100千瓦级外加磁场磁等离子体动力推进器

摘要

本实验方案旨在介绍一种百千瓦级应用场磁等离子体动力推进器的设计及其相关实验方法。

摘要

应用场磁等离子体动力推进器（AF-MPD 推进器）是一种混合型加速器，通过电磁过程与气体动力学过程共同将等离子体加速至高速，因其具备高比冲和高推力密度的显著优势，在未来空间任务中具有广阔的应用前景。本文介绍了一套设计与制造百千瓦级水冷式 AF-MPD 推进器的系列方案，其最大放电电压为 130 V，最大放电电流为 800 A，外加磁场最大强度可达 0.25 T。采用空心钽钨阴极作为唯一的推进剂入口，以抑制径向放电，并将其沿轴向置于阳极后部，以缓解阳极饥饿现象。阳极采用圆柱形发散式铜结构，通过缩短其长度以减少壁面与等离子体的接触面积，从而降低阳极功率沉积。实验中使用真空系统，可在总推进剂质量流量低于 40 mg/s 的条件下实现 0.01 Pa 的工作真空度，并配备目标推力台架。推进器测试旨在测量推进剂流量、放电电流以及外加磁场强度等工作参数对性能的影响，以便进行合理分析。该推进器可长时间连续运行，且空心阴极表面几乎无侵蚀现象。推进器最大功率可达 100 kW，其水冷构型的性能与文献报道的同类推进器相当。

引言

磁等离子体动力（MPD）推进器以其相对较高的推力密度和高比冲而著称^1,2,3。然而，MPD推进器的典型推进效率¹相对较低，尤其是在使用惰性气体作为推进剂时^4,5,6。对于大多数MPD推进器，部分推进剂流通过阳极与阴极之间的狭缝注入放电室^7,8，导致径向分量在总放电中占显著比例。然而，为了产生推力，必须通过物理喷管或磁喷管将径向动能转化为轴向动能。因此，新型设计的MPD推进器的一个关键特征是所有推进剂均通过阴极供给，这有助于抑制径向放电，从而提高轴向能量的比例。此外，由于推进剂注入方式使得阳极附近区域的粒子数密度降低，阳极周围等离子体中的霍尔参数得以增大，从而增强霍尔加速分量⁹。由于推进剂靠近阴极内表面，而该处在此种注入模式下会发射大量初始电子，因此推进剂的电离率可显著提高。此外，阳极长度已尽可能缩短，以减小壁面与等离子体的接触面积，降低阳极上的功率沉积^10,11。当采用发散型阳极时，阳极与磁场线之间的夹角减小，可进一步降低阳极上的功率沉积^12,13。

尽管上述优势有助于提升性能，但通过阴极注入实现完全推进剂供给可能会增加阳极饥饿的风险，从而导致"起始"现象¹⁴。为抑制这一行为，我们将阴极回撤至阳极基部。电子在离开阳极出口前可充分沿径向扩散，从而缓解阳极饥饿。此外，采用了多通道空心阴极；与单通道空心阴极相比，多通道空心阴极可增大电子发射面积，并使推进剂的分布更加均匀。通过这一改进，推力器的寿命和稳定性均可得到提高^15,16,17。

推进器的设计功率为100 kW，在稳态运行时需要冷却结构。在当前的实验室实验中，采用了一种高效的水冷结构。然而，为了评估磁等离子体动力（MPD）推进器设计的性能，获得推力至关重要。由于采用了高压水系统进行热传递，在此类冷却运行期间会产生强烈振动，如果使用传统的推力测量方法，将造成显著干扰。因此，采用了一种目标式推力架来测量推力。

MPD 推进器

如图1所示，MPD推进器由阳极、阴极和绝缘体组成。 阳极由铜制成，带有圆柱形发散喷嘴，其最小内径为60 mm。阳极内壁周围设有S形冷却通道，通道的入口和出口位于阳极顶部，并由挡板隔开。采用一个细长的铜块连接阳极和电缆，连接点位于阳极的外表面。

