基金项目:甘肃省杰出青年基金(21JR7RA744,20JR10RA481)
作者简介:李璇(1997—),女,硕士,研究领域为离子推力器可靠性。
Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China
DOI: 10.3969/j.issn.1672-9374.2024.02.007
技术成熟度高、产品应用广泛的离子推力器[1-3],除了比冲高、效率高、调控精度好等相对优势外,最突出的特色在于其性能调节能力[4-20]。性能调节能力常用术语“多模式”表示,多模式离子推力器给工程应用和产品研制均带来极大好处,主要包括:①深空探测任务中航天器太阳能功率随距离变化,多模式离子推力器能够完全适应这种功率变化,如“黎明号(DAWN)”探测器[11]; ②科学试验航天器的无阻尼控制,需要推力连续可调以动态补偿大气等阻尼力,多模式(连续)离子推力器能够完全胜任,具体如地球重力场和海洋环流探测卫星(GOCE卫星)[15]; ③多模式工作能力能够显著提高一款离子推力器产品的通用性,有助于减少离子推力器产品型谱数量[21]; ④离子推力器的多模式工作能力能够为复杂航天任务柔性实施提供技术支撑并带来显著效益[22-23]。因此,离子推力器的多模式性能研究具有重要的专业技术意义和工程应用价值。
国内外已经进行了许多多模式离子推力器产品研制和多模式化技术研究,本文针对国内外成熟度较高的多模式离子推力器,包括LIPS-400[4-5]、NEXT[6-7]、LIPS-300s[8-9]、NSTAR[10-11]、LIPS-100[12-13]、T5[14-15]、T6[16-17]、RIT-2X[18-19]、IES-35[20]等,基于工程产品性能数据,对这些推力器的功率、推力、比冲、效率等主要多模式性能进行了对比研究,讨论了性能差异背后的主要原因。同时通过定义功率调节比和效率调节比,对比研究了不同类型和不同规格多模式离子推力器的性能调节能力,分析讨论了性能调节比差异的主要影响因素。期望基于工程数据研究的最终结论,能够为我国多模式离子推力器产品研制、性能提升和工程应用提供借鉴。
表1所列为目前国内外成熟度较高的多模式离子推力器产品,其中美国的两款产品由格林研究中心(Glenn Research Center,GRC)研制,中国的3款产品由兰州空间技术物理研究所(Lanzhou Institute of Physics,LIP)研制,英国的两款产品由空间分部(QinetiQ Space Division,QSD)研制,日本的一款产品由东芝空间公司(Toshiba Space Systems,TSS)研制,德国的一款产品由阿斯特里姆公司(Astrium GmbH)研制。
表2~表7所列为表1中多模式离子推力器产品的性能数据,包括功率Pth、推力Fth、比冲Isp和效率ηth。其中LIPS-400的数据来自文献[4],NEXT的数据来自文献[6],LIPS-300s的数据来自文献[8]和工程产品实测,NSTAR的数据来自文献[10],LIPS-100的数据来自工程产品实测,这些产品的数据比较完整,T5的数据来自文献[14],T6的数据来自文献[16],RIT-2X的数据来自文献[18],IES-35的数据来自文献[20],这些产品的数据相对较少。
利用表2Symbol~A@表7性能数据,可以对不同国家(公司)、相同或不同放电类型、功率范围相近的推力器多模式性能进行对比。由于功率是电推进产品应用的最大限制因素,以功率水平为基准比较推力器性能具有一定合理性及必要性,下面以多模式离子推力器的推力、比冲和效率随功率变化关系为基础进行对比。离子电推进单台推力器成熟产品的功率均已覆盖了0.1~1 kW范围[24]。
