一种提高空心阴极推力器推力的发射体外置方法

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哈尔滨工业大学 能源学院,哈尔滨 150001

一种提高空心阴极推力器推力的发射体外置方法

刘晨光，宁中喜*,孟天航，韩星，于达仁

哈尔滨工业大学 能源学院,哈尔滨 150001

为提高空心阴极推力器的比冲，研究了空心阴极发射体外置的方法，对比研究了发射体外置和内置两种结构的空心阴极推力器的推力和比冲，发现发射体外置的结构相比较于内置结构能够增加推力器的推力和比冲。进一步研究发现，发射体外置的空心阴极推力器引出的离子电流、离子能量要明显高于发射体内置的空心阴极推力器，可以推断发射体外置的阴极推力器存在离子加速喷出增大推力和比冲的机制。

空心阴极；微推力器；阴极模式；推力器模式；发射体外置

立方体卫星(CubeSat)是近年来微型卫星领域研究的热点。与传统卫星相比，这种微型卫星通用性强,研制周期短，而且立方体卫星体积小,研制发射成本低,发射方式灵活，并易于组网，可同时获得较高的空间分辨率和时间分辨率，适应空间应用发展趋势[1]。对于立方体卫星来说，受其自身体积的限制，给其提供一种体积小、能耗低、高效、高比冲、稳定可靠的微推力推进系统尤为重要。

空心阴极有可能发展成为一种低功率高比冲的微推力器，目前开展了大量空心阴极微推力器(Hollow Cathode Thruster,HCT)的研究工作。英国南安普顿大学的Grubisic的研究显示,T5阴极推力器以氩气为工质的条件下所能够产生的比冲达到4 300 m/s，对应推力约为0.4 mN，功率为79 W，效率为1.1%；匹配圆锥形阳极的空心阴极推力器T5CA在3.2 A、1.8 A、和0.8 A的条件下比冲分别可以达到6 570 m/s、4 770 m/s和3 610 m/s，效率能够分别达到4.5%、8.1%和17.7%[2]。T6空心阴极在高电压羽流模式下以氩气和氙气为工质比冲分别能够达到5 500 m/s和4 500 m/s，但是所需功率将近1 kW，并且效率不足1%[3]。Gessini和Gabrield对T6空心阴极推力器的研究发现,空心阴极推力器能够在羽流模式工作状态下获得最高的比冲[4]。假设气体工质无热损失，气体焓全部转化为动能后所能获得的比冲为[5]：

式中：Isp为比冲；T为气体温度；m为气体质量。而试验测得数据显示所获得比冲要比理论值大，因此推测存在着高能粒子喷出增加比冲的机制[4]。已经有研究证明，在空心阴极内部存在着高能离子的产生，而产生高能离子的机理包括电势波峰的形成[6]、二次电离[7]、三次电离[8]、多次碰撞[9]和磁等离子体动力学等机制[10]。Grubisic对空心阴极推力器的推力产生机理的研究表明，阴极推力器产生推力的机理主要是电热条件下的传统气动推进机理，并且推测离子的加速会产生增加推力的作用[5]。

空心阴极是电推力器中的关键部件，作为电子源来中和电推力器羽流区的离子。空心阴极具有低功率高电流密度的工作特点，工作所需功率较低。空心阴极工作时，发射体通过热机制向外辐射电子，电子与气体工质碰撞使中性气体部分电离，而产生的离子少部分通过与中性气体碰撞和扩散等作用通过节流孔向外喷出，并且在发射体自持工作后，发射体的加热机制主要为离子加热机制，大部分离子通过鞘层电势撞到发射体表面，发射体通过离子轰击表面加热而发射电子。大约只有2%的气体工质被电离成为高能粒子[11]。目前空心阴极推力器存在着效率低、离子加速在推力产生机制中所占比例低的问题。本文提出一种将空心阴极推力器发射体外置来增大推力的方法，对比研究发射体外置和发射体内置结构推力变化，以及等离子体参数的差异。

