響不大,離子能量分布峰值在18—24 eV 之間.對(duì)比發(fā)現(xiàn),碘離子能量峰值遠(yuǎn)低于ONERA 的ECRA 的離子加速結(jié)果.原因是高氣壓下會(huì)切場(chǎng)入口端的O 波截止層吸收微波,減少?gòu)闹C振腔傳播到會(huì)切型磁場(chǎng)ECR 區(qū)域的微波,從而導(dǎo)致會(huì)切場(chǎng)區(qū)域ECR 層電離很弱,O 波電子等離子體共振加熱占據(jù)主導(dǎo)地位.后續(xù)研究將重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),減少O 波截止層對(duì)放電的影響,導(dǎo)致放電主要由ECR 維持.

圖14 不同流量下的離子能量分布Fig.14.Ion energy distribution at different flow rates.

圖15 不同功率下的離子能量分布Fig.15.Ion energy distribution at different power levels.

為獲得全面的離子能量分布特性,對(duì)RPA 探針與推力器出口夾角0°—90°范圍內(nèi)開展間隔5°的測(cè)量.在微波功率為10 W、流量為0.52 mg/s 的情況下,得到0°—90°內(nèi)的時(shí)間平均離子能量角分布如圖16 所示.分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),離子能量分布峰值在25 eV 左右.這種現(xiàn)象是由磁噴嘴在通道出口處加速離子產(chǎn)生的.原理是當(dāng)上游產(chǎn)生的等離子體在下游磁性噴嘴區(qū)域膨脹時(shí),會(huì)形成雙極性電場(chǎng),確保正離子和電子的等量電流離開推力器,這些電場(chǎng)加速離子產(chǎn)生推力.另外,觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)羽流區(qū)很大的角度范圍內(nèi)均存在高能離子,并且實(shí)際放電圖像顯示等離子體源在碘工質(zhì)條件下的羽流是個(gè)橢球形.因此磁噴嘴在碘工質(zhì)下的聚焦效果不好,將來(lái)需要提升束流效果以滿足電推進(jìn)設(shè)計(jì)需求.

圖16 在微波功率為10 W、質(zhì)量流量為0.52 mg/s 的條件下,0°—90°內(nèi)的時(shí)間平均離子能量角分布圖Fig.16.Contour maps of the time-averaged ion energy angle distribution from 0 to 90° with a 10 W MW power,and 0.52 mg/s mass flow rate.

諧振腔和會(huì)切型磁場(chǎng)的搭配設(shè)計(jì)導(dǎo)致碘與天線等易被腐蝕部件隔絕,并且減少了等離子體與推力器壁面之間的碰撞,從而大大延長(zhǎng)了推力器的壽命.經(jīng)過(guò)累計(jì)20 h 的放電實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)推力器沒(méi)有明顯損傷.因此碘工質(zhì)等離子體源具有很大的研究?jī)r(jià)值,將來(lái)有望研制出適用于微納衛(wèi)星的小功率碘工質(zhì)ECR 電推進(jìn)系統(tǒng).

5 結(jié)論

本文首次實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)等離子體源利用ECR 電離碘工質(zhì),證實(shí)了小功率碘工質(zhì)ECR 電推進(jìn)系統(tǒng)的可行性.微波通過(guò)同軸諧振腔引入通道,促進(jìn)了碘工質(zhì)點(diǎn)火的同時(shí)也提高了耐腐蝕性.會(huì)切型磁場(chǎng)擴(kuò)大了ECR 區(qū)域,導(dǎo)致微波被更加充分地吸收.儲(chǔ)供系統(tǒng)采用多孔碳化硅促進(jìn)碘塊導(dǎo)熱,并優(yōu)化了標(biāo)定方法提升了流量精度.進(jìn)行了儲(chǔ)供系統(tǒng)的傳熱和標(biāo)定實(shí)驗(yàn),并對(duì)等離子體源的羽流進(jìn)行了診斷,得出了以下結(jié)論.

1)碘罐內(nèi)填充碳化硅多孔材料后,不添加碘工質(zhì)的情況下20 min 就可以達(dá)到60 ℃,并且各部位溫度分布相對(duì)均勻.標(biāo)定方案優(yōu)化后,質(zhì)量流量誤差控制在5%以內(nèi).

2)放電區(qū)間探究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),碘質(zhì)量流量0.52—0.82 mg/s、微波功率6—10 W 的范圍內(nèi)等離子體源可以穩(wěn)定放電.小功率低流量下羽流閃爍是由尋常波電子等離子體共振加熱和非尋常波ECR 加熱模式之間的轉(zhuǎn)化引起.高流量下性能變差是由電子損失、壁面損失和碘工質(zhì)電負(fù)性引起.后續(xù)研究應(yīng)著重于減少O 波截止層對(duì)放電的影響,使放電主要由ECR 維持.

3)同軸諧振腔和會(huì)切型磁場(chǎng)搭配的設(shè)計(jì),導(dǎo)致碘蒸氣全程只與石英玻璃管和陶瓷通道接觸,從而能保護(hù)銅制天線、永磁鐵和不銹鋼等易被腐蝕材料.經(jīng)過(guò)累計(jì)20 h 的放電實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)推力器沒(méi)有明顯損傷.

綜上所述,小功率碘工質(zhì)ECR 電推進(jìn)方案是可行的.為了改善電離加速特性以及壽命,我們將在未來(lái)的工作中對(duì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和諧振腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.