第7课-离子推进技术(推力器)

电推进及离子发动机研究背景与意义♦推进系统的功能为航天器提供动力分类：冷气推进、化学推进、电推进等与化学推进相比电推进多了PPU和DCIU，如图♦电推进的特点（1）比冲高（2）推力小（3）属外能系统电推进系统基本组成示意图推进剂的选择离子推进系统的推进剂应该首选相对原子质量较大的原子，因为其热运动速率比较小，这样在推进剂未被电离的情况下从栅极的逃逸损失比较小。其次要选择那些二次电离能较大、电荷交换率低的原子，这样可以延长推力器寿命。最后，要选择没有汽化现象、方便存储的推进剂，这样可以简化储罐及推进剂控制处理系统。考虑到上述因素，早期使用铯及汞推进剂。汞有毒性，铯表面张力太大。目前以被氙代替。氙气在所有性能指标的兼容性达到了最好的平衡，只是氙气做推进剂的成本比较高。常用工质原子量和电离电位元素原子量一次电离位/eV二次电离位/eVCs132.97.2525.1Hg200.64.818.75Xe131.37.3421.21Kr83.811.524.36Ar39.9524.1322.63离子推进系统的组成离子推进系统按照功能可以分为四个组成部分：♦推力器（Thruster）：电离室、空心阴极、永久磁体、离子光学系统、中和器♦推进剂供给系统（PFS）：按照发动机工作要求的压力和流量提供推进剂♦电源处理单元（PPU）：为发动机提供电能♦数字控制接口单元（DCIU）：接收来自地面的控制信号、PPU、PFS、电离室的反馈信号，然后进行综合判断，发出控制PPU、PFS、电离室的信号NSTAR离子推进系统离子推力器的组成　放电室光学系统（栅极）中和器电子轰击式离子推力器工作原理放电室空心阴极永磁体推进剂供给环栅极中和器电子轰击式离子推力器放电室的结构和组成放电室由金属材料制作而成，其作用是为推进剂电离后形成的等离子体提供一个容器。另外，放电室在电离推进剂原子的过程中充当阳极的作用，其电压为阳极电压，电子最终会撞击到电离室壁上而被吸收。除此之外，放电室还充当了整个发动机的结构支撑部件，空心阴极、永磁体、推进剂供给环、栅极和中和器等均安装在电离室上。放电室中的磁场电离室中的磁场是电离室结构的关键，主要用来约束电离室内由气体放电形成的放电等离子体，没有磁场的电离室几乎是无法正常工作的。使推进剂原子电离的主要是空心阴极发射的初始电子，而实际上初始电子的平均自由程远大于电离室的尺寸，并不是每个初始电子都会撞击到中性原子，如果不采取措施，大部分的初始电子会直接撞击到阳极（电离室壁）上，而起不到电离的作用。放电室中的磁场除此之外，能量较高的电子还会撞击原子使其失去两个电子，形成二次电离离子，这种离子会加快栅极的腐蚀。为了解决上述问题，在电离室中加入磁场，使电子在磁场的作用下做螺旋运动，增加了电子在电离室中运动的距离，因此也就增加了电子与中性原子撞击的机会，提高了电离效果。永磁体的布置（电子轰击式放电室）钐钴永磁体环形会切磁场永磁体安装在电离室内部，一般采用钐钴永磁体（SmCo），目前的离子发动机多采用环形会切磁场结构。在电离室的底面上靠近空心阴极的外圈安装一个永磁环，在电离室圆柱壁面上安装两个永磁环，从而形成环形会切磁场，磁力线中止于阳极表面。