1 试验设备及试验方法

霍尔推力器和离子推力器等电推力器都是将气体工质电离产生离子，通过电场加速离子使大量离子高速喷出从而获得较大推力和高比冲。考虑到空心阴极内部同样会产生等离子体，因此可以利用空心阴极内部产生的离子向外加速喷出而增加空心阴极推力器的推力与比冲。

空心阴极中大部分离子在电场力作用下落在了发射体表面，可以称空心阴极作为电子源的工作模式为阴极模式。而加速离子喷出增加推力需要将电场方向倒置，从而使离子受到向外的电场力，获得加速度。因此提出将发射体外置的方法，将此种模式称为推力器模式。研究表明，大部分的电离发生在阴极孔区，即在发射体的节流孔区存在较高的离子密度。因此，尽管在发射体区的离子落在发射体表面，仍会有相当部分的离子在节流孔区被电场加速喷出，从而在理论上能够增加空心阴极推力器的推力。发射体外置空心阴极推力器结构示意如图1所示，发射体作为负极安置在阴极管端部，而内部的通气管接到电源正极作为阳极。阴极模式和推力器模式的工作原理对比如图2所示。

图1 空心阴极推力器结构Fig.1 Structure of the hollow cathode thruster

图2 阴极-推力器模式原理对比Fig.2 Comparison of principle in N-mode and T-mode

推力器推力大小是利用三丝扭摆装置测量，采用扭矩平衡和光杠杆放大的原理，将推力器的微小推力转化为光斑的大位移[12]。利用砝码标定的方法，测力不确定度在0.4%左右，通过改进延长扭摆，利用电磁力标定方法能够将不确定度降到0.1%左右，灵敏度为0.05 mN/mm。由此，可以利用三丝扭摆装置测量阴极推力器微牛级的力。在阴极推力器尾部，距出口1 cm处利用法拉第探针测量离子电流大小，探针接收电流的探头是直径为1 cm的圆形钽铂。加上偏置电压-2 V，以消除电子电流的干扰。利用RPA探针测阴极推力器羽流区离子能量，测量示意如图3所示。

2 试验结果与分析

在推力器模式和阴极模式的工作状态如图4所示，在流量为10 ml/min,电流为1 A的条件下，可以明显对比出推力器模式由明亮的羽流喷射出，而阴极模式没有羽流喷射出。因此推力器模式有利于阴极推力器中等离子体的引出。

图3 探针测量示意Fig.3 Diagram of the probe measurements

图4 阴极推力器工作模式对比Fig.4 Figures of the HCT in N-mode and T-mode

2.1 阴极推力器放电特性

图5 推力器放电伏安特性Fig.5 Volt-ampere characteristics of the HCT

以氙气为工质，流量为10 mL/min，空心阴极推力器阴极模式和推力器模式下的伏安特性如图5所示。随电流的增大放电电压降低，并且推力器模式下空心阴极推力器放电电压要高于阴极模式下的放电电压，因此相应的工作功率也会高于阴极模式。如图6所示，阴极推力器工作功率随着电流增加而增加。在电流为1 A时，阴极模式下推力器的功率在10 W左右，而推力器模式下功率在15 W左右。推力器模式下工作功率高于阴极模式下的工作功率，是由于外置的发射体直接暴露于真空环境中，辐射散热量要高于阴极模式，因此增加的功率补偿了增加的辐射散热。

同样，在不同气体工质流量条件下，推力器模式下的推力器工作功率要高于内置发射体推力器，如图7所示，放电电流为1.5 A，功率随工质流量增加而降低，并且推力器模式下推力器工作功率要比阴极模式下的推力器工作功率高5 W左右。

