電推進及離子發(fā)動機研究背景與意義?推進系統(tǒng)的功能為航天器提供動力分類：冷氣推進、化學(xué)推進、電推進等與化學(xué)推進相比電推進多了PPU和DCIU，如圖?電推進的特點（1）比沖高（2）推力?。?）屬外能系統(tǒng)電推進系統(tǒng)基本組成示意圖推進劑的選擇離子推進系統(tǒng)的推進劑應(yīng)該首選相對原子質(zhì)量較大的原子，因為其熱運動速率比較小，這樣在推進劑未被電離的情況下從柵極的逃逸損失比較小。其次要選擇那些二次電離能較大、電荷交換率低的原子，這樣可以延長推力器壽命。最后，要選擇沒有汽化現(xiàn)象、方便存儲的推進劑，這樣可以簡化儲罐及推進劑控制處理系統(tǒng)。考慮到上述因素，早期使用銫及汞推進劑。汞有毒性，銫表面張力太大。目前以被氙代替。氙氣在所有性能指標的兼容性達到了最好的平衡，只是氙氣做推進劑的成本比較高。常用工質(zhì)原子量和電離電位元素原子量一次電離位/eV二次電離位/eVCs132.97.2525.1Hg200.64.818.75Xe131.37.3421.21Kr83.811.524.36Ar39.9524.1322.63離子推進系統(tǒng)的組成離子推進系統(tǒng)按照功能可以分為四個組成部分：?推力器（Thruster）：電離室、空心陰極、永久磁體、離子光學(xué)系統(tǒng)、中和器?推進劑供給系統(tǒng)（PFS）：按照發(fā)動機工作要求的壓力和流量提供推進劑

?電源處理單元（PPU）：為發(fā)動機提供電能?數(shù)字控制接口單元（DCIU）：接收來自地面的控制信號、PPU、PFS、電離室的反饋信號，然后進行綜合判斷，發(fā)出控制PPU、PFS、電離室的信號NSTAR離子推進系統(tǒng)離子推力器的組成

放電室光學(xué)系統(tǒng)（柵極）中和器電子轟擊式離子推力器工作原理放電室空心陰極永磁體推進劑供給環(huán)柵極中和器電子轟擊式離子推力器放電室的結(jié)構(gòu)和組成放電室由金屬材料制作而成，其作用是為推進劑電離后形成的等離子體提供一個容器。另外，放電室在電離推進劑原子的過程中充當陽極的作用，其電壓為陽極電壓，電子最終會撞擊到電離室壁上而被吸收。除此之外，放電室還充當了整個發(fā)動機的結(jié)構(gòu)支撐部件，空心陰極、永磁體、推進劑供給環(huán)、柵極和中和器等均安裝在電離室上。放電室中的磁場電離室中的磁場是電離室結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，主要用來約束電離室內(nèi)由氣體放電形成的放電等離子體，沒有磁場的電離室?guī)缀跏菬o法正常工作的。使推進劑原子電離的主要是空心陰極發(fā)射的初始電子，而實際上初始電子的平均自由程遠大于電離室的尺寸，并不是每個初始電子都會撞擊到中性原子，如果不采取措施，大部分的初始電子會直接撞擊到陽極（電離室壁）上，而起不到電離的作用。放電室中的磁場除此之外，能量較高的電子還會撞擊原子使其失去兩個電子，形成二次電離離子，這種離子會加快柵極的腐蝕。為了解決上述問題，在電離室中加入磁場，使電子在磁場的作用下做螺旋運動，增加了電子在電離室中運動的距離，因此也就增加了電子與中性原子撞擊的機會，提高了電離效果。永磁體的布置（電子轟擊式放電室）釤鈷永磁體環(huán)形會切磁場永磁體安裝在電離室內(nèi)部，一般采用釤鈷永磁體（SmCo），目前的離子發(fā)動機多采用環(huán)形會切磁場結(jié)構(gòu)。在電離室的底面上靠近空心陰極的外圈安裝一個永磁環(huán)，在電離室圓柱壁面上安裝兩個永磁環(huán)，從而形成環(huán)形會切磁場，磁力線中止于陽極表面。靜磁場的數(shù)學(xué)描述釤鈷永磁體放電室等離子體的主要組成原初電子(primaryelectron)二次電子(secondaryelectron)離子（一價、二價）中性原子（neutral）放電室中等離子體的分布放電室中中性原子的分布放電室中原初電子的運動放電室電流的組成Ie—陰極電子電流Ik—返回到陰極的離子電流IL—陽極原初電子電流Ia—陽極二次電子電流Iia—陽極離子電流IB—離子束流（柵極引出）電流Is—屏柵極(離子)電流放電室電流平衡陰極處（屏柵電勢與陰極相等）陽極處放電室與推力器性能等離子體離子生成耗費(plasmaionproductioncost)束流離子生成耗費（放電損耗）(beamionproductioncost)放電電流和放電電壓放電室中離子生成率（電流形式表示）離子束流電流（從柵極中引出）放電室與推力器性能兩者關(guān)系：其中，為柵極引出離子電流（離子束流電流）與放電室離子電流之比推進劑利用率為進入放電室的中性原子的流量（電流形式表示）放電損耗與推進劑利用率的關(guān)系—Brophy模型為基準（等離子體）離子生成損耗，與推力器幾何尺寸、磁場強度、推進劑的電離電位和激發(fā)電位有關(guān)。與推進劑的溫度和電離截面有關(guān)。與放電室工作參數(shù)特別是放電電壓Vd有關(guān)放電損耗-效率曲線的物理解釋如果主陰極的電子發(fā)射率較低，大多數(shù)的能量提供給原子，用來產(chǎn)生離子，εB是其基準能量，但是許多中性原子還是不能被電離，以原子的形式逃逸出柵極。這樣ηud比較低。當電子發(fā)射率增大到一定值時，大多數(shù)的推進劑都可以被電離，同時有許多電子沒有參與推進劑原子的電離，它們就會攜帶一部分能量到達陽極，這樣束離子能量“成本”劇增。離子發(fā)動機光學(xué)系統(tǒng)離子光學(xué)系統(tǒng)位于電離室的下游，是發(fā)動機推進劑的出口。其主要功能是將電離室中的推進劑離子引出，并加速到極高的速度，向后噴出以產(chǎn)生推力。離子光學(xué)系統(tǒng)的工作原理

