铋工质阳极层推力器的研究与发展

徐宗琦，蔡东升，王平阳，杭观荣，李林

（1.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240；2.上海空间推进研究所，上海 201112；3.上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112）

0 引言

霍尔推力器包括稳态等离子体推力器（Stationary Plasma Thruster，SPT）和阳极层推力器（Thruster with Anode Layer，TAL），两者采用相同的电离与加速机制，但在结构尺寸设计和组成材料的选择方面存在差异［5］。其中，SPT 成功完成了近地卫星姿态控制、轨道保持、轨道转移等多项航天任务［6-8］，是中小型航天器动力系统的首选［9］。而深空探测任务对航天器的推进系统提出了高比冲和大推力的要求［10］，核电技术的成熟为该任务提供重要的能量保证，寻求一种高效率、高可靠性的电推力器成为当前面临的主要难题［11］。研究表明，采用SPT 以氪作为工质在高功率运行时，电子运动行为的改变导致阳极能量沉积加剧，过高的阳极温度限制比冲的提高［12］，无法满足任务需要。双级TAL 在放电通道内将电离区与加速区分离，使功率最大程度地用于离子加速，可减少电离消耗的过多功率，克服SPT 高功率运行的弊端。

在电推力器工质的选择方面，综合考虑稳定性、电离特性以及与航天器材料的兼容性，目前氙气、氪气、氩气等惰性气体被普遍应用于各种电推进装置，取得较好效果［13］。其中，氙气具有原子质量大、电离能低、电离碰撞截面大等优势，在推进装置的地面测试和空间任务中通常被率先使用。然而，氙气是极为珍贵的惰性气体，在其他领域也发挥不可或缺的作用。即使气体被高压贮存，其与固体的贮存密度也存在较大差距，造成在深空探测任务中必须携带大量高压推进剂，增大发射成本和安全风险。因此，寻求适用于TAL 且性能优异的固体推进剂具有极大的研究价值，在此背景下，金属铋引起了科研机构的重点关注。

1 研究发展现状

在电推进领域，关于铋工质TAL 的研究主要集中于苏联和美国的科研单位，国内尚处于氙工质TAL 的研究阶段。从20 世纪60 年代以来，苏联的中央机械制造研究院陆续开展了各种型号TAL 的理论和实验研究工作，并将铋列为可选择工质之一。D-160 型为苏联首台测试的铋工质TAL，该推力器总质量为70 kg，采用双级结构，并配置水冷系统冷却磁路，工作电压超过8 kV，极限功率约为140 kW，最高比冲接近8 000 s，效率达到0.70，成为目前验证功率最高的TAL［14-15］。随后，该研究机构完成了D-200 型TAL 的研制与测试，其采用了磁路辐射散热的设计方法，与D-160 结构基本相似，质量仅为20 kg，功率范围为10～34 kW，比冲范围为2 000～5 200 s。其在功率为25 kW 条件下工作时，比冲为3 000 s，推力为1.13 N，效率为0.67［15］。随后，中央设计制造研究院相继研制出若干型号双级TAL，并采用氙工质进行点火测试，包括D-80、D-100 和TM-50 等。其中，D-80 在以单级模式工作时，工作电压范围为300～1 700 V，比冲为1 630～4 140 s，功率为1.0～8.7 kW；以双级模式工作时，放电电压为100 V，功率为1.3～8.2 kW，比冲为1900～3600s［16］。D-100为单级TAL，工作电压为300～600 V，比冲为1 460～2 770 s，功率为1.35～7.5 kW，效率为0.42～0.62［17］。TM-50质量约为30.5 kg，设计的最大功率为50 kW，比冲为3 000～7 000 s，以单级模式在25.4 kW 功率下工作时，推力、比冲分别为0.966 N 和3 325 s，效率为0.62［18］。各型号TAL 实物如图1 所示，在多种TAL型号研制和测试过程中，大量的实验数据表明，双级结构设计更有利于TAL 在高功率状态下运行，并获得较高的效率［19］。

