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影响霍尔推力器性能的因素


霍尔推力器,又称为稳态等离子体推力器,是前苏联的莫洛佐夫(Morozov)教授发明的,1966年第一次成功放电产生推力,与霍尔推力器几乎同时代的电推力器有离子推力器。这两种推力器,从诞生的那一刻起,就成为对方最强的竞争对手。

霍尔推力器结构是非常简单的,但是内部的放电过程异常复杂。从图2可以看出,霍尔推力器由一个产生电子的阴极、放电通道、用来产生磁场的线圈或者永磁体、供气管以及接入正电位的阳极组成(基本是一体的)。阴极产生的电子被分成两部分:一部分在磁场和电场的作用下,进入放电通道电离工质(最常用的气体为惰性气体,氙气,Xe),产生等离子体,最后到阳极放电,另一部分则与被电场加速喷出去的离子中和,实现整体的电中性,形成一个放电回路。

阴极一般采用空心阴极,实验室常采用热阴极产生电子,内部有低逸出功的发射体——六硼化镧,加热到>1500K的同时给阴极供气,就可以产生足够的电子。实际上,阴极本身也可以作为推力器,称之为阴极推力器。在阴极的基础上,还发展出微阴极推力器(μcat),产生微牛(μN)级别的脉冲推力。阴极在推力器系统中是一个非常关键的部件,其放置位置、电子发射能力等,会严重影响整个放电过程。放电通道基本采用氮化硼陶瓷,其力学性能虽然不足,但是绝缘性、热变形以及关系到推力器性能的二次电子发射系数,都胜过其他材料。阳极则采用不锈钢等导电性、力学性能俱佳的材料,整体的支撑则是导磁性较好的DT4C磁钢,用来调整出合适的磁场位型。

影响霍尔推力器性能的其中一个因素是不同的工质,在足够高电子温度的情况下,都可以被电离,但是所需要的电压是不同的,换言之,相同电压、相同通流密度的情况下,电离率是不相同的。在霍尔推力器中,最常用的是氙气(Xe),其原子半径较大,外层电子能够比较轻易的被外部高能电子撞击而发生电离。但是,地球上Xe的储量很低,提取成本高昂,因此在实际应用中,氩气(Ar)、氪气(Kr)以及固态工质如碘、铯都都被研究。特别是对于与Xe同族的Ar和Kr,被大量的研究。由于这两种惰性气体具有比Xe更低的原子量,理论上而言相同情况下具有更高的比冲。但是实验发现这两种工质,由于难以被高效电离,浪费了大量的原料,比冲被大幅削弱。本人也采用另一种推力器对这三种工质进行了实验比较,发现在相同体积流量的情况下,Xe的电离率远远高于Kr和Ar,尤其是Ar,电离率甚至无法超过20%。提高这两种工质的通流密度,直至与Xe相同的质量流量,三者此时的电流比较接近,Kr和Ar的电离率也大幅提升,接近于Xe。因此,要提高Kr和Ar的电离率,提高通流密度是一种有效手段,但是我的实验结果表明,当流量超过一个阈值时,最终导致电流急剧增大,振荡剧烈。

工质种类是影响推力器性能的一个及其关键的因素,但是同一种工质采用不同阳极结构时,推力器的性能也是有较大的差别的。为了实现均匀供气,霍尔推力器一般在环形阳极的端面打孔。而此时,孔的数量、大小、位置都会影响到工质的均匀性。这些因素会影响推力器振荡、对称性等,法国Vail的研究表明孔在径向的位置分布,甚至影响羽流发散角。为了使气体分配更加均匀,俄罗斯研究人员在第二代ATON型上将气体分配器与阳极分离,在阳极之前布置了缓冲腔结构,推力器的性能明显得到了提升。



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