電推進(jìn)地面試驗真空系統配置策略與研究
電推進(jìn)地面環(huán)境模擬試驗主要用于完成對電推進(jìn)器性能和可靠性等進(jìn)行測試。由于電推進(jìn)羽流效應的影響，電推進(jìn)地面環(huán)境試驗對于試驗設備提出了嚴格的真空抽氣要求。文章通過(guò)對電推進(jìn)系統工作時(shí)的試驗特點(diǎn)、真空要求及存在問(wèn)題進(jìn)行分析，結合國際上電推進(jìn)地面環(huán)境試驗設備的發(fā)展現狀與研究進(jìn)展，對該類(lèi)測試設備的真空系統實(shí)現配置進(jìn)行研究，總結出應對該類(lèi)試驗所需的真空抽氣策略與研究方法，為后續電推進(jìn)地面環(huán)境試驗設備的研制和試驗測試提供參考。
為了滿(mǎn)足未來(lái)航天任務(wù)高性能、長(cháng)壽命的空間推進(jìn)要求，電推進(jìn)技術(shù)的研究日益受到各國的重視，美國、俄羅斯、歐空局、日本都在加強電推進(jìn)技術(shù)的研究，并已成功應用于多項空間任務(wù)，電推進(jìn)技術(shù)對于深空探測及衛星長(cháng)期在軌的任務(wù)具有巨大的應用前景。
電推進(jìn)系統在實(shí)際應用前需要經(jīng)過(guò)全面的地面測試來(lái)驗證其性能等級、使用壽命及與環(huán)境的兼容性，通過(guò)大量的環(huán)境試驗可以完全的了解在不同環(huán)境狀態(tài)下推進(jìn)系統的性能參數和使用情況，識別和消除潛在的風(fēng)險，提高其有效性和可靠性。目前國外先進(jìn)研究機構和公司都建立了用于各類(lèi)電推進(jìn)系統地面試驗的測試系統，未來(lái)電推進(jìn)環(huán)境試驗技術(shù)將成為電推進(jìn)技術(shù)研究的重要補充。
由于電推進(jìn)羽流效應的影響，電推進(jìn)地面試驗對于試驗設備提出了嚴格的真空抽氣要求，特別是以氙氣等惰性氣體為工質(zhì)的推進(jìn)系統，由于氙氣的特殊性對其地面試驗的真空獲得與維持提出了更高挑戰。合理的真空系統配置可避免試驗過(guò)程中氣體干擾造成的試驗數據偏差，避免電推進(jìn)在試驗過(guò)程中的濺射污染效應，因此電推進(jìn)試驗，特別是氙氣工質(zhì)電推進(jìn)環(huán)境試驗其真空系統配置策略是一項重要的研究課題。
1、電推進(jìn)地面試驗真空環(huán)境要求
1.1、真空環(huán)境要求
理想的真空環(huán)境應能完全復制電推進(jìn)工作的實(shí)際空間狀態(tài)，包括對環(huán)境氣體狀態(tài)(化學(xué)成分、密度、溫度等)和推進(jìn)器表面狀態(tài)(形狀、材料、溫度等)都提出了較高的要求。因此，理想的真空環(huán)境狀態(tài)實(shí)現成本較高。根據國外電推進(jìn)環(huán)境測試的要求總結，為了準確模擬電推進(jìn)試驗的工作狀態(tài)，其測試設備對真空環(huán)境的要求主要包括：
1)工作真空度要求
為保證推進(jìn)器的正常工作測試設備應具有足夠高的真空度，如果容器真空度太低，推進(jìn)器和背景氣體之間的作用會(huì )對試驗數據造成干擾，造成測試試驗的不準確，同時(shí)本底壓力太高也會(huì )造成放電的不穩定。未來(lái)對于大功率、長(cháng)壽命電推進(jìn)系統，在其環(huán)境試驗測試過(guò)程中，長(cháng)時(shí)間穩定的獲取足夠高的真空度將是一項重要的關(guān)鍵技術(shù)。
2)真空抽氣速度要求
電推進(jìn)環(huán)境試驗技術(shù)，特別是以氙氣為推進(jìn)工質(zhì)的推進(jìn)系統對于設備抽氣速度的要求非常高。以波音公司XIPS 設備為例，其直徑6 m，長(cháng)12米，配備了30 臺低溫泵，與傳統的熱真空試驗設備相比，世界最大的環(huán)境模擬器SPF 直徑30 m，高37 m 也僅有26 臺真空泵。根據研究，對于不同的推進(jìn)器類(lèi)型、功率以及試驗目的均對抽氣速率均提出較高的要求。
3)工作時(shí)間要求
電推進(jìn)系統對工作壽命有更高的要求，執行時(shí)間通常需要數千甚至上萬(wàn)小時(shí)。因此電推進(jìn)地面環(huán)境壽命測試對設備的真空維持時(shí)間與設備可靠性提出了較高的要求，測試過(guò)程中設備的真空環(huán)境需持續滿(mǎn)足試驗要求，因此設備真空系統的抽氣能力和設備可靠性應滿(mǎn)足系統長(cháng)時(shí)間工作的要求。
1.2、存在的問(wèn)題
傳統的熱真空試驗設備真空系統不能完全滿(mǎn)足電推進(jìn)試驗的真空要求，主要表現在：
