离子推力器束流下降原因分析

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　　离子推力器的推力与其引出的束流成正比，束流的大小直接确定了推力。离子推力器在点火启动后，在工作条件不变的条件下，其引出束流随工作时间而下降。为找出束流下降的原因，以离子推力器为研究对象，通过分析引起离子推力器束流下降的各种因素，并对这些因素进行分析与验证。经过对因素的分析定位，找出引起束流下降的主要原因。分析与验证表明：影响离子推力器束流下降的决定因素为栅极组件固有特性、磁场固有特性和阴极固有特性，其中阴极固有特性是导致束流下降的主要原因。
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$ ?9 ^0 P9 L5 w$ e& ^　　引言
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　　离子推力器是电推进的一种，其特点是推力小，比冲高，广泛应用于空间推进任务，如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等任务。离子推力器在工作启动后，其束流随工作时间的推移出现下降的现象，并且随时间推移趋于稳定。由于离子推力器引出的束流与推力成正比，其束流的下降，直接导致推力的减小，严重影响离子推力器的性能。
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* y: a, |7 W  h) O% S/ |$ O　　离子推力器引出束流主要与离子光学系统（亦称栅极组件）、放电室推进剂流量，以及放电电流和电压相关。栅极组件的几何参数和加速电压直接影响束流的大小；放电室推进剂流量不但限制了束流极限值，而且其流量的稳定性也会引起束流的变化；放电电流大小也确定束流的大小，根据设计经验，束流通常占放电电流的20%左右，而放电电压的变化同样会引起束流的变化。从真空技术网（http://www.chvacuum.com/）调研国外文献调研来看，目前还没有关于离子推力器在启动后，束流随时间而减小的相关报道。

0 r% V. x8 c0 F" E( x　　为了寻找引起离子推力器在工作启动后，束流随时间下降的原因，文章通过分析影响束流下降的6个故障因素，并通过试验验证，确定引起束流下降的主要原因。
1、原因分析与验证

. ^( \8 ]! v5 \8 s　　1.1、影响束流下降的原因

+ c+ ^; P7 T2 p2 N2 U* f, u0 o　　离子推力器在工作启动后，发现其引出束流在2 h内存在连续减小，特别是在前30 min内变化显著，如图1所示。

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图1 推力器束流下降示意图

　　通过对离子推力器引出束流在其工作启动时，连续下降的测试数据分析，导致推力器束流连续下降的原因有6个方面的因素。其中由于条件保障原因造成的条件事件有3个：供电电源异常（X1）、气路漏气（X2）及暴露大气的影响未消除（X3）；由离子推力器本身原因造成的固有事件有3个：栅极组件固有特性（X4）、磁场固有特性（X5）及阴极固有特性（X6）。
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　　1.2、分析与验证

9 e9 z1 V- h; J% k* Y　　原因分析及验证如下：
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　　（1）供电电源异常

& _! s2 P! v! o( C　　首先对地面电源进行了排查，没有发现异常。并用测试的离子推力器进行了问题复现试验，试验结果基本符合。由此确认供电源处于正常状态。

　　（2）气路漏气
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　　在进行问题复现试验前，对试验设备真空室内气路管路进行仔细的检漏，确认管路不存在漏点后开展试验，束流下降问题得到了复现。并采用2台推力器进行试验都出现这种现象，初步分析气路漏气的可能性较小。由此确认气路不漏气。

　　（3）离子推力器暴露大气的影响未消除
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　　为了消除大气影响的测试，进行了专项试验。试验中，采用离子推力器、星用PPU电源和地面供气系统进行。先对中和器和阴极通氙气1 h，同时抽空排气；中和器和阴极再用小电流预热1 h；然后在阳极小电流下，放电起弧1 h。在离子推力器完成了消除暴露大气影响的预处理后，进行了4次室温启动工作3 h试验，如图2所示。可看出点火启动试验束流变化的重复性较好，由此认为已消除了大气的影响。
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- p, T1 T. n: M9 {; [- J1 w　　（4）栅极固有特性的影响

　　栅极组件对束流的影响分为双栅间距的热形变和栅极孔径的热形变。双栅间距变大将导致束流减小；栅极孔径变大使放电室中气体密度减小，导致束流的减小。
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* |: _' e- O( l& N, g( d, i% U( q8 ]图2 离子推力器室温启动3 h 点火启动试验束流特性

　　a. 双栅间距热形变对束流的影响
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　　初步估算离子推力器工作从室温到热平衡时，栅极组件双栅间距的变化对束流的影响，如图3所示。束流与双栅间距为单调减的关系。