图1 阳极层推力器实物Fig.1 Objects of thruster with anode layer

21 世纪初期，美国与苏联启动了太阳系外探测任务，NASA 喷气推进实验室、中央机械制造研究院以及斯坦福大学联合开展了超高比冲阳极层霍尔推力器（VHITAL）项目［20］，研制出了采用铋工质的双级VHITAL-160 型TAL，如图2 所示，该推力器延续了D-160 和D-200 样机的设计结构。同样采用双级加速方法，设计功率范围为25～36 kW，工质流量为9～11 mg/s，放电电压为150 V，加速电压为4 750～8 000 V，放电电流为5～6 A，加速电流为4.2～5.0 A，比冲为6 000～8 000 s，推力为0.65～0.71 N，推力效率为0.78～0.79［21］。然而，推力器实验获得的实际值与设计值略有偏差，实际功率范围为25.24～36.755 kW，工质流量为8.0～9.8 mg/s，放电电压为130 V，加速电压为4 800～8 000 V，放电电流为4.85～5.85 A，加速电流为4.25～5.10 A，比冲为5 375～7 667 s，推力为0.527～0.618 N，推力效率为0.56～0.63［22］。

图2 VHITAL-160 实物Fig.2 Objects of VHITAL-160

2008 年，美国密西根理工大学报道了直接采用铋蒸气进行霍尔推力器点火技术的研究，主要考察多孔铋蒸发器几何形状和性能对铋蒸气流量的影响［23］。2012 年，Busek 公司在用于霍尔推力器的高密度推进剂调研中报道了采用铋工质在阳极电压分别为300、500 V 条件下推力器的性能参数，发现推功比高于BHT-1500 大约16%，并推测Bi 具有比Xe 更高的使用率［24］，放电通道在推力器未放电时和放电时的状态如图3 所示。2017 年，Busek 公司对铋工质霍尔推力器进行深入研究发现，该推力器除了具有工质利用率高的优势外，在热设计方面存在较大的优化空间，适当地提高放电功率可以补偿加热功率，并降低能量损失。同时，羽流中心形态与氙工质相似，在大发散角位置发生电荷交换的离子数量较少，法拉第探针能够收集到其所在位置99%的离子［25］。

图3 铋工质推力器放电通道Fig.3 Discharge channel of bismuth thruster

在有关铋工质霍尔推力器的测试中，科研人员基本全部采用以惰性气体为工质的空心阴极与铋工质阳极进行联试，而该方式的实际在轨应用不仅加剧了推进系统的复杂性，而且提高了经济成本。因此，实现霍尔推力器阳极与阴极工质的一致性一直是科研单位追求的目标。2005 年，美国密西根理工大学MAKELA 等对LaB6发射体阴极进行铋工质点火测试，研究发现，铋贮箱温度达到960 ℃在2～16 A 的放电电流范围内，放电电压具有与相同条件下采用氙工质点火相似的变化趋势，但数值偏大，且仅依靠控制温度的方法改变铋工质流量会引起较大误差［26］。2006 年，MAKELA等对铋工质LaB6空心阴极在恒定质量流量下工作特性开展了深入研究工作，发现贮箱内过滤并加热固体铋的多孔不锈钢的温度影响铋的蒸发与流动状态，而铋工质质量流量主要受阴极孔温度的影响［27］。铋工质阴极装配和工作时状态如图4所示。

图4 铋工质空心阴极Fig.4 Bismuth hollow-cathode

国内主要有上海空间推进研究所［28］、核工业西南物理研究院［29］、哈尔滨工业大学［30］等单位开展了阳极层霍尔推力器的研究工作，在推力器结构设计、磁场优化以及壁面侵蚀等方面取得了一定的成果，目前尚无关于铋工质的研究情况，根据国外已有的研究经验，铋工质TAL 在大功率的深空探测领域必将发挥积极优势［31］。