静磁场的数学描述钐钴永磁体放电室等离子体的主要组成原初电子(primaryelectron)二次电子(secondaryelectron)离子（一价、二价）中性原子（neutral）放电室中等离子体的分布放电室中中性原子的分布放电室中原初电子的运动放电室电流的组成Ie—阴极电子电流Ik—返回到阴极的离子电流IL—阳极原初电子电流Ia—阳极二次电子电流Iia—阳极离子电流IB—离子束流（栅极引出）电流Is—屏栅极(离子)电流放电室电流平衡阴极处（屏栅电势与阴极相等）阳极处放电室与推力器性能等离子体离子生成耗费(plasmaionproductioncost)束流离子生成耗费（放电损耗）(beamionproductioncost)放电电流和放电电压放电室中离子生成率（电流形式表示）离子束流电流（从栅极中引出）放电室与推力器性能两者关系：其中，为栅极引出离子电流（离子束流电流）与放电室离子电流之比推进剂利用率为进入放电室的中性原子的流量（电流形式表示）放电损耗与推进剂利用率的关系—Brophy模型为基准（等离子体）离子生成损耗，与推力器几何尺寸、磁场强度、推进剂的电离电位和激发电位有关。与推进剂的温度和电离截面有关。与放电室工作参数特别是放电电压Vd有关放电损耗-效率曲线的物理解释如果主阴极的电子发射率较低，大多数的能量提供给原子，用来产生离子，εB是其基准能量，但是许多中性原子还是不能被电离，以原子的形式逃逸出栅极。这样ηud比较低。当电子发射率增大到一定值时，大多数的推进剂都可以被电离，同时有许多电子没有参与推进剂原子的电离，它们就会携带一部分能量到达阳极，这样束离子能量“成本”剧增。离子发动机光学系统离子光学系统位于电离室的下游，是发动机推进剂的出口。其主要功能是将电离室中的推进剂离子引出，并加速到极高的速度，向后喷出以产生推力。离子光学系统的工作原理离子发动机工作过程的本质是通过静电场的电场力使推进剂离子加速，获得推力推进剂离子的电量加速电压推进剂离子的质量推进剂离子获得的速度离子源离子V=V0V=0xx=0x=xa用于加速的栅极离子加速的一维模型示意图离子发动机光学系统工作原理♦推力的理论计算方法♦实际推力的计算公式由于束流的发散引起的推力损失电离室中的双荷离子对推力的影响Child-Langmuir方程离子推力器受空间电荷极限的限制，其离子流量存在一个极限离子发动机光学系统双栅系统的屏幕栅极带正电，一般为1000V以上。加速栅极带负电，一般为几百伏。栅极的加工与装配离子发动机的栅极都是很薄的电极板，是由导电材料制作成的,上面打有几千或上万个栅极孔，屏幕栅极孔与加速栅极孔必需按照设计要求对中，否则会对发动机性能产生影响用于制作栅极的材料包括钼、钛和C-C复合材料等，一般由液压成型方法制造。C-C复合材料是较好的栅极材料，因为它具有负的热膨胀系数，这样就可以将栅极加工成平面钼栅极则需要加工成球面，以避免热膨胀而引起栅极之间接触短路。球面栅极照片双栅系统双栅系统由屏幕栅极和加速栅极组成。屏栅的作用主要有三个：一是在正常工作条件下，屏栅将放电室等离子体边界限制在栅极上游；二是将放电室等离子体中的电子限制在放电室内，屏栅电压（等于放电室阴极电压）低于放电室阳极电压，以实现屏蔽电子的功能；三是将放电室等离子体中的离子通过屏栅孔聚焦引出。加速栅的主要作用有两个：一是加速经屏栅引出的离子，使其达到预定的速度；二是屏蔽加速栅下游中和器发射的电子，使电子不能经过栅极孔向放电室回流。三栅系统三栅系统除了有屏幕栅极和加速栅极外，还有一块减速栅极，安装在加速栅极的外侧。主要功能：减速栅极电势接近于零伏，可有效减少下游的交换电荷离子对栅极的溅射腐蚀；栅极附近电势和离子分布净总加速电压在栅极中，定义净总加速电压比为式中，VN和VT分别为放离子束中离子的净加速电压和总加速电压，二者的表达式分别为两式中，VD为放电室中阳极电位，即等离子体悬浮电位，VS为屏栅电压，VA为加速栅电压，因为加速栅施加的电压为负，所以式中加绝对值号。