LIPS-400和NEXT均为直流放电环切磁场多模式离子推力器,LIPS-400选用三栅极离子光学系统,NEXT选用两栅极离子光学系统,但两者具有相近的束流直径,且功率范围具有可比性,图1(a)~图1(c)分别为两种推力器的推力、比冲和效率性能,通过对比可知:①中国LIPS-400和美国NEXT的推力、比冲、效率等性能随功率变化的趋势基本相同,其中推力与功率呈线性关系,比冲和效率随功率增大先快速增大,随后增长趋缓,最后趋于稳定; ②两个推力器推力随功率变化基本重合一致,但4 kW以下功率区域NEXT的比冲和效率略高于LIPS-400,4 kW以上功率重叠区的比冲和效率相当,主要原因在于LIPS-400的功率上限可达10 kW而NEXT仅为7 kW,而多模式推力器通过放电室磁场优化实现最大化效率,一般都定位在最高功率处,降低功率范围的效率最大化主要依靠流率和电参数优化; ③多模式离子推力器的性能优化以高效率为首要目标,因此基于流率和电参数优化调节时,往往导致比冲出现差异较大的分布,这正是图1(c)中效率分布相对集中而图1(b)中比冲分布相对分散的主要原因。
图2(a)~图2(c)分别为LIPS-300s和NSTAR两种推力器的推力、比冲和效率性能,LIPS-300s的功率范围明显大于NSTAR,靠牺牲了一定的效率实现了功率宽范围多模式化的优化改进[8],通过对比可知:①中国LIPS-300s和美国NSTAR的推力、比冲、效率等性能随功率变化的趋势基本类似,其中推力与功率呈线性关系,比冲和效率随功率增大先增大,后趋缓或趋于稳定; ②两个推力器推力随功率变化完全重合一致,2 kW以下功率区域NSTAR的比冲和效率均高于LIPS-300s; ③LIPS-300s的比冲和效率随功率变化的关系存在相似性,这正是在功率和推力相同条件下,推力器比冲和效率为线性比例关系的体现; ④LIPS-300s在小功率范围比冲和效率随功率变化的非光滑性与NSTAR之间存在明显差距,表明LIPS-300s的效率仍然可以进一步优化。
LIPS-100和T5均为直流放电发散场性能连续可调离子推力器,图3(a)~图3(c)分别为两种推力器的推力、比冲和效率性能,通过对比可知:①中国LIPS-100和英国T5的推力、比冲、效率等性能随功率变化的趋势基本一致,其中推力与功率呈线性关系,比冲和效率随功率增大先增大较快,后逐渐趋缓; ②两个推力器推力随功率变化完全重合一致,比冲和效率两者也比较接近,且LIPS-100略高于T5; ③LIPS-100的多模式性能与T5相当甚至略好,因此后续产品性能提升重点在推力调节分辨率和精度方面。
T6、RIT-2X和IES-35推力器为不同国家、不同类型离子推力器的代表,尽管性能数据有限,但功率范围相当。
图4(a)~图4(c)分别为3种推力器的推力、比冲和效率性能,通过对比可知:①3个推力器的推力与功率均呈线性关系,相对来说日本IES-35推力最大,德国RIT-2X推力居中,英国T6推力最小,如图4(a)所示; ②3个推力器比冲与功率关系如图4(b)所示,随功率增大日本IES-35比冲基本恒定,德国RIT-2X比冲降低,英国T6比冲升高,其主要原因在于各推力器所采用的优化策略差异; ③3个推力器效率随功率增大均呈现增长趋势,相对来说日本IES-35效率最高,德国RIT-2X效率居中,英国T6效率最低,如图4(c)所示; ④在可对比功率范围内,直流放电环切场推力器的性能最高,射频放电推力器的性能次之,直流放电发散场推力器的性能最低。
多模式离子推力器的性能调节能力包括了功率、推力、比冲、效率等性能参数的变化范围。无论从空间太阳阵功率随距离变化及空间环境下性能退化的角度看,还是电推进本身性能的决定性因素考虑,功率都是主变量或基本性能参数,推力与功率基本为线性关系,比冲的提高是效率优化的结果,而推力器的效率是在功率约束下推力器性能优化的目标和综合性能的集中体现。
为比较不同类型、不同规格多模式离子推力器的性能调节能力,需要分析功率调节范围和相应的优化效率范围。为此,定义两个相对量作为多模式离子推力器性能调节能力的量化度量:功率调节比λ定义为调节点功率与最大功率的比值,效率调节比γ定义为调节功率点效率与最大功率点效率(一般也是最高效率)的比值。
