离子推力器碳基材料栅极研究进展

郭德洲，顾　左，郑茂繁，杨福全，孔令轩

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

离子推力器碳基材料栅极研究进展

郭德洲，顾左，郑茂繁，杨福全，孔令轩

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

栅极组件是离子推力器的关键部组件之一，直接影响推力器的性能和寿命。相比传统金属钼，碳基材料具备较低的热膨胀系数和较强的耐离子溅射性，是离子推力器栅极组件的理想材料，可以有效提高推力器的寿命和可靠性，碳基材料栅极组件已被国外先进离子推力器广泛采用。在调研国外碳基材料栅极研制过程的基础上，结合国内碳基材料研制水平，针对目前我国离子推力器的长远发展部署，提出开展碳基材料栅极组件制造的初步建议。

离子推力器；栅极；碳-碳复合材料；热解石墨

0　引言

离子推力器与传统化学推进相比，具有明显优势，已经在执行卫星平台的南北位保和星际航行的主推进等空间任务中得到应用，其主要特点是低推力、高比冲、推力可精确调节［1-2］。栅极组件是离子推力器的重要组成部分，其主要功能是聚焦并加速放电室工质气体电离后产生的离子。离子束引出过程直接关系到离子推力器的推力、比冲、效率等性能参数。

离子推力器放电室离子电离过程中产生大量热量，栅极将经历高温环境，受热后会产生热形变，栅孔对准性变差，严重时可引起栅极短路及破坏；放电室下游区域存在CEX离子，对于双栅离子推力器，速度较小的CEX离子易被带负电位的加速栅吸引，大部分具有足够的能量对加速栅材料造成溅射腐蚀。对于目前使用较多的钼、钛栅极而言，若要规避上述危害，栅间距和栅极厚度就要增大，这将降低栅极组件离子引出能力，进而降低推力器性能。

随着离子推力器空间应用需求的不断提高，栅极组件在高束流密度和高比冲下具备更好的热稳定性和耐溅射能力的需求愈加显得迫切。由于碳具备热膨胀系数小、离子溅射系数低等优异特点，具备作为理想栅极材料的综合潜质。因此，国外离子推力器研究机构历经数十年，从材料特性、结构设计、测试验证等方面着手研究，最终确定碳-碳复合材料（C-C）和热解石墨（PG）是较为理想的栅极材料（文中碳基材料特指这两种材料），可以有效的提高推力器热稳定性和寿命［3-5］。文章在总结国外碳基材料栅极研制情况的基础上，提出了开展碳基材料栅极研究的建议。

1　碳-碳复合材料栅极

1.1SIT-15离子推力器

SIT-15推力器设计目标是通过组合若干个小口径SIT-15推力器，以满足高功率、高比冲和大推力的空间推进任务。Mueller等［6-7］针对SIT-15推力器开展C-C复合材料平面栅极制备，采用DuPont E55碳纤维单向预浸碳布研制了15 cm三栅SAND （Screen-Accelerator-Negative Decelerator）结构，其中屏栅采用6层碳布呈［0°/+60°/-60°/-60°/+60°/0°］角度压合而成，厚度为0.50 mm，采用电火花（EDM）开孔；加速栅和减速栅由两层屏栅压合而成，采用机械方式开孔，三栅都经过化学气相渗透（CVI）法致密化处理。同时，对栅极组成成分比例和压合角度进行了讨论，如表1所列，提升碳纤维的质量和体积比例，拉伸强度和模量、弯曲强度和模量得到明显提升，达到钼的80%左右。与Garner［8］和Meserole［9］采用的编织结构相比，如表2所列，显然多层单向预浸碳布压合方式制备栅极更优。

表1　栅极组成成分比例和强度、模量

表2　不同结构C-C栅的强度和模量对比

此外，栅极安装环采用G540石墨，安装环与栅极之间使用滑石石瓷（MgO-SiO2）进行绝缘。经700 h考核试验发现:试验中束流引出稳定，导流系数小于金属钼栅，这是由于加速栅和减速栅加厚导致；试验后加速栅小孔孔径增大60～70μm，加速和减速栅质量减少0.1～0.25 g。