净总加速电压与离子束散角净总加速电压比反映了加速场和减速场对离子聚焦和散焦的程度，即该值是决定离子推力器离子束发散角的一个重要参数。R值越大，说明加速栅上施加的负电压值相对越小，离子束发散角就越小。通常，离子推力器的净总加速电压比值在0.85~0.90之间。交差极限与导流极限状态抽取电流过小将导致离子推力器工作在交差极限状态。抽取电流过大会导致离子推力器工作在导流极限状态。jb=0.24mA交差极限导流极限正常聚焦屏栅极上游鞘层鞘面的形状和它的相对位置，是由等离子体的密度、温度、栅极电势等因素决定。je=0.02mA、0.16mA、0.24mA上游鞘层面形状和位置的变化导致离子轨迹的变化!!!不同抽取电流（不同等离子体浓度）情况下屏栅上游鞘层面形状和位置的变化电子回流（改变加速栅极电压）电子回流（改变加速栅极半径）腐蚀引起的加速栅极半径扩大会导致电子回流！束流中的电荷交换离子电荷交换碰撞电荷交换粒子生成率电荷交换碰撞截面束流中交换电荷离子的分布电荷交换碰撞产生的氙离子空间分布图加速栅极的腐蚀♦如何确定离子发动机的寿命是一项重要的研究内容♦决定离子发动机寿命的一个重要因素就是栅极的腐蚀♦加速栅极下游表面腐蚀最为严重，是由电荷交换碰撞形成的慢速离子撞击栅极造成的♦寿命实验消耗巨大，需要上万小时(NSTAR超过3万小时)，数值方法则可以大大降低费用，节约时间加速栅极的腐蚀加速栅极的腐蚀♦腐蚀率腐蚀率是指栅极表面单位时间的腐蚀深度，腐蚀率由下式计算J离子入射电流密度，统计得到Y溅射产额，每个入射离子所轰击出的材料原子的个数被轰击材料的密度Mg被轰击材料原子的质量腐蚀率和栅极表面离子撞击电流密度、溅射产额、以及栅极材料的物理性质有关加速栅极的腐蚀♦溅射产额腐蚀率计算中的关键是溅射产额Y的计算，采用试验数据拟合与修正方法计算溅射产额。溅射产额与离子入射能量和入射角有关，因此首先利用溅射产额与离子入射能量关系的试验点，拟合出曲线氙离子对不同金属的溅射产额曲线加速栅极的腐蚀♦入射角对溅射产额的影响入射角对溅射产额的影响是通过对拟合出的溅射产额进行修正而得到，入射角是指离子的入射方向与材料表面法向之间的夹角入射能量为350eV时氙离子对钼材料的溅射产额与入射角的关系曲线加速栅极的腐蚀加速栅极下游表面腐蚀深度分布单位μm，工作时间800小时加速栅极下游表面腐蚀照片数值模拟出的加速栅极下游表面三维图延长栅极寿命的措施(1)采用三栅极(2)降低加速极电压（但可能会造成电子回流）(3)更换栅极材料栅极其他问题栅极极间短路控制栅极间距控制放电室碎片的大小阴极技术种类功能——发射电子(1)金属热阴极：钨、钽、铼金属热阴极(2)薄膜阴极(3)厚涂层阴极(4)金属陶瓷阴极：钡钨阴极(5)其它发射材料阴极：六硼化铼(LaB6)(6)场发射阴极三种发射体材料阴极性能比较阴极类别工作温度加热功率最大发射电流抗中毒能力耐轰击能力氧化物950ºC左右小约2A/cm2差差钡钨1100ºC左右小约10A/cm2中中LaB61700ºC左右大60~100A/cm2强强空心阴极的原理空心阴极比一般固体棒状阴极寿命长，其结构为一个圆柱形的金属筒。空心阴极的前端有一阴极孔，金属筒里有低功函的材料，如Al2O:CaO:BaO或LaB6，金属筒的外壁缠有加热器，通电后会对阴极进行加热。推进剂通过空心阴极进入推力室，从空心阴极出来的基本是电子，也包括一些离子和中性原子。