離子發(fā)動機工作過程的本質(zhì)是通過靜電場的電場力使推進劑離子加速，獲得推力推進劑離子的電量加速電壓推進劑離子的質(zhì)量推進劑離子獲得的速度離子源離子V=V0V=0xx=0x=xa用于加速的柵極離子加速的一維模型示意圖

離子發(fā)動機光學(xué)系統(tǒng)工作原理?推力的理論計算方法?實際推力的計算公式

由于束流的發(fā)散引起的推力損失電離室中的雙荷離子對推力的影響

Child-Langmuir方程離子推力器受空間電荷極限的限制，其離子流量存在一個極限離子發(fā)動機光學(xué)系統(tǒng)雙柵系統(tǒng)的屏幕柵極帶正電，一般為1000V以上。加速柵極帶負電，一般為幾百伏。柵極的加工與裝配離子發(fā)動機的柵極都是很薄的電極板，是由導(dǎo)電材料制作成的,上面打有幾千或上萬個柵極孔，屏幕柵極孔與加速柵極孔必需按照設(shè)計要求對中，否則會對發(fā)動機性能產(chǎn)生影響用于制作柵極的材料包括鉬、鈦和C-C復(fù)合材料等，一般由液壓成型方法制造。C-C復(fù)合材料是較好的柵極材料，因為它具有負的熱膨脹系數(shù)，這樣就可以將柵極加工成平面鉬柵極則需要加工成球面，以避免熱膨脹而引起柵極之間接觸短路。球面柵極照片雙柵系統(tǒng)

雙柵系統(tǒng)由屏幕柵極和加速柵極組成。屏柵的作用主要有三個：一是在正常工作條件下，屏柵將放電室等離子體邊界限制在柵極上游；二是將放電室等離子體中的電子限制在放電室內(nèi)，屏柵電壓（等于放電室陰極電壓）低于放電室陽極電壓，以實現(xiàn)屏蔽電子的功能；三是將放電室等離子體中的離子通過屏柵孔聚焦引出。

加速柵的主要作用有兩個：一是加速經(jīng)屏柵引出的離子，使其達到預(yù)定的速度；二是屏蔽加速柵下游中和器發(fā)射的電子，使電子不能經(jīng)過柵極孔向放電室回流。三柵系統(tǒng)

三柵系統(tǒng)除了有屏幕柵極和加速柵極外，還有一塊減速柵極，安裝在加速柵極的外側(cè)。主要功能：減速柵極電勢接近于零伏，可有效減少下游的交換電荷離子對柵極的濺射腐蝕；柵極附近電勢和離子分布凈總加速電壓在柵極中，定義凈總加速電壓比為

