真空熱試驗中離子推進(jìn)器點(diǎn)火對真空系統的影響與對策

2014-10-11 李培印 北京衛星環(huán)境工程研究所

　　離子推進(jìn)器( 也稱(chēng)離子發(fā)動(dòng)機、離子推力器) 在航天領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，本文簡(jiǎn)要介紹了其工作原理。在真空熱試驗中，離子推進(jìn)器點(diǎn)火，會(huì )向真空室內噴射出高能粒子，嚴重影響容器真空度。本文依據真空系統抽氣方程，繪制出了推進(jìn)器點(diǎn)火過(guò)程中的理論抽氣曲線(xiàn)。試驗結果顯示，對氬氣的實(shí)際抽氣曲線(xiàn)與理論計算結果吻合很好，而對氙氣則不太理想。本文對此展開(kāi)分析，同時(shí)提出了采用氙氣泵來(lái)有效抽除氙氣的方法。

　　航天器的發(fā)展趨勢極大地促進(jìn)了電推進(jìn)技術(shù)在航天器入軌、離軌、狀態(tài)保持、精確定位及復定位、姿態(tài)控制、行星探測一次、二次推進(jìn)中的應用。離子推進(jìn)器屬于電推進(jìn)技術(shù)的一種，具有比沖高、可多次開(kāi)關(guān)點(diǎn)火、攜帶燃料少、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，離子推進(jìn)系統穩定、安全、無(wú)污染，推力范圍較寬，應用范圍較廣。既可以用于大、中衛星，又可以用于小衛星；既可以用于定點(diǎn)衛星的姿態(tài)控制、軌道修正，又可以用于星際航行的主推進(jìn)系統；既可以用于地月系統，又可以用于深空探測。離子推進(jìn)器的基本結構如圖1 所示。

離子推進(jìn)器基本結構

圖1 離子推進(jìn)器基本結構

　　正因為有這些優(yōu)點(diǎn)，NASA 才把離子推進(jìn)系統選為NSTAR 工程的首選推進(jìn)系統。離子發(fā)動(dòng)機還特別適合于小衛星，NASA 正在開(kāi)發(fā)功率為0.1 ～0.3 kW 的小型離子發(fā)動(dòng)機，直徑只有8 cm。離子發(fā)動(dòng)機非常適合于星際航行，目前比較成功的型號有休斯公司的XIPS-13、XIPS-25 以及NASA 與休斯的XIPS-30( 或NSTAR-30) 。NSTAR 發(fā)動(dòng)機于1998年10 月在“深空1 號”航天器上投入使用并完成了任務(wù)，系統已經(jīng)在太空正常運行超過(guò)11000 h，任務(wù)可能進(jìn)一步擴展到訪(fǎng)問(wèn)其它的小行星。

RIT22 離子發(fā)動(dòng)機三維模型與實(shí)物圖

圖2 RIT22 離子發(fā)動(dòng)機三維模型與實(shí)物圖

　　圖2 為歐空局“BepiColombo”計劃所采用的RIT22 離子推進(jìn)器。離子推進(jìn)器的基本工作原理是: 采用一定的方法，推進(jìn)器將工質(zhì)( 一般為氙氣)電離成帶電離子與電子，離子在1000 V 以上的靜電場(chǎng)的作用下，加速?lài)娚涠�，由于遵守�?dòng)量守恒定律，因此獲得向前的推力，其原理圖如圖3 所示。加速后的離子流由中和器釋放出來(lái)的電子中和，這非常必要，因為如果尾流帶走了大量正離子，那么飛行器將帶負電，使離子流減速，甚至反彈回來(lái)，影響推進(jìn)器工作。中和器應放在適當位置以減少尾流中離子的飛濺，并保證有效的中和。無(wú)論哪種離子推進(jìn)器，都需要有效的方法電離推進(jìn)劑，因此離子發(fā)生器格外重要。常用的推進(jìn)劑為氙氣，但氪氣和氬氣等也已經(jīng)被使用。

離子發(fā)動(dòng)機工作原理圖

圖3 離子發(fā)動(dòng)機工作原理圖

結論

　　根據某顆星離子推進(jìn)器點(diǎn)火的真空熱試驗結果，得結論如下:

　　(1) 真空系統低溫泵對Ar 的理論抽氣曲線(xiàn)與實(shí)際抽氣曲線(xiàn)吻合很好，計算過(guò)程中需要注意兩個(gè)數值的選定，精確的Ar 通氣量和低溫泵對Ar 的抽氣系數，抽氣系數與泵的工作狀態(tài)相關(guān)，一般對Ar選取0. 5；

　　(2) 推進(jìn)器在試驗過(guò)程中點(diǎn)火，Xe 原子被電離，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速?lài)姵�，而后中和器對Xe 離子中和，由于Xe 原子量大，障板流導小，攜帶能量高，吸附熱大，低溫泵對Xe 的抽速極低，為名義對N2抽速的10%；

　　(3) 常用的獲取高真空的泵( 低溫泵、分子泵、擴散泵) 均不適宜抽除Xe，目前最好的抽除Xe 的方法是采用Xe 泵，其抽氣原理與低溫泵相同，只是冷頭溫度與結構存在差異，由于Xe 泵只針對氙氣，抽氣能力單一，限制了其廣泛應用；

　　(4) 放氣階段真空度由好變壞，計算過(guò)程中表面放氣量可忽略不計；放氣結束后真空度由壞變好，在放氣過(guò)程中真空室表面重新吸附了氣體，此時(shí)計算容器內壓力的變化情況需要考慮表面放氣的影響。