2 性能优势

随着工业科技的发展，多种金属、非金属物质的开采和提纯技术得到不断提高，使得电推力器工质的选择范围不再局限于惰性气体，目前被各国研究学者广泛认为可作为霍尔推力器推进剂的物质见表1，并与氙和氪作性能对比［32］。从表中可以看出，铋在电离能和经济成本上具有明显优势，较大的原子质量有利于提高推力器的推力性能，但较高的熔点和沸点意味着对贮供、输运系统提出了更高的要求，增大了该系统的设计难度，尤其体现在温度控制的方式和兼容材料的选择方面。

对2株乳酸菌产酸能力的测定结果见表6，R1和R2均具有较好的产酸能力，能有效地降低发酵体系的pH，从而产生酸醡肉特有的酸味，并且其产生的酸性环境能有效地抑制其他杂菌的侵染，防止发酵过程发生腐败。对比2株乳酸菌的产酸能力可知，R1产酸能力优于R2，因此在实际发酵剂的配制过程中，可根据目标产品的风味要求调整2种菌株的使用配比。

表1 霍尔推力器可选择工质对比Tab.1 Comparison of selected propellants for Hall thruster

将铋工质与目前最常用的氙工质进行物理性质的深入对比，两者的电离碰撞截面分别为8.0×10-16、4.8×10-16cm-2，贮存密度分别为9.8、1.6g/cm3，第一电离能分别为7.3、12.1 eV，第二电离能分别为16.1、21.2 eV［33］。因此，在相同外界条件下，铋更易电离，且携带相同质量的推进剂时，铋占用更小的空间，无需配置高压气瓶和减压阀等附加设备，更适用于工作时间长、飞行距离远的深空探测任务。然而，铋工质的熔点与沸点温度相差较大，在推力器贮供系统中可以实现以固态贮存，液态输运、气态电离的形式工作，铋的热力学性质成为重点研究的问题。众所周知，液体的饱和蒸气压与温度有关，通常情况下温度越高，液体分子从表面溢出成为气体分子的速率越大，导致液体上方的蒸气压力升高。当液体的蒸发速率与气体的液化速率相等时，对应的蒸气压力即为液体在此温度的饱和蒸气压。2008 年，美国密西根理工大学MASSEY 研发一种铋工质新型多孔钼蒸发器，其中铋饱和蒸气压与温度的关系为［34］

式中：A=13.317，B=-10 114，C=-0.86，均为常数；T为铋蒸气温度。

对于霍尔推力器，铋工质从阳极蒸发的质量流量与阳极温度的关系为［34］

式中：Av为铋蒸气蒸发截面积；m为铋原子质量；k为玻尔兹曼常数；Ta为阳极温度。

铋液体密度为［35］

式中：c1=10.028 g/cm3，c2=1.213 kg/（m3·K），为常数；当液体铋温度为545～1 500 K 时，Tref=544.55 K。

铋蒸气密度可通过理想气体状态方程确定，即：

式中：M为铋的摩尔质量；R为气体常数。

当铋蒸气温度为1 173 K 时，铋的蒸气压力约为113.51 Pa，密度约为3.65×10-3kg/m3。

铋工质相对较低的蒸气压能够带来诸多优势，在推力器的地面测试中，原理样机和诊断设备的背压更接近宇宙空间，测得的数据结果更能反映推力器在轨的真实情况。在推力器的在轨运行中，铋工质更适合长期贮存，管路和贮箱内的低压环境可免去额外的温度控制［25］。综上所述，铋工质的优势主要体现在以下几个方面：①使用成本低；② 贮存密度高；③电离碰撞截面大；④ 工质利用率高；⑤ 常温易凝固，无毒无污染。

