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中国制造:这款动力,让更多中国航天器驶向星辰大海

发布: 2020-8-31 13:53 |  作者: 函子 |   查看: 97次

        本报特别报道    东方大国进一步开拓进取  离子电推进器

        去年底,长征五号运载火箭搭载的实践二十号人造卫星顺利发射升空,卫星的在轨轨控和轨道转移等任务将由搭载于实践二十号卫星的LIPS-300型离子电推进器来支持完成。

  离子电推进器究竟是什么?相比化学火箭,它又有哪些特点?中国此次应用的LIPS-300型离子电推进器究竟怎么样?接下来我们逐一解答。

(一)从科幻走向现实的离子推进器

     长期以来,化学火箭发动机因技术成熟占据着航天器动力的主流地位。

  然而,化学火箭发动机需依赖燃烧推进剂将化学能转化为热量,释放的能量有限,导致化学火箭发动机的喷气速度很慢,比冲很低。而受制于超音速流体力学因素,如果想要将推进剂的能量全部转化为动能,需要一个几何尺寸极大的喷管。

  于是科学家们设想,若利用电磁场对带电粒子直接加速,系统便将不再受化学火箭发动机喷管几何尺寸问题的限制,可以得到远大于传统化学火箭的喷口速度,也就是更高的比冲,于是,离子推进器的想法诞生了。

  离子推进的原理是利用电能加热或电离推进剂电离产生离子,在静电场的作用下加速喷出产生推力的一种反作用力式的推力器。主流的电推进形式分为三种——电热式、静电式、电磁式:电热式主要是利用电弧加热电离气体,并且将其加速喷出;静电式则是利用栅极提取阳离子,然后利用加速电场将其加速;电磁式的典型代表分为两种——霍尔推进器和磁等离子体推进器,霍尔推进器是基于霍尔效应产生正交场放电形成等离子体,然后利用静电场对离子加速而利用磁场约束电子运动,而磁等离子体推进器则是利用脉冲放电的方法使得推进剂电离然后利用洛伦兹力对其加速。

  离子电推进发动机的特点是加速度很低,但与化学火箭极短的燃烧时间不同,电推进火箭提供的加速时间可以很长,因此发动机比冲很大,同样质量的工质能提供更大的总推力和最终速度。

  采用离子电推进发动机的航天器可以减少推进剂的携带量,并且大大提高任务载荷与在轨期限。而且,在外太空微重力环境下,卫星的调姿和变轨只需微小推 (与常规的火箭相比,离子推进器体型非常小,产生的推力也非常小,在大气层内其推力甚至只能吹动一张纸)

  早在上世纪70年代中期,中国便开展了离子电推进器的研究,先后自主研制了8cm汞离子推进器和LIPS系列氙离子推进器,并成功应用在实践9号A星的姿态控制,而此次“实践二十”号卫星搭载了4台LIPS-300型离子电推进器。

  LIPS-300型推进器实现了高性能四极环尖场放电室技术,三栅极设计与精密制造技术,大发射电流空心阴极技术及推力器高可靠、长寿命设计技术等“四大突破”,和国内推进系统的两个第一:高比冲和长寿命,并使中国打破了国际上对这些技术的垄断。力就已足够,而推力小、精准可调的离子电推进器则可满足精准控制定位的需要。

(二)空心阴极:离子推进器的动力之“心”

  空心阴极可谓是电推进器的“心脏”。

  空心阴极通过发射体(钡钨氧化物,六硼化镧等)热发射电子,电离通入阴极的惰性气体 (Xe,Kr等)形成等离子体,再经由电场加速对外发射电子,为推力器提供电子。因电推进空心阴极电子发射机制主要是热发射,所以启动时必须对发射体进行加热。

  空心阴极有两种启动方法:热启动和冷启动。

  热启动是目前应用最广泛、技术也较为成熟的一种方式,它通过在发射体外圈缠绕一层加热丝,在启动时向加热丝通入电流加热发射体,直至达到发射体热发射电子所需要的温度,然后通过加入脉冲点火电压,把电子从空心阴极内引出。

  这种方法因每次启动前需要加热,启动时间较长(往往需要3-5分钟) ,且能量消耗大,同时,加热器需要经受高强度的冷热循环,很容易出现失效,而一旦加热线圈失效,阴极也就无法启动,整个推力器的寿命也就终止了。

  而中国科研人员则攻克了“冷启动”技术,即通过采用高电压直接击穿气体,然后利用等离子体加热发射体的方法。

  与热启动空心阴极相比,采用冷启动的阴极可以去掉加热器,简化了阴极结构增加可靠性,冷启动空心阴极启动过程功率和工质流率降低了2~3倍,并大幅缩短空心阴极启动时间至秒级。