式中，VN和VT分別為放離子束中離子的凈加速電壓和總加速電壓，二者的表達式分別為

兩式中，VD為放電室中陽極電位，即等離子體懸浮電位，VS為屏柵電壓，VA為加速柵電壓，因為加速柵施加的電壓為負，所以式中加絕對值號。凈總加速電壓與離子束散角凈總加速電壓比反映了加速場和減速場對離子聚焦和散焦的程度，即該值是決定離子推力器離子束發(fā)散角的一個重要參數(shù)。R值越大，說明加速柵上施加的負電壓值相對越小，離子束發(fā)散角就越小。通常，離子推力器的凈總加速電壓比值在0.85~0.90之間。交差極限與導(dǎo)流極限狀態(tài)抽取電流過小將導(dǎo)致離子推力器工作在交差極限狀態(tài)。抽取電流過大會導(dǎo)致離子推力器工作在導(dǎo)流極限狀態(tài)。jb=0.24mA

交差極限導(dǎo)流極限正常聚焦屏柵極上游鞘層鞘面的形狀和它的相對位置，是由等離子體的密度、溫度、柵極電勢等因素決定。je=0.02mA、0.16mA、0.24mA

上游鞘層面形狀和位置的變化導(dǎo)致離子軌跡的變化!!!不同抽取電流（不同等離子體濃度）情況下屏柵上游鞘層面形狀和位置的變化電子回流（改變加速柵極電壓）電子回流（改變加速柵極半徑）腐蝕引起的加速柵極半徑擴大會導(dǎo)致電子回流！束流中的電荷交換離子電荷交換碰撞電荷交換粒子生成率電荷交換碰撞截面束流中交換電荷離子的分布電荷交換碰撞產(chǎn)生的氙離子空間分布圖

加速柵極的腐蝕?如何確定離子發(fā)動機的壽命是一項重要的研究內(nèi)容?決定離子發(fā)動機壽命的一個重要因素就是柵極的腐蝕?加速柵極下游表面腐蝕最為嚴重，是由電荷交換碰撞形成的慢速離子撞擊柵極造成的?壽命實驗消耗巨大，需要上萬小時(NSTAR超過3萬小時)，數(shù)值方法則可以大大降低費用，節(jié)約時間加速柵極的腐蝕加速柵極的腐蝕?腐蝕率腐蝕率是指柵極表面單位時間的腐蝕深度，腐蝕率由下式計算

J離子入射電流密度，統(tǒng)計得到

Y濺射產(chǎn)額，每個入射離子所轟擊出的材料原子的個數(shù)被轟擊材料的密度

Mg

被轟擊材料原子的質(zhì)量腐蝕率和柵極表面離子撞擊電流密度、濺射產(chǎn)額、以及柵極材料的物理性質(zhì)有關(guān)加速柵極的腐蝕?濺射產(chǎn)額

腐蝕率計算中的關(guān)鍵是濺射產(chǎn)額Y的計算，采用試驗數(shù)據(jù)擬合與修正方法計算濺射產(chǎn)額。濺射產(chǎn)額與離子入射能量和入射角有關(guān)，因此首先利用濺射產(chǎn)額與離子入射能量關(guān)系的試驗點，擬合出曲線氙離子對不同金屬的濺射產(chǎn)額曲線

加速柵極的腐蝕?入射角對濺射產(chǎn)額的影響入射角對濺射產(chǎn)額的影響是通過對擬合出的濺射產(chǎn)額進行修正而得到，入射角是指離子的入射方向與材料表面法向之間的夾角

入射能量為350eV時氙離子對鉬材料的濺射產(chǎn)額與入射角的關(guān)系曲線

加速柵極的腐蝕加速柵極下游表面腐蝕深度分布單位μm，工作時間800小時加速柵極下游表面腐蝕照片

數(shù)值模擬出的加速柵極下游表面三維圖

延長柵極壽命的措施(1)采用三柵極(2)降低加速極電壓（但可能會造成電子回流）(3)更換柵極材料柵極其他問題柵極極間短路控制柵極間距控制放電室碎片的大小陰極技術(shù)種類功能——發(fā)射電子(1)金屬熱陰極：鎢、鉭、錸金屬熱陰極(2)薄膜陰極(3)厚涂層陰極(4)金屬陶瓷陰極：鋇鎢陰極(5)其它發(fā)射材料陰極：六硼化錸(LaB6)(6)場發(fā)射陰極

