離子推力器束流下降原因分析
離子推力器的推力與其引出的束流成正比,束流的大小直接確定了推力。離子推力器在點火啟動后,在工作條件不變的條件下,其引出束流隨工作時間而下降。為找出束流下降的原因,以離子推力器為研究對象,通過分析引起離子推力器束流下降的各種因素,并對這些因素進行分析與驗證。經(jīng)過對因素的分析定位,找出引起束流下降的主要原因。分析與驗證表明:影響離子推力器束流下降的決定因素為柵極組件固有特性、磁場固有特性和陰極固有特性,其中陰極固有特性是導(dǎo)致束流下降的主要原因。
引言
離子推力器是電推進的一種,其特點是推力小,比沖高,廣泛應(yīng)用于空間推進任務(wù),如航天器姿態(tài)控制、位置保持、軌道機動和星際飛行等任務(wù)。離子推力器在工作啟動后,其束流隨工作時間的推移出現(xiàn)下降的現(xiàn)象,并且隨時間推移趨于穩(wěn)定。由于離子推力器引出的束流與推力成正比,其束流的下降,直接導(dǎo)致推力的減小,嚴重影響離子推力器的性能。
離子推力器引出束流主要與離子光學(xué)系統(tǒng)(亦稱柵極組件)、放電室推進劑流量,以及放電電流和電壓相關(guān)。柵極組件的幾何參數(shù)和加速電壓直接影響束流的大小;放電室推進劑流量不但限制了束流極限值,而且其流量的穩(wěn)定性也會引起束流的變化;放電電流大小也確定束流的大小,根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,束流通常占放電電流的20%左右,而放電電壓的變化同樣會引起束流的變化。從真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)調(diào)研國外文獻調(diào)研來看,目前還沒有關(guān)于離子推力器在啟動后,束流隨時間而減小的相關(guān)報道。
為了尋找引起離子推力器在工作啟動后,束流隨時間下降的原因,文章通過分析影響束流下降的6個故障因素,并通過試驗驗證,確定引起束流下降的主要原因。
1、原因分析與驗證
1.1、影響束流下降的原因
離子推力器在工作啟動后,發(fā)現(xiàn)其引出束流在2 h內(nèi)存在連續(xù)減小,特別是在前30 min內(nèi)變化顯著,如圖1所示。
圖1 推力器束流下降示意圖
通過對離子推力器引出束流在其工作啟動時,連續(xù)下降的測試數(shù)據(jù)分析,導(dǎo)致推力器束流連續(xù)下降的原因有6個方面的因素。其中由于條件保障原因造成的條件事件有3個:供電電源異常(X1)、氣路漏氣(X2)及暴露大氣的影響未消除(X3);由離子推力器本身原因造成的固有事件有3個:柵極組件固有特性(X4)、磁場固有特性(X5)及陰極固有特性(X6)。
1.2、分析與驗證
原因分析及驗證如下:
(1)供電電源異常
首先對地面電源進行了排查,沒有發(fā)現(xiàn)異常。并用測試的離子推力器進行了問題復(fù)現(xiàn)試驗,試驗結(jié)果基本符合。由此確認供電源處于正常狀態(tài)。
(2)氣路漏氣
在進行問題復(fù)現(xiàn)試驗前,對試驗設(shè)備真空室內(nèi)氣路管路進行仔細的檢漏,確認管路不存在漏點后開展試驗,束流下降問題得到了復(fù)現(xiàn)。并采用2臺推力器進行試驗都出現(xiàn)這種現(xiàn)象,初步分析氣路漏氣的可能性較小。由此確認氣路不漏氣。
(3)離子推力器暴露大氣的影響未消除
為了消除大氣影響的測試,進行了專項試驗。試驗中,采用離子推力器、星用PPU電源和地面供氣系統(tǒng)進行。先對中和器和陰極通氙氣1 h,同時抽空排氣;中和器和陰極再用小電流預(yù)熱1 h;然后在陽極小電流下,放電起弧1 h。在離子推力器完成了消除暴露大氣影響的預(yù)處理后,進行了4次室溫啟動工作3 h試驗,如圖2所示?煽闯鳇c火啟動試驗束流變化的重復(fù)性較好,由此認為已消除了大氣的影響。
(4)柵極固有特性的影響