空心阴极结构——阴极管和阴极顶板空心阴极由阴极管、顶板、发射体、加热器和触持极等组成。常用阴极管材料为抗溅射难熔金属,如铈钨、钽、钼、钼铼等合金。阴极顶板中心开有小孔(阴极孔),以增加阴极管内部的推进剂气压而易产生内部等离子体放电。顶板材料一般为铈钨、钼、钍钨等合金,用电子束焊接于阴极管,亦可与阴极管组合成整体加工件。空心阴极结构——发射体柱筒形发射体位于阴极管内,并紧贴阴极管内壁和顶板。电推进阴极发射体主要有钡钨和LaB6两种材料。钡钨发射体由烧结的多孔钨浸渍氧化钡、氧化钙和氧化铝的混合物构成,其中多孔钨为基体,混合物为源材料。多孔钨空隙度一般约为80%,三种氧化物的分子比例有5∶3∶2,4∶1∶1,3∶1∶1等,以4∶1∶1最常用。LaB6发射体一般由粉末加压烧结的多晶结构棒料经机械加工成型。选择有低功函数的发射体可显著增加电流发射密度或降低发射体工作温度。钡钨发射体通过浸渍氧化物与基体钨在高温下的界面化学反应产生气体钡和氧化钡,气体钡和氧化钡扩散转移并吸附于发射体表面,形成钡在上氧在下的双极子单层,双极子氧化钡的功函数为2.06eV。LaB6通过活性元素镧降低表面功函数,多晶LaB6的功函数为2.67eV。空心阴极结构——加热器和触持极加热器的作用是加热发射体至额定的点火温度,保证在发射体上形成低功函数表面并产生需要的电子发射密度,阴极能在较低电压下可靠点火。对暴露大气后易受污染的钡钨发射体来说,加热器还具有在点火前活化发射体以消除污染效应的作用。触持极的作用是在施加点火电压后,在阴极与触持极间实现电弧放电点火,并在适当的工作电压下维持稳定的工作电流发射。触持极与阴极的间距一般为1～2mm。触持极的另一个重要功能是对阴极孔、顶板和加热器溅射腐蚀的防护功能。触持极应由钼、钛、石墨等抗溅射腐蚀材料制成。空心阴极配电当空心阴极加热到足够温度（1100ºC）时，逐渐升高点火电源电压，触持极电流逐渐增高（从几微安到几十微安），当电压上升到某一点时，触持极电流突然升到几百毫安。此时触持极电压降到很低，甚至降到氙的电离位以下，也能维持较大的放电电流。因此点火电源和触持极电源分别选用有限流电阻的直流高压电源和直流稳压电源。阴极点火后，点火电源自动关闭，由低压触持极电源维持放电。(钡钨)空心阴极内部过程与分区1.发射体区2.小孔区3.阴极-触持极中间区4.下游等离子区空心阴极内部过程与分区1.发射体区阴极发射体由浸渍了钡钙铝酸盐活性物质的钨海绵组成，具有极低的逸出功。被加热到工作温度后发射体开始发射电子，发射的电子部分累积在内发射体表面附近，如图所示。在阴极内部径向电场的作用下，等离子体中的离子加速向发射体运动，由于靠近发射体表面的电子密度较高，改变了鞘层电势曲线，造成鞘层电位梯度，从而形成双鞘层。等离子体双鞘层即是一部分等离子体受离子吸引，另一部分受电子吸引，从而引起局部电场分布不均，但整体仍保持电中性的鞘层结构。发射体区含有大量部分电离的准中性气体，受电场作用热电子持续加速向中心轴和小孔运动，只有部分电子可能返回发射体。发射体区的德拜长度为微米级。在径向电场的作用下离子加速向发射体运动，（按照玻姆鞘层理论），离子运动速度为声速或超声速，离子与发射体表面的碰撞及电子与离子复合产生的热量将维持发射体的工作温度。空心阴极内部过程与分区2.小孔区发射体与小孔之间存在等离子体双鞘层，如图所示。在鞘层的作用下，电子被加速进入小孔区，小孔中进入鞘层的离子被加速进入发射体区，小孔和发射体区之间存在的等离体密度与电场的梯度能够约束发射体区的离子不进入小孔。