為了對(duì)30cm口徑LIPS - 300 推力器的熱設(shè)計(jì)提出合理建議，利用有限元分析軟件對(duì)LIPS - 300 離子推力器進(jìn)行地面穩(wěn)態(tài)及熱應(yīng)力分析。結(jié)果顯示處于大流量點(diǎn)火工作狀態(tài)時(shí)，離子推力器的高溫部件主要是陽極筒錐段、屏柵筒以及后極靴，當(dāng)推力器達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，陽極筒和后外殼錐段的熱形變占主要地位。根據(jù)仿真分析得出的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)論是提高LIPS - 300 離子推力器內(nèi)外部件的表面發(fā)射率是可以降低內(nèi)部部件溫度，并滿足磁鋼工作溫度上限的有效方法。

引言

　　30 cm 口徑離子推力器( LIPS - 300 型) 是針對(duì)新一代大型桁架式結(jié)構(gòu)衛(wèi)星平臺(tái)全電推進(jìn)應(yīng)用目的而研制，從推力器尺寸的變化及某些關(guān)鍵部組件的更新顯示出這是一款結(jié)構(gòu)相對(duì)較新的推力器產(chǎn)品，因此對(duì)LIPS - 300 的各項(xiàng)性能需要開展深入研究，而其熱性能參數(shù)作為重要的研究方向，可以直接反映出推力器的能量損失及其所接觸的航天器表面熱特性，因此需要作為推力器重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。在LIPS - 300 離子推力器的基礎(chǔ)上開展熱分析，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為分析結(jié)果對(duì)熱設(shè)計(jì)方面會(huì)具有指導(dǎo)意義。

邊界條件

　　由于離子推力器基本原理是依靠氣體放電并中和產(chǎn)生推力，因此熱模型需要從離子推力器放電腔內(nèi)部各類帶有能量的粒子沉積開始進(jìn)行討論。對(duì)于環(huán)形會(huì)切場(chǎng)推力器能量沉積過程中占有主導(dǎo)地位的是等離子體云團(tuán)向放電腔不同內(nèi)表面的輻射。

　　熱邊界條件的獲得根據(jù)LIPS - 300 目前實(shí)際工作性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，LIPS - 300 目前有兩種工作模式分別為大推力模式( 功率5 kW) 和小推力模式( 功率2 kW) ，文章根據(jù)推力器一般工作模式即大推力模式計(jì)算邊界條件并開展分析。熱邊界條件計(jì)算過程根據(jù)推力器氣體放電能量沉積理論編寫軟件生成。從理論出發(fā)首先需要考慮放電過程中各類能量粒子的產(chǎn)生率和損失率，從而計(jì)算各類粒子密度，并根據(jù)密度計(jì)算在不同能量沉積部件上形成的電流，最后根據(jù)電流計(jì)算出能量分布。

圖1 空心陰極發(fā)射體溫度預(yù)估值

熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　從上述結(jié)果看出，推力器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)內(nèi)部溫度較高，在推力器高溫薄弱環(huán)節(jié)上、下磁鋼處的溫度范圍達(dá)到了296 ～ 330 ℃的范圍，這已經(jīng)超出了推力器磁鋼的工作允許范圍。推力器若長(zhǎng)期在此溫度下工作會(huì)嚴(yán)重影響SmCo 永磁鐵的磁性能，從而影響放電性能，導(dǎo)致推力器不能正常輸出額定參數(shù)。其次推力器內(nèi)部的放電腔即上、下陽極筒由于高溫引起的形變位移也是重要考慮因素，熱形變過大會(huì)導(dǎo)致陽極筒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重失調(diào)，從而影響推力器的放電性能。

　　由于推力器屬于電真空器件，工作環(huán)境為真空，因此只能考慮通過傳導(dǎo)或輻射將推力器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量引出，以達(dá)到降低內(nèi)部器件工作溫度的目的。因此增大面- 面之間的輻射換熱( 即提高表面紅外發(fā)射系數(shù)) 是可采取的措施。推力器現(xiàn)有表面均為不處理鋁本色表面，其發(fā)射率為0. 16 ～ 0. 18，以提高表面發(fā)射系數(shù)為目標(biāo)考慮，對(duì)推力器前后外殼內(nèi)外表面，前后屏柵筒外表面，采用提高發(fā)射率手段( 提高表發(fā)射率可以采用電鍍氧化物、熱控涂層等多種方式) ，將上述推力器6 個(gè)表面的發(fā)射率提高至0. 75 ～ 0. 8 之間后重新開展運(yùn)算，結(jié)果如圖5 所示，僅給出關(guān)心部位的溫度分布和熱形變位移。從比對(duì)結(jié)果來看，通過提高推力器內(nèi)外部件的表面發(fā)射率，可以有效降低推力器內(nèi)部部件溫度。推力器內(nèi)部關(guān)鍵部件的整體溫度分布得到了優(yōu)化，最為關(guān)心的磁鋼降溫幅度一般均在100 ℃左右，在某些部位降溫幅度甚至達(dá)到120 ℃左右，磁鋼溫度已經(jīng)能夠滿足工作溫度上限要求。

結(jié)論

　　根據(jù)仿真結(jié)果來看，提高推力器表面發(fā)射系數(shù)可以有效的增大推力器內(nèi)部的輻射交換熱流，從而達(dá)到降低推力器整體溫度的目的。目前雖尚未對(duì)30 cm 口徑推力器開展熱試驗(yàn)，但從前期對(duì)20 cm口徑LIPS - 200 推力器進(jìn)行的表面處理熱試驗(yàn)結(jié)果來看，降溫幅度基本在70 ～ 80 ℃。對(duì)于表面涂層的選擇，電鍍本色陽極化是一種簡(jiǎn)單且有效的方式，但陽極化處理在大幅提高發(fā)射率的同時(shí)，吸收率也會(huì)隨之提高并且使得原有推力器表面鋁本色的導(dǎo)電狀態(tài)發(fā)生了改變，因此本著最大限度降低推力器內(nèi)部溫度分布的目的出發(fā)，熱設(shè)計(jì)建議為在推力器內(nèi)部部件( 前、后屏柵筒) 外表面可以選擇采用陽極化這一穩(wěn)定且較為簡(jiǎn)易的工藝進(jìn)行處理，而對(duì)于推力器前后外殼外表面可以選擇導(dǎo)電多層熱控涂層鍍膜，以滿足外表面高發(fā)射率且低吸收率的需求，且不會(huì)破壞推力器外殼表面導(dǎo)電的狀態(tài)。