离子发动机关键技术分析

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国　防　科　技　大　学　学　报

第25卷第1期　　　　　　JOURNALOFNATIONALUNIVERSITYOFDEFENSETECHNOLOGY　　　　Vol.25No.12003文章编号:1001-2486(2003)01-0007-05

离子发动机关键技术分析

吴建军,张传胜Ξ

(国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙　410073)

摘　要:介绍了离子发动机的基本原理与结构,分析了离子发动机系统主要部件包括离子光学系统、空心

阴极、电离室、中和器等的工作原理与特性,指出了离子发动机的发展趋势。

关键词:离子发动机;离子光学系统;空心阴极;电离室

中图分类号:V475.1　　文献标识码:A

AnalysisoftheKeyTechnologyandWUJian2jun,ZHANG(CollegeofAerospaceandMaterialEngineering,410073,China)

Abstract:ThefundamentalofionTheoperatingprincipleandcharacter2isticsofthemainiontheionopticsystem,hollowcathode,ionizationcham2ber,Thedevelopmenttrendofionthrusteranditskeytechnologyisindicated.

Keyw:ionsystem;hollowcathode;ionizationchamber

离子推进属于比冲相当高的一种电推进方式,只要加速电压提高,其比冲可进一步提高。离子推进系统稳定、安全、无污染,推力范围较宽,应用范围较广,既可以用于大、中卫星,又可以用于小卫星;既可以用于定点卫星的姿态控制,又可以用于星际航行的主推进系统;既可以用于地月系统,又可以用于深空探测[1,4～6]。正因为有这些优点,NASA才把离子推进系统选为NSTAR工程的首选推进系统。离子发动机还特别适合于小卫星,NASA正在开发功率为011～013kW的小型离子发动机[7],直径只有8cm。离子发动机非常适合于星际航行[8],目前比较成功的型号有休斯公司的XIPS-13、XIPS-25以及NASA与休斯的XIPS-30(或NSTAR-30)。

我国在1992年已研制出来了Xe离子推进系统的原理样机,表明我国在离子推进技术方面已经有了一定的技术基础。当前,正在进行更加广泛深入的理论与应用研究,但是较难看到相应的公开研究报告与文献。离子推进具有较强的技术优势与先进性,在航天领域具有广阔的应用前景,值得研究。1　离子发动机基本原理与结构

离子发动机的基本原理是:采用一定的方法,将原子分解为离子与电子,离子在1000V以上的静电场的作用下,加速喷射而出;加速后的离子流由中和器释放出来的电子中和。

可以按照产生离子的方法,将离子发动机分成三类:电子碰撞电离式离子发动机、射频电离式静电离子发动机(RF)、场发射电离式静电离子发动机。目前,还有几类新概念发动机。例如,电子回旋加速器共振/微波放电电离式静电发动机,离子接触式静电发动机等[1,2]。离子发动机也可以按照所采用的推进剂、能量输入水平、发动机尺寸(径向直径)等进行分类。但是,无论哪种离子发动机,都需要有效的方法电离推进剂。因此,离子发生器显得格外重要,一般要求其产生单位离子所需能耗低、能产生较大的离子流、推进剂电离效率较大、有很长的工作寿命等。

可以按功能将复杂的离子发动机分为四个有机的组成部分:

Ξ收稿日期:2002-10-28

基金项目:国家863青年基金资助项目

),男,副教授,博士。作者简介:吴建军(

1967—

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　国防科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　2003年第1期8

(1)推力器:电离室(IonizationChamber)、离子空心阴极(HollowCathode)、环尖磁铁(RingCusp)、光学系统(IonOpticSystem)、中和器(Neutralizer);

(2)电源控制单元(PPU:PowerProcessingUnit);

(3)推进剂供给系统(PFS:PropellantFeedingSystem);