柵極組件對束流的影響分為雙柵間距的熱形變和柵極孔徑的熱形變。雙柵間距變大將導(dǎo)致束流減。粬艠O孔徑變大使放電室中氣體密度減小,導(dǎo)致束流的減小。
圖2 離子推力器室溫啟動3 h 點火啟動試驗束流特性
a. 雙柵間距熱形變對束流的影響
初步估算離子推力器工作從室溫到熱平衡時,柵極組件雙柵間距的變化對束流的影響,如圖3所示。束流與雙柵間距為單調(diào)減的關(guān)系。
圖3 離子推力器柵極組件雙柵間距對束流的影響
造成雙柵間距變化的因素有2種,一種是溫度變化時,屏柵與加速柵間支撐高度隨溫度變化,使雙柵間距變化,離子推力器從室溫工作2 h,由于屏柵與加速柵間支撐高度隨溫度升高而增大,使雙柵間距變大。因此,離子推力器從室溫工作到熱平衡時,柵極組件雙柵間距使束流減小了3 mA,如圖3所示;另一種是由于屏柵和加速柵溫度分布不均勻,造成雙柵間距變化,離子推力器從室溫工作2 h,內(nèi)側(cè)屏柵溫度高于外側(cè)加速柵溫度,使雙柵間距變小。
b. 柵極孔徑熱形變對束流的影響
在放電室流量一定時,放電室氣體密度與柵極組件氣體流導(dǎo)成反比,初步估算時可近似認為束流與放電與柵極組件氣體流導(dǎo)成反比。離子推力器從室溫工作2 h,加速柵平均溫度變化140 ℃,使加速柵極小孔直徑增大,致使小孔氣體流導(dǎo)率增大,使束流減小約1 mA。
(5)磁場固有特性影響的排查
離子推力器啟動后,推力器放電室磁路磁鐵溫度將逐漸上升并趨于平衡,由于磁鐵的剩磁溫度系數(shù)和內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)不為0,因此,放電室磁場將隨溫度變化而變化,與此對應(yīng)的放電電流也將變化,引起束流變化,熱平衡過渡時間通常約3 h。離子推力器熱平衡實驗證明:推力器由室溫到熱平衡,磁場變化對束流的影響不超過1%。
(6)陰極固有特性的影響
為了驗證陰極發(fā)射性能的熱效應(yīng)對束流的影響,進行了使離子推力器整體處于熱平衡狀態(tài)引束流的試驗。試驗中,陰極及中和器點火啟動成功后,維持放電室處于放電狀態(tài)而不引出束流,持續(xù)工作3 h,當離子推力器整體巳基本達到熱平衡狀態(tài)時,引出束流。束流隨時間變化,如圖4所示,圖中曲線1~3為離子推力器室溫下啟動直接引束流的結(jié)果,曲線4~6為離子推力器放電3 h后,再引束流的3次試驗結(jié)果。
圖4 放電室放電3 h 后引束流與工作啟動引束流的比較
由圖4可以看出,當推力器工作3 h后,引出的束流仍然下降約50 mA。在離子推力器整體處于熱平衡狀態(tài),即磁場和機械熱變已處于穩(wěn)定,束流下降認為是由陰極發(fā)射體熱效應(yīng)造成的。試驗驗證了陰極固有特性對束流下降的影響。
2、分析定位
通過上述驗證分析可得:
(1)供電電源異常、氣路漏氣及暴露大氣的影響未消除等原因可以被排除;
(2)因離子推力器工作時間2 h,柵極組件熱效應(yīng)使柵間距和柵孔徑變化,使束流減小4 mA,約占工作時間2 h束流下降總值的6%,故柵極組件固有特性是造成束流下降的原因之一,但影響;
(3)因離子推力器工作時間2 h,磁場固有的熱效應(yīng)特性使束流減小8 mA,約占工作時間2 h束流下降總值的12%,故磁場固有特性是造成束流下降的原因之一,但影響。
(4)離子推力器工作時間2 h,陰極固有特性使束流下降約51 mA,約占工作時間2 h束流下降總值的81%。因此,陰極固有特性的影響是引起束流下降的主要因素。
3、結(jié)論
通過對離子推力器束流下降原因的分析,經(jīng)過建立故障樹,并對底事件進行排查驗證,分析定位,得到引起離子推力器束流下降因素有:
(1)柵極組件的熱效應(yīng)引起柵間距和柵孔徑的變化;
(2)磁鐵的熱效應(yīng)引起磁場變化;
(3)陰極固有特性。
其中陰極固有特性是引起束流下降的主要因素,柵極組件和磁鐵也能引起束流下降,但是影響小,不是主要因素。