图6 功率特性Fig.6 Power characteristics of the HCT

图7 不同工质流量下的电功率Fig.7 Power of HCT at different gas flow

2.2 阴极推力器推力特性

为评估发射体外置后空心阴极推力器所产生推力的变化，对比测试了发射体内、外置两种结构在相同条件下所产生推力大小。以氙气为工质，变化工质流量，对比冷气、阴极模式和推力器模式下的推力与比冲。如图8所示，推力大小基本与工质流量呈线性关系，并且在推力器模式下，相比较于阴极模式推力增加了0.2～0.4 mN，增加幅度最大达到4倍。

尽管推力器模式所需功率高于阴极模式，但推力器模式下的推力功率比仍高于阴极模式，如图9所示，并且推力功率比基本与流量呈线性关系。因此将发射体外置能够有效地增大推力，并且提高推力功率比，对于提高推力器效率具有一定意义。

图8 不同工质流量下的推力Fig.8 Thruster of the HCT at different gas flow

图9 推力功率比Fig.9 Thrust power ratio of the HCT at different gas flow

对比两种结构的空心阴极推力器的比冲，如图10所示，两种结构的空心阴极推力器工作在1.5 A和相同工质流量条件下，推力器模式的空心阴极推力器比冲要高于阴极模式，而且随着工质流量增加，比冲降低。比冲表征工质的平均速度大小，在相同流量条件下，推力器模式下工质平均速度要高于阴极模式。在流量为2 ml/min时，推力器模式工质平均速度远高于阴极模式。假设发射体外置的空心阴极推力器存在加速离子的机制，由此，平均速度由离子速度和中性气体速度构成:

由于电离度较小，在离子的数量一定条件下，离子速度远高于中性气体的速度，因此在小流量时，推力器模式下，比冲要远远高出内置时，当流量逐渐增大时，由于离子所占比例减少，因此中性气体的速度在总的平均速度中所占比重增加，因此总体的平均速度下降。

图10 不同流量下的比冲Fig.10 Specific impluse of the HCT at different gas flow

研究发射体外置结构的空心阴极，在一定工质流量、不同工作电流条件下，比冲大小变化如图11所示。氙气流量为2 mL/min，电流在1～2 A之间变化，发现比冲基本不发生变化，因此比冲的大小主要与工质流量相关。因此为了获得更高的效率，可以使空心阴极工作在低电流条件下。

图11 不同工作电流下的比冲Fig.11 Specific impluse of the HCT at different current

2.3 离子电流测量试验结果

利用法拉第探针偏置电压为-2 V条件下，法拉第探针接收电流面积为0.8 cm2,所测得离子电流如图12所示。推力器模式下，在推力器尾部获得的离子电流在5 mA左右，在阴极模式下，能够获得的离子电流在0.5～1 mA左右，由此可以证明外置发射体后在阴极推力器发射出的离子量增多。根据式(2)，离子比例增加可以增加整体平均速度，从而可以一定程度上解释外置发射体后推力和比冲的增加。结合离子电流和推力比冲的对比结果，推力器模式下，离子占气体工质的比例高于阴极模式下的比例。

图12 不同气流下的离子电流Fig.12 Ion current of the HCT at different gas flow

图13为相同电流和气体流量条件时两种模式下RPA所测得的离子电流伏安特性，可以看出，推力器模式下的离子电流要高出阴极模式下的离子电流20倍左右。发射体外置后，由于阴极内部电势高于外部，离子逆着电势梯度向外运动，而内置发射体结构，内部电势低于触持极，离子逆电势梯度向阴极内部运动，因此推力器模式下能够获得的离子多于阴极模式。同时由图14，推力器模式下可以获得的离子能量主要分布在7 eV左右，而阴极模式下获得的离子能量分布较均匀。同样由于在阴极模式下，离子主要向阴极推力器内部运动，少量离子通过碰撞及扩散可以运动到推力器外部，但碰撞多次后，离子能量分布较均匀。而外置发射体时，阴极推力器中离子向外部运动，碰撞次数相较于内置结构大为减少，能量分布更为集中。