1.2NSTAR离子推力器

NSTAR成功在DS-1航天器上得到应用，完成对Braille小行星和Borelly彗星的探测任务。为满足下一步更高寿命的空间探测任务需求，Brophy等［10］在前期SIT-15推力器C-C复合材料栅极的研制基础上，针对NSTAR离子推力器进一步研制了30 cm SAND球面栅。与上述SIT-15推力器使用石墨栅极安装环不同的是，安装环由AmocoT300碳纤维和SC1008酚醛树脂加工而成。同时采用Mueller提到的［0°/+60°/-60°］S层合结构、碳纤维比重和体积比例，以保证强度和模量。三栅厚度均为0.46 mm，小孔都采用500 W的CO2激光器加工，激光加工完成后结果发现栅极拱高比设计值要小，并且屏栅和加速栅的偏差不一致，造成栅极之间的不匹配，无法调节间距，经测试流导受加工几何形变影响变差。

在美国制定的CBIO（Carbon Based Ion Optics）计划下［11］，2003年JPL对NSTAR C-C栅进行了局部改进解决制造中形变问题［4］，即在栅极周边增设了加强环，采用双壁柱状C-C复合材料安装环，如图1所示，并采用热处理方法来调节屏栅极和加速栅极的曲率半径。栅极组件通过9.1 grms随机振动试验［12］，振动试验前后束流引出基本一致。并后续进行了1 000 h试验以确定耐离子溅射腐蚀能力［13］，试验中栅极性能稳定，导流能力略有减小，试验后栅极组件未发生故障，加速栅腐蚀仍然为点槽特征，斑点测量最大腐蚀率为27μm/khr（相同工况下钼栅斑点最大腐蚀率为186μm/khr）。

图1　CBIO计划C-C栅极组件示意图

1.3NEXIS离子推力器

NEXIS是现有离子推进NSTAR的扩比改进型，目标为长寿命、高功率、高比冲电推进系统进行外太阳系大规模科学探测。Beatty等［14］针对20 kW NEXISDM离子推力器样机研制了57 cm大直径CC球面双栅组件，栅极使用P30X碳纤维和酚醛树脂制成，安装环使用T300碳纤维和酚醛树脂制成，碳布呈［0°/+60°/-60°/-60°/+60°/0°］ns夹角层合而成，采用化学气相沉积（CVD）法致密化处理。此外，采用激光变透明度设计开孔，如图2所示。屏栅透明度控制在±0.6%波动范围内；加速栅透明度控制在±0.25%波动范围内。经测试证明该设计使得双栅小孔同轴对准度提高0.13 mm，栅间距稳定性在5%以上。栅极组件通过10.0 grms随机振动试验［15］，试验前后栅孔对准性和栅间距基本一致。后续经过大量束流引出试验和2 000 h考核试验后，栅极组件完好，推力器性能达到设计值且稳定［16］。

图2　57 cm C-C栅变透明度设计图（a）屏栅；（b）加速栅

2　热解石墨栅极

2.1NSTAR离子推力器

Haag等［17-18］在前期研制8 cm PG平面栅的基础上，于2003年针对NSTAR推力器研制了30 cm PG球面双栅结构，安装环同样由PG制成。栅极尺寸与DS-1所使用的30 cm推力器（钼栅）相同，小孔由机械方式加工。栅极组件组装测试中发现，在离中心1/2半径处存在栅间距变小的问题。不同工况与钼栅对比试验表明:离子引出稳定，束流小于金属钼栅；对离子的有效透明度较低；阻止电子返流能力较钼栅强，如图3所示。2004年在NSTAREMT1C上进行了9.2 grms验收级（参照DS-1）随机振动试验［19］，振动后结构完好。

图3　PG栅和钼栅性能对比曲线图

2.2T6离子推力器

英国针对BepiColombo水星探测任务研制的T6离子推力器，早先采用的是22 cm金属钼SAND球面结构，后续于2007年改为双栅结构［20］，提高栅极组件结构可靠性，屏栅仍采用钼栅，加速栅极改为PG栅，厚度提至1.2 mm，给溅射腐蚀留有裕量，加速栅栅孔采用计算机数控技术（CNC）机械加工。此外，栅极组件采用柔性安装结构，以降低钼、PG和安装环三者不同的热膨胀系数导致的变形问题。经地面引出测试，束流和推力达到设计值［21］；长寿命考核结果，如图4所示，加速栅腐蚀最大深度为0.033 mm （6 056 h），理论寿命可以胜任BepiColombo和Alpha-Bus空间任务。

