30cm口徑離子推力器熱特性模擬分析

真空基礎 孫明明 蘭州空間技術物理研究所

  為了對30cm口徑LIPS - 300 推力器的熱設計提出合理建議,利用有限元分析軟件對LIPS - 300 離子推力器進行地面穩態及熱應力分析。結果顯示處于大流量點火工作狀態時,離子推力器的高溫部件主要是陽極筒錐段、屏柵筒以及后極靴,當推力器達到穩態后,陽極筒和后外殼錐段的熱形變占主要地位。根據仿真分析得出的熱設計優化結論是提高LIPS - 300 離子推力器內外部件的表面發射率是可以降低內部部件溫度,并滿足磁鋼工作溫度上限的有效方法。

引言

  30 cm 口徑離子推力器( LIPS - 300 型) 是針對新一代大型桁架式結構衛星平臺全電推進應用目的而研制,從推力器尺寸的變化及某些關鍵部組件的更新顯示出這是一款結構相對較新的推力器產品,因此對LIPS - 300 的各項性能需要開展深入研究,而其熱性能參數作為重要的研究方向,可以直接反映出推力器的能量損失及其所接觸的航天器表面熱特性,因此需要作為推力器重要的設計內容之一。在LIPS - 300 離子推力器的基礎上開展熱分析,真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為分析結果對熱設計方面會具有指導意義。

邊界條件

  由于離子推力器基本原理是依靠氣體放電并中和產生推力,因此熱模型需要從離子推力器放電腔內部各類帶有能量的粒子沉積開始進行討論。對于環形會切場推力器能量沉積過程中占有主導地位的是等離子體云團向放電腔不同內表面的輻射。

  熱邊界條件的獲得根據LIPS - 300 目前實際工作性能參數進行計算,LIPS - 300 目前有兩種工作模式分別為大推力模式( 功率5 kW) 和小推力模式( 功率2 kW) ,文章根據推力器一般工作模式即大推力模式計算邊界條件并開展分析。熱邊界條件計算過程根據推力器氣體放電能量沉積理論編寫軟件生成。從理論出發首先需要考慮放電過程中各類能量粒子的產生率和損失率,從而計算各類粒子密度,并根據密度計算在不同能量沉積部件上形成的電流,最后根據電流計算出能量分布。

空心陰極發射體溫度預估值

圖1 空心陰極發射體溫度預估值

熱設計優化

  從上述結果看出,推力器穩態工作時內部溫度較高,在推力器高溫薄弱環節上、下磁鋼處的溫度范圍達到了296 ~ 330 ℃的范圍,這已經超出了推力器磁鋼的工作允許范圍。推力器若長期在此溫度下工作會嚴重影響SmCo 永磁鐵的磁性能,從而影響放電性能,導致推力器不能正常輸出額定參數。其次推力器內部的放電腔即上、下陽極筒由于高溫引起的形變位移也是重要考慮因素,熱形變過大會導致陽極筒結構出現嚴重失調,從而影響推力器的放電性能。

  由于推力器屬于電真空器件,工作環境為真空,因此只能考慮通過傳導或輻射將推力器內部產生的熱量引出,以達到降低內部器件工作溫度的目的。因此增大面- 面之間的輻射換熱( 即提高表面紅外發射系數) 是可采取的措施。推力器現有表面均為不處理鋁本色表面,其發射率為0. 16 ~ 0. 18,以提高表面發射系數為目標考慮,對推力器前后外殼內外表面,前后屏柵筒外表面,采用提高發射率手段( 提高表發射率可以采用電鍍氧化物、熱控涂層等多種方式) ,將上述推力器6 個表面的發射率提高至0. 75 ~ 0. 8 之間后重新開展運算,結果如圖5 所示,僅給出關心部位的溫度分布和熱形變位移。從比對結果來看,通過提高推力器內外部件的表面發射率,可以有效降低推力器內部部件溫度。推力器內部關鍵部件的整體溫度分布得到了優化,最為關心的磁鋼降溫幅度一般均在100 ℃左右,在某些部位降溫幅度甚至達到120 ℃左右,磁鋼溫度已經能夠滿足工作溫度上限要求。

結論

  根據仿真結果來看,提高推力器表面發射系數可以有效的增大推力器內部的輻射交換熱流,從而達到降低推力器整體溫度的目的。目前雖尚未對30 cm 口徑推力器開展熱試驗,但從前期對20 cm口徑LIPS - 200 推力器進行的表面處理熱試驗結果來看,降溫幅度基本在70 ~ 80 ℃。對于表面涂層的選擇,電鍍本色陽極化是一種簡單且有效的方式,但陽極化處理在大幅提高發射率的同時,吸收率也會隨之提高并且使得原有推力器表面鋁本色的導電狀態發生了改變,因此本著最大限度降低推力器內部溫度分布的目的出發,熱設計建議為在推力器內部部件( 前、后屏柵筒) 外表面可以選擇采用陽極化這一穩定且較為簡易的工藝進行處理,而對于推力器前后外殼外表面可以選擇導電多層熱控涂層鍍膜,以滿足外表面高發射率且低吸收率的需求,且不會破壞推力器外殼表面導電的狀態。