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0 g2 H; h6 G# J7 r1 C图3 离子推力器栅极组件双栅间距对束流的影响

, c# `8 r7 R8 Z# a3 [! i! D. m　　造成双栅间距变化的因素有2种，一种是温度变化时，屏栅与加速栅间支撑高度随温度变化，使双栅间距变化，离子推力器从室温工作2 h，由于屏栅与加速栅间支撑高度随温度升高而增大，使双栅间距变大。因此，离子推力器从室温工作到热平衡时，栅极组件双栅间距使束流减小了3 mA，如图3所示；另一种是由于屏栅和加速栅温度分布不均匀，造成双栅间距变化，离子推力器从室温工作2 h，内侧屏栅温度高于外侧加速栅温度，使双栅间距变小。
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　　b. 栅极孔径热形变对束流的影响

0 u. J0 _' @4 H4 L* |6 N: \　　在放电室流量一定时，放电室气体密度与栅极组件气体流导成反比，初步估算时可近似认为束流与放电与栅极组件气体流导成反比。离子推力器从室温工作2 h，加速栅平均温度变化140 ℃，使加速栅极小孔直径增大，致使小孔气体流导率增大，使束流减小约1 mA。
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　　（5）磁场固有特性影响的排查

' a+ A' v$ m. F# E( }# U　　离子推力器启动后，推力器放电室磁路磁铁温度将逐渐上升并趋于平衡，由于磁铁的剩磁温度系数和内禀矫顽力温度系数不为0，因此，放电室磁场将随温度变化而变化，与此对应的放电电流也将变化，引起束流变化，热平衡过渡时间通常约3 h。离子推力器热平衡实验证明：推力器由室温到热平衡，磁场变化对束流的影响不超过1%。
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" M' w/ S  k+ D6 k1 E　　（6）阴极固有特性的影响
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! p1 y0 [/ ]% {% u/ D- Z$ |; ]　　为了验证阴极发射性能的热效应对束流的影响，进行了使离子推力器整体处于热平衡状态引束流的试验。试验中，阴极及中和器点火启动成功后，维持放电室处于放电状态而不引出束流，持续工作3 h，当离子推力器整体巳基本达到热平衡状态时，引出束流。束流随时间变化，如图4所示，图中曲线1~3为离子推力器室温下启动直接引束流的结果，曲线4～6为离子推力器放电3 h后，再引束流的3次试验结果。
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图4 放电室放电3 h 后引束流与工作启动引束流的比较
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  x$ R# C% Y+ f2 l& {: X6 ~/ j　　由图4可以看出，当推力器工作3 h后，引出的束流仍然下降约50 mA。在离子推力器整体处于热平衡状态，即磁场和机械热变已处于稳定，束流下降认为是由阴极发射体热效应造成的。试验验证了阴极固有特性对束流下降的影响。
2、分析定位
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+ m! B4 h0 A* Q' L  H* h　　通过上述验证分析可得：

% L% Y" ^# s4 @% p3 O8 k　　（1）供电电源异常、气路漏气及暴露大气的影响未消除等原因可以被排除；
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　　（2）因离子推力器工作时间2 h，栅极组件热效应使栅间距和栅孔径变化，使束流减小4 mA，约占工作时间2 h束流下降总值的6%，故栅极组件固有特性是造成束流下降的原因之一，但影响小；

4 F5 ~) h' ^2 U/ @) j% P6 K　　（3）因离子推力器工作时间2 h，磁场固有的热效应特性使束流减小8 mA，约占工作时间2 h束流下降总值的12%，故磁场固有特性是造成束流下降的原因之一，但影响小；

　　（4）离子推力器工作时间2 h，阴极固有特性使束流下降约51 mA，约占工作时间2 h束流下降总值的81%。因此，阴极固有特性的影响是引起束流下降的主要因素。
3、结论

# h5 T% O+ S  N1 m; P- @　　通过对离子推力器束流下降原因的分析，经过建立故障树，并对底事件进行排查验证，分析定位，得到引起离子推力器束流下降因素有：
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　　（1）栅极组件的热效应引起栅间距和栅孔径的变化；
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/ a( l: v' K) L1 k& c2 |+ G3 B% |　　（2）磁铁的热效应引起磁场变化；

　　（3）阴极固有特性。

　　其中阴极固有特性是引起束流下降的主要因素，栅极组件和磁铁也能引起束流下降，但是影响小，不是主要因素。