小孔区是空心阴极中电流密度最高的区域，德拜长度相对小孔直径小很多，粒子碰撞平均自由程为小孔尺寸的几十分之一到几百分之一。经过电场的加速，小孔区的电子获得了较高的温度，同发射体区一样，高密度电子电流使得小孔内工质气体电离，电离电子及原子向小孔出口高电势区扩散，形成放电电流；离子向小孔壁面低电势区扩散，大部分在壁面获得电子中和，以气体分子形式保留在小孔内部继续参与电离。在小孔出口处，由于存在的等离子体双极扩散作用，抵消了促使离子向阴极低电势面运动的弱电场，使得部分离子从小孔区扩散出来，维持了阴极下游等离子体的准中性。空心阴极内部过程与分区3.阴极—触持极中间区等离子体密度的降低使得阴极-触持极中间区的鞘层厚度迅速增大。当发射的离子密度足够维持该区域为准中性时，由于触持极与阴极之间存在的正偏置电位，电子在轴向电场的作用下乡触持极运动，一部分到达触持极电流，另一部分释放出来。当气体流量较大、阴极电离效率足够高时，阴极处于斑状放电模式—发射电流大、放电电压低、放电稳定，此时在阴极小孔出口处形成一个聚集的亮斑，阴极下游气体的电离主要是在集中在该处完成的。该种模式有利于电子发射和延长寿命，实际中一般均将阴极工作于该模式。气体流量降低、发射体电子发射能力下降后，阴极下游气体的电离效率下降，电离区扩散，从小孔出口一直延伸到触持极下游，阴极转换到羽状放电模式，此时在阴极顶板与触持极之间可以看到羽状发光等离子体。羽状模式的典型特征是发射电流小、放电电压高、放电不稳定且夹杂高频高幅振荡。研究表明羽状工作模式将加剧阴极孔板的溅射和腐蚀，缩短阴极寿命。空心阴极内部过程与分区4.下游等离子体区靠近触持极的下游等离子体区，电子密度还能保证电离的出现。由于电子热运动速度比离子的大，电子从该区扩散将导致净正电荷密度出现从而出现势垒。更远的下游区，电子和离子形成的球形等离子体一直扩散到其他等离子体处并形成等离子体双鞘层。限制空心阴极寿命的主要因素1　发射体源材料耗尽2　发射体有效发射表面被难挥发沉积物覆盖3　源材料活性分子不能到达发射体表面限制空心阴极寿命的主要因素4　触持极、顶板、加热器被溅射腐蚀损坏阴极顶板和阴极管的溅射腐蚀可通过采用触持极并合理匹配阴极工作与几何参数消除,触持极腐蚀可由增加厚度和选择抗溅射腐蚀能力强的材料而解决。顶板、阴极管和触持极的腐蚀仅在产生有害形变或结构破坏后才会影响阴极正常工作,而阴极孔腐蚀造成的孔径增大会立即影响阴极的工作性能。如果孔径持续加大,阴极将出现效率降低、工作不稳定、寿命缩短、无法工作(失效)的逐渐衰退过程。实践表明:合理匹配阴极孔径与发射电流可有效控制阴极孔腐蚀,在额定发射电流下,阴极孔腐蚀率随孔径增加呈指数关系下降。限制空心阴极寿命的主要因素5　加热器损坏6　发射体化学中毒钡钨阴极低功函数发射表面由钨基体与源材料间的复杂化学反应形成,故易受外来活性杂质成分和污染物的影响,主要通过化学反应、物理沉积、物理化学吸附等形成发射体的中毒。发射体中毒可表现为电子发射能力降低、工作温度升高、工作寿命缩短等。研究表明:除表面沉积和吸附污染外,引起钡钨发射体化学中毒的主要活性成分为氧和水。消除钡钨发射体化学中毒对寿命影响的方法有:应用高纯氙气(推进级的99.9995%),同时清洗和烘烤氙气供应管路达高洁净度;严格控制暴露大气条件和贮存环境条件;每次暴露大气后,点火前作特殊的发射体激活处理。总结：离子推力器关键技术1.放电室　结构组成、工作原理。如何取得高效率？束流剖面更均匀？　２.栅极　长寿命；加工、装配；防止短路　３.空心阴极结构组成及主要功能。　防止中毒；长寿命