1)電推進(jìn)工作時(shí)須持續通入工質(zhì)，經(jīng)電離后轉化為高能束流噴射到真空試驗容器內，特別是對于大功率電推進(jìn)系統，其更高的功率意味將消耗更多的氣體工質(zhì)。推進(jìn)工質(zhì)在真空容器內經(jīng)過(guò)真空系統進(jìn)行抽除，意味著(zhù)真空系統需具有比傳統熱真空試驗設備更大的抽氣能力才能滿(mǎn)足電推進(jìn)工作真空度的維持。
2)對于氙氣工質(zhì)電推進(jìn)系統，由于氙氣的特殊性，傳統的真空泵不能完全勝任氙氣的抽除：分子泵對氙氣抽速較小且成本較為昂貴；擴散泵其工作原理決定可能會(huì )對推進(jìn)系統造成油污染；低溫泵是傳統熱真空試驗真空獲得的主泵，但低溫泵對氙氣抽除能力較弱，電推進(jìn)工作時(shí)的氙離子能量較大，造成低溫泵作為氙氣工質(zhì)電推進(jìn)試驗的抽氣主泵具有一定的局限性。
2、國外電推進(jìn)試驗設備真空抽氣技術(shù)
2.1、ALTA 公司IV4 測試設備
IV4 是ALTA 公司霍爾推進(jìn)器測試設備的重要部分，IV4 真空容器直徑2m，總容積為8m3，設備配備四級真空抽氣系統：第1 級為粗抽真空系統，主要設備包括粗抽干泵；第2 級為分子泵系統；第3 級為高真空抽氣系統，主要設備包括自屏蔽低溫泵；第4 級為大抽速低溫抽氙系統，容器內部配備冷頭驅動(dòng)制冷的冷板，主要用于電推進(jìn)工作時(shí)氙氣的抽除。真空系統能夠實(shí)現130,000 L/s 對氙氣的抽速，并可以達到10-6 Pa 的極限真空。
圖1 ALTA 公司IV4 測試設備
2.2、德國JUMBO 地面環(huán)境試驗設備
JUMBO 地面環(huán)境試驗設備真空容器直徑2.6m，長(cháng)6m，體積30 m3，為了滿(mǎn)足氙氣抽除能力，該設備配置8 套抽氙低溫冷頭，最終可達到100,000 L/s(Xe)的抽氣能力，可以滿(mǎn)足束流功率10kW 的推進(jìn)系統測試，真空泵組及其它測試設備的安裝位置如圖2 所示。
圖2 德國JUMBO 地面環(huán)境試驗設備
2.3、德國STG-ET 測試設備
德國STG-ET 測試設備真空抽氣系統設計可滿(mǎn)足典型電推進(jìn)器高達100 sccm 的抽氣需求，設計抽速100,000~200,000 L/s(Xe)。圖3 為該設備的真空系統示意圖，低溫泵包括7 個(gè)冷頭，每個(gè)冷頭對氙氣的抽速為30,000 L/s，該系統后續將增加液氦系統，通過(guò)液氦增壓泵實(shí)現400,000 L/s的擴展抽速。
圖3 德國STG-ET 測試設備
2.4、日本NAL 測試設備
該測試設備真空容器內徑3 m，直筒段長(cháng)3 m，副容器直徑1.5 m，長(cháng)0.8 m，真空容器總體積約30 m3。容器內裝有冷板以有效抽除氙氣，同時(shí)容器內安裝熱沉和和隔熱材料減少對冷板的熱輻射。低溫冷板為臥式筒狀鋁結構，直徑2.7m，內部通過(guò)低溫制冷機驅動(dòng)對其實(shí)現循環(huán)制冷。
通過(guò)對世界先進(jìn)電推進(jìn)測試設備發(fā)展現狀進(jìn)行總結，除傳統的低溫泵作為主泵的測試系統配置外，為了克服抽氣能力不足的局限，目前電推進(jìn)地面試驗設備一般采用四級真空抽氣配置進(jìn)行抽氣。典型的真空系統配置包括四級干式無(wú)油系統，第1 級為粗抽真空系統，主要設備為羅茨機組；第2 級真空抽氣為分子泵抽氣系統；第3 級為高真空抽氣系統，主要設備包括低溫泵；第4 級為氙氣抽除系統，一般通過(guò)冷頭驅動(dòng)冷板抽氣或氦系統循環(huán)制冷冷板的方式，實(shí)現對氙氣的抽除。下表1 為國外先進(jìn)研究機構試驗裝置真空系統配置。
圖4 日本NAL 電推進(jìn)測試設備
3、真空系統的配置設計
低溫冷頭驅動(dòng)冷板抽氣或氦系統循環(huán)制冷冷板的方式其抽氣原理與低溫泵相同，都是通過(guò)低溫冷凝吸附的方式抽氣，所不同的是溫度與冷板結構的差異。對于氙離子推進(jìn)器，根據氙氣的飽和蒸汽壓- 溫度關(guān)系圖，當氙氣溫度達到50 K，氙氣的飽和蒸氣壓優(yōu)于10-4 Pa 的真空度。因此冷板溫度不需要達到普通低溫泵二級冷頭的溫度，只需保證驅動(dòng)抽氣冷板達到40~50 K 左右即可。
表1 國外測試設備真空系統配置
4、結束語(yǔ)
隨著(zhù)世界各國電推進(jìn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電推進(jìn)地面環(huán)境試驗技術(shù)研究顯得尤為必要。本文通過(guò)對國外先進(jìn)的電推進(jìn)地面環(huán)境試驗真空抽氣技術(shù)現狀進(jìn)行調研，總結出該類(lèi)試驗真空系統的配置、計算與數值模擬優(yōu)化設計方法，為下一步我國進(jìn)行先進(jìn)電推進(jìn)環(huán)境試驗技術(shù)和測試設備研制提供參考。