图5所示为LIPS-400和NEXT推力器的效率调节比与功率调节比关系。
图5 LIPS-400和NEXT的效率调节比与功率调节比关系
Fig.5 Relation of efficiency regulation ratio and power regulation ratio between LIPS-400 and NEXT
通过分析与对比可知:①随着功率调节比逐步降低,效率调节比呈现出降低幅度逐渐加大的趋势; ②NEXT的最小功率调节比为0.08,LIPS-400的最小功率调节比为0.11,表明NEXT的相对调节能力略高于LIPS-400; ③在LIPS-400和NEXT重叠的功率调节比范围内,推力器的效率调节比几乎重合一致,表明两个推力器的多模式优化水平相当。
图6为LIPS-300s和NSTAR推力器的效率调节比与功率调节比关系,通过分析与对比可知:①随着功率调节比逐步降低,效率调节比呈现出降低幅度逐渐加大的趋势; ②两个推力器的最小功率调节比非常接近(0.19和0.20),表明功率相对调节能力基本相同; ③尽管功率相对调节能力一致,但效率调节比随功率调节比降低存在明显差别,表明LIPS-300s离子推力器的多模式性能优化水平要低于NSTAR的优化水平,这是由于LIPS-300s离子推力器通过牺牲一定的效率来减弱放电室磁场强度,实现了更小功率下稳定工作并提高了推力器束电流密度的均匀性,依次增加功率可调节范围,LIPS-300s离子推力器的多模式性能仍然存在进一步提升的空间。
图7为LIPS-100和T5推力器的效率调节比与功率调节比关系,通过分析与对比可见:①随着功率调节比逐步降低,效率调节比呈现出降低幅度逐渐加大的趋势; ②两个推力器的最小功率调节比非常接近(0.12和0.10),表明相对功率调节能力基本相同; ③效率调节比随功率调节比降低幅度基本一致,但存在中功率调节比区域LIPS-100效率调节比略高、低功率调节比区域T5效率调节比略高的局部差异。LIPS-100与T5推力器具有相同的口径和推力的调节方式(均通过阳极电流、励磁电流、流率的调节实现),区别在于二者的栅极结构有所不同,T5推力器采用凹面双栅,LIPS-100推力器采用凸面双栅,使得LIPS-100推力器的束流引出效率更高一些[13]。
图8为LIPS-400、NSTAR、LIPS-100推力器的功率调节比与效率降低比关系。
图8 LIPS-400、NSTAR、LIPS-100的功率调节比与效率降低比关系
Fig.8 Relation of efficiency regulation ratio and power regulationratio among LIPS-400, NSTAR and LIPS-100
通过对比可知:①随着功率调节比逐步降低,3个推力器效率调节比呈现出降低幅度逐渐加大的趋势; ②3个推力器之间效率调节比变化幅度差别显著,LIPS-400降低最慢、NSTAR中等、LIPS-100降低最快; ③推力器类型相同的LIPS-400和NSTAR之间的效率调节比变化幅度差别主要来自推力器尺寸(对应最大功率)效应,数据表明推力器尺寸越大时,相对效率降低幅度越小; ④NSTAR和LIPS-100之间的效率调节比变化幅度差别主要来自推力器放电类型的不同,数据表明环切场类型比发散场具有更好的多模式性能调节效果。
多模式工作能力是离子推力器最具特色的优势之一,离子推力器的多模式性能对产品应用和产品研制都具有重要意义。通过对国内外离子推力器多模式性能和性能调节能力的对比研究,得到如下主要结论。
1)多模式离子推力器的推力与功率基本呈线性关系,而比冲和效率与功率为非线性关系,随功率减小比冲和效率下降幅度逐渐加大。
2)我国多模式离子推力器的整体性能与国外多模式离子推力器的性能相当,但个别推力器的局部效率有待进一步提升。
3)直流环切场离子推力器的多模式化性能最高,射频离子推力器次之,直流发散场离子推力器最低。