(4)数字控制接口单元(DCIU:DigitalControlInterfaceUnit)。

离子发动机的主要缺点是系统太复杂。例如,早期的Hg离子发动机的PPU系统有4000多个零件。采用Xe为推进剂后,仍有600多个零件,这还不包括约200个遥控用的零件。

2　主要部件功能和关键技术

离子发动机的推力器由电离室、离子光学系统、空心阴极、中和器四个部分组成。其工作过程是:空心阴极发射大量的电子,这些电子在电离室内电场的加速作用下,去撞击中性原子,使中性的原子电离为离子,离子通过光学系统得到加速,被中和器发射的电子中和。

2.1　电离室

图1为典型的电离室结构[13]。,,势上,空心阴极与点火电极位于电离室内,(SmCo5)产

生。,,。磁铁是一个图1　磁尖环离子发动机电离室结构图[13]

Fig.1　Theconstructionofionizationchamberforringcuspionthruster[13]

没有磁场的电离室几乎是不能工作的,磁场是电离室的关键部分,主要用来约束电离室内由气体放电形成的放电等离子体。阴极发射的电子叫做初级电子(PrimaryElectrons),电离室内还有热电子。并不是每个初级电子都会电离一个中性原子。实际上,初级电子的平均自由程远远大于电离室的尺寸,如果不采取措施,极大部分的初级电子会直接撞击在阳极表面上。另外,少数能量很高的电子会将推进剂原子剥去两个电子,这种带两个单位电荷的离子将会破坏加速网栅。为了克服这个困难,人们在电离室内引入了磁场来使初级电子沿着螺旋轨道回到阳极。这样就使初级电子碰撞中性原子的机会大大增加,大大提高了电离效果。这时,阳极只负责收集热电子。磁场强度要与电子运动半径相适应。从阴极释放出来的初级电子大约为电离室内电子总数的10%,剩下的电子主要来自离子的电离过程。初级电子更为活泼,参与50%的离子生成。

电离室的重要性能指标是离子生成能∈P,通常为100eV/ion左右。离子生成能∈P对磁环的位

(电场、置、磁场的分布、电离室的几何形状很敏感。电离室内“三场”磁场、流场)的相互影响很复杂,因

为电荷的运动将会激发附加的电磁场,将反过来改变电荷的运动。等离子体的不稳定性是众所周知的

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吴建军,等:离子发动机关键技术分析9

问题。因此,较准确地估计放电腔内的离子、电子、中性原子的空间与能量的分布显得格外重要,特别是等离子体鞘内的分布。在20世纪60～80年代,人们针对Hg离子发动机进行了研究。80年代中后期开始,基本上以Xe为研究对象。2.2　光学系统

光学系统的原理与结构如图2所示(尺寸来自

XIPS-30)[10,11],主要由屏幕电极与加速电极组成。电

离室内的离子通过等离子体鞘进入加速区,离子将在电

场的加速作用下,沿着孔径轴线高速喷射而出。屏幕电

极和加速电极都是上面打孔的薄板电极,位于电离室的

出口。屏幕电极和加速电极之间加上强电场,电极板间

相互绝缘。一部分离子流到电极和电离室其它表面上,

会导致推进效率的降低。大部分离子通过网栅飞向加

速电极,通过网栅和加速电极的离子流变得较为平行。

加速电压(屏幕与加速电极间的电势差)根据空间

电荷限和其它因素选定。对Xe而言,1200V。实际上,,图2[11]2principleofionopticsystem[11]之间放电击穿,,使得离子直接撞击在网栅上,从而大大降低了寿命。0.,很容易碰在一起,引起短路。目前的发展趋势是采用C-C复合材料代替[3,4,16]。因为C-C复合材料几乎具有负的热膨胀系数,并且击穿电压高于5000V/mm。据此,网栅可以制成平面,极大地降低了工艺要求。由于栅距减小,流量可以增大,推力可以提高。

电极的几何外形(包括孔的直径、数量)和电极间距的确定,应使离子流基本不碰撞,达到理想的离 …… 此处隐藏：6512字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……