图4　T6PG离子推力器加速栅腐蚀测量结果曲线图

2.3HIPEP离子推力器

HIPEP离子推力器用于木星月星探测任务（JIMO），高功率和长寿命是首要需求。钼栅不能满足高束流密度下引出的严格要求，为此，Foster等［22］针对HIPEP推力器研制了41 cm×91 cm矩形平面PG双栅结构，栅孔没有继承NSTAR推力器的小孔结构，而是采用大孔径（HIPEP栅极有效面积约是NSTAR的6倍，孔数却只有NSTAR的1/5）。后续于2005年进行正弦振动和10.0 grms随机振动试验［23］，振动后经超声检测表明结构完好。并于2006年进行20.8 kW下2 000 h考核试验［24］，性能稳定，预计寿命可以达到16年。

3　综合分析与对比

3.1热稳定性和耐溅射性

栅极在典型推力器工作过程中经历温度范围为200～675 K［8］，对于高束流密度和高比冲推力器，其上限温度将更高，并且栅极温度沿径向方向存在差距，中间区域较高。钼的热膨胀系数为5.2×10-6K-1，在上述温度下钼栅容易发生热变形，严重影响到离子光学引出效率。据相关文献表明［6，9，18］:C-C复合材料在173～773 K温度范围内热膨胀系数为-1.8～-0.51×10-6K-1，PG的热膨胀系数也同样接近0甚至负值。显然碳基材料能使栅极的热膨胀得到明显改善，栅间距值基本可以保持设计值，栅极引出离子性能趋于稳定，可显著提高推力器热稳定性和可靠性。

离子溅射腐蚀主要有两种模式［25］:一种是对加速栅小孔壁的腐蚀，可导致阻止电子返流的能力丧失，进而造成栅极组件失效；另一种是对栅极表面的腐蚀，形成的凹槽和凹坑（groove-pit），造成加速栅极破裂失效。碳基材料在200～1 000 eV氙离子能量下，入射角0°～60°溅射产额试验［26］，如图5所示，PG和C-C复合材料的溅射产额基本相同，离子对碳基材料的溅射率约为钼的1/7。采用碳基材料制备栅极，可显著提高栅极寿命，提供长时间相对稳定的推力器性能，进而有效提升推力器寿命和可靠性。

图5　氙离子对C-C和PG的溅射产额曲线图

3.2结构与制备工艺

C-C栅结构复杂，为了保证开孔后能承受发射力学环境要求，对碳纤维排布要求较高，需预留栅孔的位置，以保证密集开孔过程中碳纤维丝束尽可能不遭到破坏能连续，从而保证强度。由于栅孔为六角阵列排布，所以C-C栅常由若干层碳布呈［0°/+ 60°/-60°］s夹角层合而成，如图6所示。此外，C-C栅需经过化学气相渗透或沉积（CVI/CVD）处理，以减少空隙率和增加强度。为避免毛刺与撕裂、分层缺陷和孔壁表面损伤等制孔缺陷问题，打孔常采用EDM和激光方式［27-28］。两者都属于无接触式加工，前者通过电火花放电产热，后者使光束聚焦为高能量光点，都可使材料局部熔化或气化，特别适合在硬、脆、软的各种材料上进行多数量、高密度的群孔加工。

图6　C-C栅碳纤维排布示意图

PG栅制备过程较为直接，其中PG是由碳氢化合物（常用甲烷）在真空环境下高温（1 800～2 000℃）分解生成的，单体碳原子可直接气相沉积在模具上，同层每六个碳原子在同一平面形成正六边环，伸展成片层结构，第二片层相对第一片层存在水平偏移（A-B结构），PG栅层间呈A-B-A-B-A-……规律堆积，该结构使得其相对C-C复合材料孔隙小［19］。孔分布不受碳原子分布影响，最后直接加工出栅孔。PG栅不存在纤维状毛刺，可直接采用CNC机械方式开孔。但是，PG质地较脆，对组装及加工工艺要求非常严格。