气体工质15 ml/min流量下，不同电流2 A、1.8 A和1.4 A，离子能量分布如图15所示。随着电流增加，离子能量主要分布在10 eV左右，随电流的变化量不大。在一定程度上说明阴极推力器工作较为稳定。而增加的电流没有转化为离子的能量，可能是增加的电流转化为了壁面的热量或者气体工质的内能。有待进一步验证。

图13 发射体内、外置结构RPA离子电流伏安特性Fig.13 Ion current-voltage characteristics of the HCT

图14 发射体内、外置结构RPA离子能量分布特性Fig.14 Ion energy distribution of the HCT in N-mode anf T-mode

图15 15 ml/min不同放电电流条件下离子能量分布Fig.15 Ion energy distribution of the HCT at different current,the flow rate is 15 mL/min

3 结束语

发射体内置的空心阴极推力器产生推力能够靠加热内部气体工质获得高温高压气体，气体工质膨胀喷出获得一定推力，并且可以工作在低电流低功率条件下，大约10 W左右。然而所获得的推力较小，比冲低，只有200～300 m/s，因此推进效率低。试验结果证明发射体外置的方法能够使空心阴极推力器的推力增加。在小流量条件下，推力和比冲的增加幅度显著，比冲能够达到1 300 m/s。并且由于发射体外置使得发射体辐射散热强度增加，发射体外置的空心阴极推力器的工作功率要稍高于发射体内置的空心阴极推力器，大约为10～20 W。并且根据离子参数的测量结果，在空心阴极推力器出口下游的1 cm处，发射体外置结构的离子通量要比发射体内置结构模式下高。并且发射体外置后，离子能量增加。根据离子能量诊断试验结果，离子能量高于阴极与阳极间的电位，高能离子的产生有助于增加推力器的比冲。发射体外置结构增加离子数量密度，存在加速离子而增加推力的机制。

由于空心阴极推力器在小流量工质条件下能够获得高比冲，并且在低电流条件下工作功率较低，因此为了匹配立方体卫星能够提供的功率，研究重点是发射体外置的阴极推力器在低电流、低流量下获得大推力，从而提高推进效率。

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(编辑：高珍)

Investigationonthemethodofimprovingtheperformanceofhollowcathodethrusterwithanouteremitter

LIU Chenguang,NING Zhongxi*,MENG Tianhang,HAN Xing,YU Daren

SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China

To improve the performance of the hollow cathode as a thruster,a hollow cathode thruster with an emitter mounted on the top of the keeper was developed.It is found that the thrust and specific impulse generated by hollow cathode with the outer emitter are higher than those produced by hollow cathode.A further study shows that the ion current and ion energy in hollow cathode with an outer emitter are both higher than those in hollow cathode,and it infers that there exist ions acceleration in thrust production mechanism in hollow cathode thruster with an outer emitter causing improvements in thrust and specific impulse.

hollow cathode; micro thruster;cathode mode; thruster mode;outer emitter

http://zgkj.cast.cn

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0079

V439+.2

A

2017-05-11；

2017-09-02；录用日期2017-09-12；< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-09-24 16:00:58

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170924.1600.002.html

国家自然科学基金(No.61571166,新型宽范围自适应热发射空心阴极研究)

刘晨光(1993-)，男，硕士研究生，1036558146@qq.com，研究方向为电推进

*通讯作者：宁中喜(1980-)，男，副教授，ningzx@hit.edu.cn，研究方向为电推进

刘晨光,宁中喜,孟天航,等.一种提高空心阴极推力器推力的发射体外置方法[J].中国空间科学技术,2017,37(5)：40-46.LIUCG,NINGZX,MENGTH,etal.Investigationonthemethodofimprovingtheperformanceofhollowcathodethrusterwithanouteremitter[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(5)：40-46(inChinese).