3 组成结构与工作原理

TAL 与稳态等离子推力器相比，在放电室、阳极/气体分配器、磁路材料选择和结构设计方面均有所不同。TAL 的放电室通常采用石墨或耐削蚀的金属制成，且离子加速通道较短，减少了放电通道壁面成分的溅射产额［36］。TAL 的阳极既具有极高电势，也作为工质进入放电室的入口，为提高工质流动的均匀性，通常设计为中空多层多孔结构。因此，阳极/气体分配器通常选用熔点高、导热性强、热碰撞系数小的材料制成，根据推力器的功率由低到高依次可选择不锈钢、石墨及钼等［28］。其中，金属钼在D-160型和VHITAL-160 型等大功率TAL 上得到应用。根据分析和研究结果推断，采用双级结构设计的阳极更有利于充分发挥铋工质的性能优势，同时可以提高铋工质利用率和推力器效率。双级结构主要目的是将电离与加速过程解耦，其中阳极/气体分配器作为第一阳极，包裹阳极/气体分配器的金属护环作为第二阳极，两者之间电势差约为150～250 V，为工质的电离提供能量；通道边缘的金属护环作为阴极，第二阳极与阴极之间电势差可达几千伏，为离子的加速提供能量。合理的磁场强度和位形是TAL 能够稳定工作的重要保证，为使磁极能够承载强磁场，且在高温条件下磁性不发生改变，需使用居里温度较高且磁饱和强度较大的导磁材料作为磁路组件，DT4 和1J22 居里温度分别为770 ℃和980 ℃，是目前常用的磁路材料［26］。考虑到大功率推力器强烈的热效应，通常使用中心磁柱与4 个外磁柱的布局提供外加磁场，磁极形状和励磁线圈的安匝比决定磁场的空间位形，励磁电流的强度决定磁场强度。双级TAL 的结构如图5所示［37］。

图5 双级阳极层推力器结构Fig.5 Diagram of a two-stage thruster with anode layer

铋工质TAL 与传统TAL 的工作原理基本相同，其主要特点体现在铋的贮供系统和电离加速机制方面。固体铋金属受热后以蒸气形式进入放电室与电子发生碰撞而被电离为铋等离子体，铋离子被轴向电场加速喷出产生推力。可通过控制输运管路温度使管路内的铋工质以液体或气体形式输运至阳极/气体分配器内，中性铋粒子依次经过电离阶段与加速阶段后进入羽流区域。空心阴极主要起到两个作用：①为放电室内铋工质的电离提供种子电子；② 中和羽流离子。

4 关键技术

与惰性气体作为工质的TAL 相比，铋工质TAL 的关键技术主要有以下几个方面：贮供的设计、磁场的设计以及阴极的设计。

4.1 贮供的设计

虽然铋工质能够以常温常压贮存而无需减压阀等配套装置，但是增加了高温加热器以及保温隔热材料之后，提高了贮供系统的复杂程度。目前，国外研究学者对于铋贮供系统的设计和实验表明，铋以液态或气态在管路内流动均具有可行性，两者各有利弊［38-41］。其中，铋蒸气流动技术较为成熟，实施方式为将蒸发器直接埋入铋固体粉末中，并施加大电流持续加热，利用欧姆热效应使固体铋熔化，蒸发管中心附近铋的温度最高，液体铋进一步受热蒸发，在蒸气压的推动下铋蒸气扩散并进入输运管路和阳极/气体分配器，贮罐内蒸发器内外的液体铋在液面高度差引起的压强作用下不断补充进入蒸发管内，直至铋工质消耗完毕；铋液体流动技术较为新颖，实施方式为将贮箱直接加热至铋熔化温度以上，使贮箱内的铋固体成为液体，再依靠电磁泵和热式流量计将铋液体输运至推力器工质入口，由高温多孔过滤筛进一步加热，使液体成为蒸气进入阳极/气体分配器。铋蒸气流动依靠蒸气压的作用，结构简单，但蒸发器和输运管壁理论上均需保持不低于铋的蒸发温度而消耗较多能量，且仅依靠调节温度间接控制铋蒸气流量，误差较大；铋液体流动仅需保持贮罐和输运管壁不低于铋的熔化温度，消耗能量较少，依靠热式流量计控制铋液体流量的方式提高了精度，但管路还需安装电磁泵和多孔过滤筛，结构复杂，两者的可靠度对贮供系统工作的稳定性影响较大［42-43］。总之，加热方式的选择和温度控制的方法是固体工质电推力器贮供系统的研究重点，结合铋工质自身特性的贮供设计也是未来需要研究和掌握的关键技术之一。