3.3力学性能

在推力器搭载火箭升空和爆炸螺栓解锁过程中，栅极作为推力器力学薄弱部件，将承受较大的振动和冲击。因此在设计栅极时，必须考虑栅极材料在上述力学环境中的失效强度。材料力学性能如表3所列，材料的最大张力能越大，其越能抵抗发射力学环境［4］，显然，C-C复合材料最大张力能是钼的2.44倍，PG是钼的86%，C-C复合材料在抗结构失效性能上比钼优异，PG略差。

表3　不同栅极材料力学性能

3.4耐电压特性

栅间电场直接影响离子推力器的推力，理论上电场越强推力越大，但随电场加强会引起场致发射电弧导致栅极短路，同时降低栅极组件可靠性。栅极耐压特性受到材料和栅极光洁度两方面的影响，而对于不同材料，耐压特性存在差距；对于同种材料而言，栅极表面若受到破坏，会使其耐压特性降低，因此耐离子溅射的材料，耐压特性也较为稳定。

Goebel等［29-30］对碳基材料耐电压特性进行专项研究，并和金属钼对比，结果如图7所示，其中钼栅的安全电场为40～50 kV/cm，C-C栅安全电场为23～35 kV/cm，PG栅安全电场为20～30 kV/cm。

图7　不同栅极材料极限电场曲线图

在推力器工作阶段，栅极局部热形变和离子溅射磨损将使上述值发生变化:C-C和PG具备良好的热稳定性和耐溅射性，变化幅度较小；对于钼栅而言，安全电场将随着推力器长时间使用而降低。因此，碳基材料具备良好的耐电压特性，完全适用于现有的离子推力器。

4　发展建议

碳基材料是用于制造热稳定、长寿命离子推力器栅极的理想材料，已被国外先进离子推力器广泛采用。20世纪70年代中期，兰州空间技术物理研究所在国内率先开展离子推力器的研究，先后自主研制了8 cm汞离子推力器和LIPS系列氙离子推力器，采用的均是金属钼栅极。但是对下一步用于深空探测主推进任务的大推力、高束流密度、高比冲离子推力器，金属钼栅已经成为制约其发展的重要因素。因此，有必要跟进国外相关的研究进展，开展碳基材料栅极研制。

结合C-C复合材料和PG栅极对比分析，建议优先开展C-C栅极研究。可先从小尺寸栅极研究着手，在满足小尺寸推力器性能的基础上，逐步将制备理论和加工工艺发展成熟，进一步指导开展大尺寸推力器栅极制造。此外，建议同步进行C-C栅极安装环研制，使整个栅极组件均采用C-C复合材料，这样不仅可以提高推力器的热稳定性和寿命，还可以实现推力器减重。

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THE INVESTIGATION OFCARBON-BASEDMATERIAL GRID FOR ION THRUSTER

GUO De-zhou，GU Zuo，ZHENG Mao-fan，YANG Fu-quan，KONG Ling-xuan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

Ion optics system，one of key components for ion thruster，isa determining factor that influences the performance and durability of ion thruster.Carbon-based materials，including carbon-carbon compositematerial and pyrolytic graphite，have shown nearly an orderofmagnitude improvement in sputtererosion resistance and coefficientof thermalexpansion overmolybdenum.Carbon is the perfectmaterial for grid，whichwas demonstrated that it can enhance the performance and life of ion thrustereffectively，and has been successfully applied in a series of advanced ion thrusters.Development of carbon-based material grid and the character of carbon-basedmaterials are investigated in this paper.Aiming at long-term progress strategy of ion thruster，preliminary suggestions for fabrication carbon-basedmaterial grid are put forward in view of the domestic development levelof carbon-basedmaterials.

ion thruster；ion optics；carbon-carbon compositematerial；pyrolytic graphite

V439+.4

A

1006-7086（2016）03-0125-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.001

2016-01-25

郭德洲（1989-），男，甘肃兰州人，硕士研究生，主要从事电推进技术研究。E-mail:guodezhou510@163.com。