霍尔推进器是一种利用等离子体产生推力的高效航天器推进装置,霍尔推进器最常见的变体是静止等离子推进器(SPT)。等离子溅射对SPT放电腔壁的侵蚀降低了推进器的性能,最终导致推进器的寿命缩短。在过去的几十年里,许多人都在努力了解壁面侵蚀,以便设计出能够在许多任务中运行数千小时的新型推进器。然而,由于等离子体和与侵蚀有关的物质物理所带来的挑战,研究人员至今仍未完全了解。


相关论文以题为“Review of Plasma-Induced Hall Thruster Erosion”发表在《Applied Sciences》上。


新型固定式等离子推力器,可用作高效航天推进装置!


霍尔推进器是一种通过等离子体离子静电加速产生推力的航天器推进装置。图1显示了在乔治亚理工学院的大功率电力推进实验室工作的霍尔推进器。


性能因设计和动力等级的不同而不同,但典型的推进器的演示寿命约为10000小时,并以1000-3000秒的特定冲量(每单位重量推进剂的总动量)产生0.1-1 - N的推力。这些特性使霍尔推进器成为卫星站位保持和深空探测的主要推进选择。自1971年俄罗斯流星18号发射以来,霍尔推进器已经搭载了数百艘宇宙飞船;它们目前为SpaceX星链星座提供轨道修正,并计划作为NASA Psyche和Artemis任务的主要推进元素。


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图1.普惠T-140霍尔推进器与氙气推进剂操作。


霍尔推力器最常见的变体称为静止等离子体推力器(SPT),它在由陶瓷壁组成的放电腔内点燃和维持等离子体。霍尔推力器侵蚀是通过等离子溅射将陶瓷材料从放电腔壁上逐渐去除。陶瓷的完全去除会导致磁路元件暴露在等离子体中,并有效地终止了推进器的寿命。在使用寿命结束之前,壁材的去除也会对推进器的性能产生很大影响。推力器寿命试验表明,在冲蚀率最高的前1000小时,推力和比冲可以降低5-8%。


侵蚀是一种等离子体-物质相互作用,形成耦合反馈回路;溅射改变了壁面性质,改变了等离子体边界条件,从而调节了放电溅射速率。溅射对表面和等离子体条件的高敏感性导致了进一步的并发症。尽管在实验测量和计算模拟这一过程方面做了大量的努力,但许多方面还没有被很好地理解。陶瓷放电腔壁的溅射速率还没有得到充分的量化,侵蚀和性能退化之间的联系还需要进一步的研究,对于在推力器寿命测试中普遍存在所谓的“异常”侵蚀脊的解释仍然是难以捉摸的。


霍尔推力器等离子体


如图2所示,霍尔推力器在环形陶瓷放电腔内形成和维持具有交叉电场和磁场的等离子体。一个外部电源沿着放电轴建立一个电场,一组螺线管产生一个磁场,指向放电半径。电场建立在正偏阳极和负偏发射空心阴极之间。交叉电场和磁场迫使阴极发射的电子在放电腔内形成旋转方位角漂移。中性推进剂(通常是氙气)通过阳极输入,与电子碰撞形成离子,离子随后被轴向电场加速进入推进器排气。在产生的羽流中保持电荷准中性,因为一些发射的电子跟随被驱逐的离子而不是进入放电室。电离的推进剂不能在放电腔内的霍尔流中被捕获,因为磁场虽然大到足以磁化电子,但没有足够的强度磁化相对较重的离子。


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图2.正面和侧面截面示意图的霍尔推力器。电子(黄色)被交叉电场(绿色)和磁场(橙色)困在霍尔漂移中,电离中性推进剂(灰色)。由此产生的离子(蓝色)被电场加速进入推进器的羽流。


这种壁加速的主要来源是形成的将准中性体等离子体连接到放电室壁的等离子鞘。由于墙壁是绝缘的,必须形成护套以加强在墙壁的零净电流边界条件。电子首先到达壁,因此护套通过建立从本体等离子体到壁的电势降来阻止进一步的电子电流到壁。足够靠近壁形成的离子或通过碰撞或局部电场被运输到壁区,被鞘层电位梯度加速进入壁。图3提供了这种效果的简化说明。


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图3.壁护套电位降的简化说明。鞘内的电位梯度排斥电子(黄色)远离壁,加速离子(蓝色)朝向壁。


排放室壁材料


霍尔推进器需要陶瓷放电腔壁来保护螺线管免受等离子体暴露,壁材的选择会影响推力器的性能和工作条件。该材料必须具有较低的高温电导率、较高的机械强度、良好的抗热震性、较低的放气速率、较低的二次电子发射速率和较低的溅射产率。氮化硼硅(BN- sio2)复合材料是最常见的飞行推力器壁材,但氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)和不同等级的BN以不同的粘结材料被用于实验室推力器中。


研究人员在无定形SiO2粘结剂中热压六边形BN血小板形成BN-SiO2复合材料。所得到的复合材料是正交异性的,因为沿平行于血小板平面方向的性能与沿血小板正常方向的性能不同。图4为M26 BN-SiO2级复合材料在没有导电表面涂层的情况下的扫描电镜(SEM)图像,BN颗粒的纤维状外观是由于BN血小板的边缘图。


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图4.M26 BN-SiO2级的扫描电子显微镜(SEM)图像。暗区为无定形二氧化硅(SiO2),亮区为正交异性氮化硼(BN)。


结论


霍尔推力器侵蚀是一种复杂的等离子体-材料相互作用,对器件的性能和寿命有重要影响。实验结果表明,壁面冲蚀率降低了推力器的性能,并最终导致推力器的寿命缩短。详细的表面调查揭示了异常侵蚀脊的形成、表面成分的变化和表面微观结构特征的发展。计算工作已经成功地重现了一般的侵蚀速率趋势,但是模型还不能预测或产生实验观察到的地表特征。


要准确量化霍尔推力器壁材的低离子能溅射率,分离异常侵蚀脊和微观结构表面特征的原因和影响,还需要进行更多的实验工作。众所周知,腐蚀改变了壁面,但是需要做更多的工作来精确地确定材料是如何变化的,以及这些变化对等离子体有什么影响。虽然在理解成指数衰减的侵蚀率和侵蚀引起的推力器性能退化的原因方面取得了进展,但这些问题仍然没有完全理解。


霍尔推力器侵蚀的预测模型具有独特的挑战性,目前尚未实现。尽管实验不确定,预测模型需要一个等离子体和壁之间耦合相互作用的准确表征。高保真等离子体模型还没有与复杂的材料和溅射模型相结合,因此在这个领域还需要更多的努力。


最后,当代减缓侵蚀的概念已经产生了有希望的初步结果。特别是磁性屏蔽,可以在不影响性能的情况下大幅度提高推进器的使用寿命。然而,还需要做更多的工作来验证低侵蚀的概念,并确定其低功率和高功率变体的有效性。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3775/htm



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