三種發(fā)射體材料陰極性能比較陰極類別工作溫度加熱功率最大發(fā)射電流抗中毒能力耐轟擊能力氧化物950oC左右小約2A/cm2差差鋇鎢1100oC左右小約10A/cm2中中LaB61700oC左右大60~100A/cm2強強空心陰極的原理空心陰極比一般固體棒狀陰極壽命長，其結(jié)構(gòu)為一個圓柱形的金屬筒?？招年帢O的前端有一陰極孔，金屬筒里有低功函的材料，如Al2O:CaO:BaO或LaB6，金屬筒的外壁纏有加熱器，通電后會對陰極進行加熱。推進劑通過空心陰極進入推力室，從空心陰極出來的基本是電子，也包括一些離子和中性原子?？招年帢O結(jié)構(gòu)——陰極管和陰極頂板空心陰極由陰極管、頂板、發(fā)射體、加熱器和觸持極等組成。常用陰極管材料為抗濺射難熔金屬,如鈰鎢、鉭、鉬、鉬錸等合金。陰極頂板中心開有小孔(陰極孔),以增加陰極管內(nèi)部的推進劑氣壓而易產(chǎn)生內(nèi)部等離子體放電。頂板材料一般為鈰鎢、鉬、釷鎢等合金,用電子束焊接于陰極管,亦可與陰極管組合成整體加工件?？招年帢O結(jié)構(gòu)——發(fā)射體柱筒形發(fā)射體位于陰極管內(nèi),并緊貼陰極管內(nèi)壁和頂板。電推進陰極發(fā)射體主要有鋇鎢和LaB6兩種材料。鋇鎢發(fā)射體由燒結(jié)的多孔鎢浸漬氧化鋇、氧化鈣和氧化鋁的混合物構(gòu)成,其中多孔鎢為基體,混合物為源材料。多孔鎢空隙度一般約為80%,三種氧化物的分子比例有5∶3∶2,4∶1∶1,3∶1∶1等,以4∶1∶1最常用。LaB6發(fā)射體一般由粉末加壓燒結(jié)的多晶結(jié)構(gòu)棒料經(jīng)機械加工成型。選擇有低功函數(shù)的發(fā)射體可顯著增加電流發(fā)射密度或降低發(fā)射體工作溫度。鋇鎢發(fā)射體通過浸漬氧化物與基體鎢在高溫下的界面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體鋇和氧化鋇,氣體鋇和氧化鋇擴散轉(zhuǎn)移并吸附于發(fā)射體表面,形成鋇在上氧在下的雙極子單層,雙極子氧化鋇的功函數(shù)為2.06eV。LaB6通過活性元素鑭降低表面功函數(shù),多晶LaB6的功函數(shù)為2.67eV?？招年帢O結(jié)構(gòu)——加熱器和觸持極加熱器的作用是加熱發(fā)射體至額定的點火溫度,保證在發(fā)射體上形成低功函數(shù)表面并產(chǎn)生需要的電子發(fā)射密度,陰極能在較低電壓下可靠點火。對暴露大氣后易受污染的鋇鎢發(fā)射體來說,加熱器還具有在點火前活化發(fā)射體以消除污染效應(yīng)的作用。觸持極的作用是在施加點火電壓后,在陰極與觸持極間實現(xiàn)電弧放電點火,并在適當?shù)墓ぷ麟妷合戮S持穩(wěn)定的工作電流發(fā)射。觸持極與陰極的間距一般為1～2mm。觸持極的另一個重要功能是對陰極孔、頂板和加熱器濺射腐蝕的防護功能。觸持極應(yīng)由鉬、鈦、石墨等抗濺射腐蝕材料制成。空心陰極配電當空心陰極加熱到足夠溫度（1100oC）時，逐漸升高點火電源電壓，觸持極電流逐漸增高（從幾微安到幾十微安），當電壓上升到某一點時，觸持極電流突然升到幾百毫安。此時觸持極電壓降到很低，甚至降到氙的電離位以下，也能維持較大的放電電流。因此點火電源和觸持極電源分別選用有限流電阻的直流高壓電源和直流穩(wěn)壓電源。陰極點火后，點火電源自動關(guān)閉，由低壓觸持極電源維持放電。(鋇鎢)空心陰極內(nèi)部過程與分區(qū)1.發(fā)射體區(qū)2.小孔區(qū)3.