  而空心阴极作为单点失效元器件,其电子发射能力的大幅衰减也就意味着整个推进系统的彻底失效,也决定着离子推力器的寿命和可靠性。

  传统的主放电阴极采用的为钽钨合金等金属材料,当工作时间不断累积后,主放电阴极触持极会出现严重的溅射腐蚀现象,对整个推进器的工作效率与安全造成影响。

  为了减少在离子推力器内部长时间工作后空心阴极触持极的溅射腐蚀,就需要将空心阴极的触持极顶更换为耐溅射腐蚀的材料。为此,中国科研人员通过采用高密石墨材料作为空心。

(三)新型材料栅级:让离子推进更高效

  离子电推进器栅极组件,亦称离子光学系统,由屏栅极和加速栅极组成,是离子电推进器的关键组件之一,其主要功能是聚焦并加速放电室工质气体电离后产生的离子。它不但直接关系到离子电推进器的推力、比冲、效率等性能参数,还决定着推进器的可靠性和寿命,是离子电推进器的重点研究对象。阴极触持极材料,增强空心阴 此前中国研制的离子电推进器采用的均是金属钼栅极。但是,对于离子电推进器所采用钼、钛等金属材料栅极而言,其离子溅射腐蚀率较高,离子电推进器放电室的等离子体在电离和加速过程中会放出大量热量,这些热量分布不均匀,会对很薄的栅极产生影响。若要规避上述影响,栅间距和栅极厚度势必需要增大,此外,钼栅极受热发生膨胀变形,甚至造成加速栅和屏栅接触短路,这些都将降低栅极组件离子引出能力,进而降低电推进器性能。

  因此,对于应用于深空探测主推进任务的大推力、高束流密度、高比冲离子电推进器,金属钼栅极已经成为制约其发展的重要因素。

  而由于C/C(碳-碳)复合材料具备热膨胀系数小、离子溅射系数低等特点,具备作为理想栅极材料的综合潜质,可以有效提高离子电推进器的热稳定性和寿命,因此,中国科研人员开展新型C/C栅极的设计与制备。

  通过采用钼栅极作为屏栅极,选取T700碳纤维和和M50J碳纤维制成的 C/C 复合材料栅极作为加速栅极,科研人员制备出有效致密化的 C/C 复合材料栅极,以尽量减少有栅孔带来的纤维截断,提高栅极强度,延长离子推进器栅极的寿命。极触持极自身的溅射腐蚀能力,最终提高主放电阴极的寿命和可靠性。

 (四)长寿更耐久的秘密,还得看这里

  离子推力器放电室磁场设计是推力器设计的一项关键技术,磁场极数、磁极位置、磁极方向、磁场强度等都是影响放电室性能的重要因素,放电室磁场设计优劣决定了离子推力器放电损耗和束流平直度等性能指标。

  LIPS-300离子推力器采用了四极环形永磁体环切场磁路结构,与此前中国多款等离子推进器所采用的三级场放电室相比,这种结构具有放电效率高、束流平直度好、所需永磁体磁感应强度弱的优点。

    而在离子推力器放电室中,由于需要通过磁场来约束电子绕磁力线在阳极壁面附近作螺旋线运动,延长电子运动路径,提高原初电子与氙气间的电离碰撞几率,因此,磁场直接影响放电室的放电稳定性及推力器在轨工作寿命。放电室内设计磁场强度构成的磁空区体积越大,越容易获得良好的引出束流平直度,此外,阳极壁面附近的磁场等势线越密,分布越均匀,越有利于约束电子。

  而离子推力器为适应不同的轨道任务需求,实现高效、可靠、稳定的工作,就需要综合考虑高温度、高真空、长寿命等因素对其磁路系统中磁性材料磁性能稳定性由于LIPS-300离子推力器的永磁材料需要在太空环境下承受最高450℃工作温度,并在-65℃低温环境中能长期无损贮存,为此,中国科研人员选择2:17型耐高温钐钴(Sm2Co17)永磁材料为离子推力器提供稳定可靠的磁场。

  这种高性能永磁材料,其良好的内禀磁学特性,是钐钴系列永磁材料的首选,与其它永磁材料相对比,2:17型耐高温钐钴永磁材料的最高工作温度可达550℃,而最低可承受-196℃的温度,在与液氮长期直接接触条件下只发生轻微磁性能老化,而在化学中性的环境中,在最高使用温度以下工作寿命可达十年,施加保护涂层后工作寿命更长,在太空辐射环境下作业也不会出现磁性能损失。

  用这种磁性材料作为离子推力器磁路系统的核心器件,其磁性能的稳定性可以得到保证,可满足 LIPS-300离子推力器在轨应用需求。和可靠性的影响。

结语

  人类宇宙航行之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基曾留给后人一句名言:“地球是人类的摇篮,但是人类不可能永远活在摇篮里”。

  随着中国重力场测量和引力波、深空探测和小行星探测等航天工程被提上日程,未来离子电推进技术也将更多的用于通讯卫星、深空探索、引力波探测、大型空间站等方面,而中国电推进技术也将向大功率、高比冲、长寿命、微推力、高精度、宽调节比等方向不断发展,从而推动中国更多航天器不断驶向星辰大海。

 

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