4.2 磁场的设计

TAL 是依靠电磁场对等离子体的作用而稳定工作，电场与磁场的耦合程度决定推力器的性能，而放电室内电势变化通常也由磁场强度分布决定。磁场设计的基本准则是电子被磁化而离子不被磁化并提高工质的电离率，减小羽流发散角。与SPT不同的是，TAL 无磁屏，当使用铋作为工质并以高功率工作时，需要强磁场约束高温高速电子，另外铋原子的质量和电离特性也是磁场位形和强度设计的决定因素。磁场设计是否合理可通过模拟和实验的方式判断，模拟法是基于推力器的仿真模型，先使用有限元仿真软件获得磁感应强度的空间分布状态，再采用粒子或流体法模拟铋的电离与加速过程，接着根据等离子体参数的数值和分布计算推力与比冲，最后对磁场的合理性进行评估与优化；实验法是在推力器工作过程中，通过改变内外线圈的安匝比实时调节磁场强度和位形，观测推力或等离子体羽流参数的变化情况，获得最佳的磁场参数。磁场的设计较为复杂，且铋工质TAL 工作时形成的极高温环境可能会引起磁路结构的导磁能力发生改变，因此还存在诸多需要思考和解决的问题。

4.3 阴极的设计

发射电子的能力是衡量阴极的主要标准，空心阴极技术成熟，是与TAL 联试中主要采用的阴极。空心阴极消耗的电功率和工质的质量流量影响整个推力器的效率，其设计目的是既满足推力器工作所需电流，又减少工质和功率的消耗。根据国外的研究情况，铋工质空心阴极尚处于原理样机的探索验证阶段，铋工质TAL 与氙工质LaB6空心阴极耦合点火是目前国外开展推力器地面实验的主要实施方式，但以此方式进行空间在轨工作仍需携带高压气瓶和减压阀等装置，并未实现全固体工质电推进的目标，因此研发铋工质空心阴极具有重要意义。从组成结构上分析，铋工质空心阴极也需从发射体、阴极管、触持极以及加热器等主要部件进行分析与设计，试验难点在于维持铋的蒸发温度、监测铋的质量流量等，另外还需考虑材料与铋的兼容性以及高温环境的稳定性等［44］。

5 结束语

近年来，中等功率电推进技术的日臻成熟为未来拓宽电推力器功率量级奠定基础，数十甚至上百千瓦的大功率电推力器必将成为新的研发对象。铋工质TAL 将铋的性能优势与TAL 的工作原理相结合，且采用双级设计更有利于实现大功率、高效率和高比冲的目标。然而目前仍存在若干关键技术需要突破和掌握，核心在于整个推进系统的温度控制、材料选择以及结构布局等方面。其中，温度控制包括贮箱的加热与保温，以及阳极和阴极工作前的预热，目的是通过控制铋蒸气压力而控制流量，且保证铋蒸气不发生凝结；要求所选材料与铋有良好的兼容性，且具有耐高温、抗腐蚀、易加工等特点；结构布局合理，既要满足传统TAL 的一般要求，又要针对铋的特殊性进行改进，可以从加热器的位置布局、阳极/气体分配器和阴极小孔的尺寸设计、磁极和磁屏的位置及尺寸等方面进行考虑。

未来实际空间应用中，还应对推力器的机械强度、电路连接、设备调控等进行综合验证，并控制推力器羽流发散角度，以避免羽流离子被中和后形成的铋固体颗粒沉积在航天器表面造成的电子设备发生短路等问题。总之，铋工质TAL 具有巨大潜力，可以从原理样机的性能探索到工程样机的技术验证，再到实际产品的空间运行的过程逐步发展，争取早日实现在轨应用。