關於離子推進器(Ion Thruster)

之前一直說周末完成這篇專欄文章,不過這周末有點忙,拖到了今天。還好,今天還算是五一假期,也算是周末吧。

首先想說說電推進的基本概述。

電推進是利用電能加熱或電離推進劑加速噴射而產生推力的一種反作用力式的推力器(《空間電推進原理》 於達仁 著)。電推進的研製大概應該追溯到戈達德的時代,在1906年戈達德提出了利用電能加速帶電粒子產生推力的構想,在20世紀50年代左右電推進的工程研究才正式進入了正規。截止今日,國際上開展電推進研究走在前列的國家是美國、德國、日本、中國、俄羅斯。

主流的電推進形式分為三種——電熱式、靜電式、電磁式。顧名思義,電熱式主要是利用電弧加熱電離氣體,並且將其加速噴出。靜電式則是利用柵極提取陽離子,然後利用加速電場將其加速。電磁式的典型代表分為兩種——霍爾推進器(Hall Thruster)和 磁等離子體推進器(Magnetoplasmadynamic Thruster)。霍爾推進器是基於霍爾效應(就是高中物理學過的那個霍爾效應)產生正交場放電形成等離子體,然後利用靜電場對離子加速而利用磁場約束電子運動。而磁等離子體推進器則是利用脈衝放電的方法使得推進劑電離然後利用Lorentz力對其加速。

今天我們的文章就從歷史比較悠久的Ion Thruster開始。離子推力器根據放電形式的不同可以分成直流放電、電子轟擊、射頻放電、迴旋共振等幾種。目前比較火的離子推進器的工質是Xenon。放眼國際,據我所知,許多個實驗室都在離子推進器的Plasma Source上下功夫,目前主流的研究方向是迴旋共振的射頻放電。

在離子推進器的研究中,遙遙領先的。。。當然是美國了。畢竟就連電推進的概念都是戈達德提出來。如今在戈達德家鄉附近的WPI(Worcester Polytechnic Institute)的電推搞得就不錯。英國歷史上曾經研究過電子轟擊式的離子推進器,Sury University現在的研究進行的不錯。Southampton University也有幾個老師在做這方面。日本的JAXA在Kaufman式(電子直接轟擊)離子推進器和微波式離子推進器上也有涉獵。中國這方面領軍的是510所,北航和哈工大也都走在前列。

離子推進的原理是利用工質電離產生離子,在靜電場的作用下加速噴出產生推力。為了定量研究離子推進器引入了幾個重要的衡量指標,並且引入了波姆電流和有效透明度兩個重要的參數。在離子推進器之中我認為比較重要的部分是對於電離室(Discharge Chamber)內部的參數描述。

首先引入了理想電離室模型,這種模型的主要建模特點是:能量通過不同的方式注入充滿中性氣體的電離室之內以激發和電離工質,之後離子束被加速柵極引出,而相同數目的電子到達壁面,保持電量的守恆。

然而這種理想電離室模型之中沒有考慮離子運動以及能量輸運機制,因此引入廣義零維會切等離子體推力器模型:考慮了離子運動以及能量輸運機制。同時假定等離子體分布是均勻的,這個假設除了在陰極羽流區不適用以外在其他的區域都有著良好的應用。

廣義零維會切等離子體推力器模型建模過程之中採用了動理學方程以及能量平衡方程,有效的求解了電離室內部的電子約束、離子約束,以及激發態中性氣體的產生和電離室內部中性粒子、原初電子的密度等,並解決了電離室內部功率以及能量平衡的問題,同時也涉及到了放電損失以及穩定性的問題,但是這種模型在存在著空心陰極時候會失去一些準確性,同時模型之中假設的單能的原初電子能量不能準確的模擬二價離子的產生。同時不能反映離子推進器內部等離子體分布非常不均勻的情況。

但是零維模型的計算模擬結果仍然不能完全在誤差範圍內模擬實驗,因此為了更加準確而引入了二維計算模型,這種模型沒有像零維模型之中所展現的那樣,將電離室之中的等離子氣體描述成為各項同性完全均勻的離子體。

在離子的引出以及加速的問題上,目前是利用柵極進行加速。要求柵極具有高的離子透明度以及低的中性氣體透明度,目前柵極結構比較主流的有雙柵極和三柵極兩種類型。為了準確的預測離子推力器的柵極加速下的離子的運行軌跡,引入了離子光學模型,通過計算離子密度以及求解泊松方程來預測。

在離子推進器之中電子返流也是比較重要的一個研究熱點,利用建立勢阱的方法可以有效地避免電子返流。

在離子推進器的壽命問題上,主要影響壽命的部件有離子光學系統的柵極、主陰極和中和器的陰極。加速柵極的腐蝕是離子推進器最主要的腐蝕機制,這種機制主要分為柵極孔腐蝕以及柵極下游電荷交換碰撞。

離子推力器的發展前景在高功率(電離室模擬)、高比沖(柵極材料n柵極間距)、長壽命(腐蝕機制 羽流效應)、多模式等幾個領域,在這幾個領域之中還存在著一些沒有解決的問題,值得我們深入地去探索。

上面基本介紹了離子推力器,對於離子推力器的主要研究方法是模擬和實驗兩種。模擬中目前常用的是PIC(Particle in cell)的方法,對於電子有的文獻也採用了流體模型利用MHD方程組(Magnetohydrodynamics)進行計算,下篇文章會介紹這兩種模擬方法。

謝謝大家!歡迎大家討論指正!

(圖片來源:Wikipedia)

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