陰極-觸持極中間區(qū)4.下游等離子區(qū)空心陰極內(nèi)部過程與分區(qū)1.發(fā)射體區(qū)陰極發(fā)射體由浸漬了鋇鈣鋁酸鹽活性物質(zhì)的鎢海綿組成，具有極低的逸出功。被加熱到工作溫度后發(fā)射體開始發(fā)射電子，發(fā)射的電子部分累積在內(nèi)發(fā)射體表面附近，如圖所示。在陰極內(nèi)部徑向電場的作用下，等離子體中的離子加速向發(fā)射體運動，由于靠近發(fā)射體表面的電子密度較高，改變了鞘層電勢曲線，造成鞘層電位梯度，從而形成雙鞘層。等離子體雙鞘層即是一部分等離子體受離子吸引，另一部分受電子吸引，從而引起局部電場分布不均，但整體仍保持電中性的鞘層結(jié)構(gòu)。發(fā)射體區(qū)含有大量部分電離的準中性氣體，受電場作用熱電子持續(xù)加速向中心軸和小孔運動，只有部分電子可能返回發(fā)射體。發(fā)射體區(qū)的德拜長度為微米級。在徑向電場的作用下離子加速向發(fā)射體運動，（按照玻姆鞘層理論），離子運動速度為聲速或超聲速，離子與發(fā)射體表面的碰撞及電子與離子復(fù)合產(chǎn)生的熱量將維持發(fā)射體的工作溫度?？招年帢O內(nèi)部過程與分區(qū)2.小孔區(qū)發(fā)射體與小孔之間存在等離子體雙鞘層，如圖所示。在鞘層的作用下，電子被加速進入小孔區(qū)，小孔中進入鞘層的離子被加速進入發(fā)射體區(qū)，小孔和發(fā)射體區(qū)之間存在的等離體密度與電場的梯度能夠約束發(fā)射體區(qū)的離子不進入小孔。小孔區(qū)是空心陰極中電流密度最高的區(qū)域，德拜長度相對小孔直徑小很多，粒子碰撞平均自由程為小孔尺寸的幾十分之一到幾百分之一。經(jīng)過電場的加速，小孔區(qū)的電子獲得了較高的溫度，同發(fā)射體區(qū)一樣，高密度電子電流使得小孔內(nèi)工質(zhì)氣體電離，電離電子及原子向小孔出口高電勢區(qū)擴散，形成放電電流；離子向小孔壁面低電勢區(qū)擴散，大部分在壁面獲得電子中和，以氣體分子形式保留在小孔內(nèi)部繼續(xù)參與電離。在小孔出口處，由于存在的等離子體雙極擴散作用，抵消了促使離子向陰極低電勢面運動的弱電場，使得部分離子從小孔區(qū)擴散出來，維持了陰極下游等離子體的準中性。空心陰極內(nèi)部過程與分區(qū)3.陰極—觸持極中間區(qū)等離子體密度的降低使得陰極-觸持極中間區(qū)的鞘層厚度迅速增大。當發(fā)射的離子密度足夠維持該區(qū)域為準中性時，由于觸持極與陰極之間存在的正偏置電位，電子在軸向電場的作用下鄉(xiāng)觸持極運動，一部分到達觸持極電流，另一部分釋放出來。當氣體流量較大、陰極電離效率足夠高時，陰極處于斑狀放電模式—發(fā)射電流大、放電電壓低、放電穩(wěn)定，此時在陰極小孔出口處形成一個聚集的亮斑，陰極下游氣體的電離主要是在集中在該處完成的。該種模式有利于電子發(fā)射和延長壽命，實際中一般均將陰極工作于該模式。氣體流量降低、發(fā)射體電子發(fā)射能力下降后，陰極下游氣體的電離效率下降，電離區(qū)擴散，從小孔出口一直延伸到觸持極下游，陰極轉(zhuǎn)換到羽狀放電模式，此時在陰極頂板與觸持極之間可以看到羽狀發(fā)光等離子體。羽狀模式的典型特征是發(fā)射電流小、放電電壓高、放電不穩(wěn)定且夾雜高頻高幅振蕩。研究表明羽狀工作模式將加劇陰極孔板的濺射和腐蝕，縮短陰極壽命?？招年帢O內(nèi)部過程與分區(qū)4.下游等離子體區(qū)靠近觸持極的下游等離子體區(qū)，電子密度還能保證電離的出現(xiàn)。