阴极材料为钽钨合金，带有九个推进剂通道。阴极的外径为16 mm。阴极的冷却通过环绕阴极基座的水冷套实现。冷却套内部设有环形通道，冷水从底部注入冷却套，从顶部流出。阴极左侧设有中空阴极连接器，推进剂流经连接器中心进入中空阴极腔室；阴极基座内部有一个大空腔，与九个狭窄的圆柱形通道相连。该空腔起到缓冲作用，以提高推进剂在九个通道中分布的均匀性。阴极通过一个环形铜块与电缆连接，该铜块安装在阴极连接器周围。

除了推进器的主体部分外，还需要一个外部磁线圈，以在AF-MPD推进器中产生用于相关机制的磁场；磁场与电场共同作用，形成收敛-发散型磁场，从而加速等离子体。该线圈由288匝圆形铜管组成，同时作为电流和冷却水的通道。线圈的内径为150 mm，外径为500 mm。当电流为230 A时，线圈中心处的最大磁场强度可达0.25 T。

实验系统

实验系统包括六个子系统。实验系统的整体布局示意图如图2所示；真空室内部推进器的布局如图3所示。

首先，真空系统为推进器运行提供必要的真空环境，由一个真空室、两台机械泵、一台分子泵和四台低温泵组成。真空室的直径为3米，长度为5米。当（氩气）推进剂的流量不超过40 mg/s时，环境压力可维持在0.01 Pa以下。

其次，该电源系统提供高压脉冲以点燃推进器，为推进器加速等离子体提供电力，并为磁场线圈提供电力以维持外部磁场。电源系统由点火电源、推进器电源、线圈电源和电缆组成。点火电源可提供 8 kV 或 15 kV 的放电电压。推进器电源可提供最高达 1000 A 的直流电流。线圈电源可提供最高达 240 A 的直流电流。

第三，推进剂供应系统为推进器提供气体推进剂。该系统主要包括气源、质量流量控制器和气体供应管路。

第四个子系统是水冷系统，用于提供冷却的高压水，以交换推进器、磁线圈和电源产生的热量。如图4所示，该系统由泵组、水箱、制冷机、供水管道和泵控制器组成。真空腔内的非导电管道为推进器和磁线圈提供冷却水接口，并确保阳极、阴极与地之间的电气绝缘。

采集与控制系统能够记录测量推进器工作状态的信号，并控制其他系统的运行。该系统由三台计算机及相应软件、数据采集卡和电缆组成。

如图5所示，目标推力架由靶板、细长梁、位移传感器、支撑框架、轴向可移动平台和径向可移动平台组成。靶板可拦截等离子体，等离子体对靶板施加推力。通过放置在靶板后方的传感器可测量靶板的位移，从而实现对推力的评估¹⁸。

方案

1. 实验准备

1. 安装推进器。
   1. 在洁净室内，用浸有无水乙醇的无尘布擦拭推进器的各个部件。
   2. 将阳极与绝缘体组装在一起。
   3. 将阴极、阴极支架和阴极连接器组合起来。
   4. 将阴极部分与阳极部分装配在一起。
   5. 将中间连接件装入组件中，并用螺钉（六角圆柱头螺钉，M5×16）固定。
   6. 使用叉车将线圈座安装到实验平台上。
   7. 将实验平台放置在真空室的导轨上。
   8. 将推进器安装到线圈上。
   9. 将阳极和阴极分别与对应的电缆连接。
   10. 将磁线圈与线圈电源连接。
   11. 将冷却水管和推进剂供应管连接至推进器。
   12. 将冷却水管与线圈连接。
   13. 在真空室内安装可移动平台，并将推力架主体固定在该平台上。
   14. 调节径向可移动平台的位置，使推进器的控制线与目标重合。
2. 校准推力架。
   1. 依次在校准装置上加载不同质量的砝码（10 g、50 g、100 g、200 g），并记录推力架相应的输出值。
   2. 依次卸下砝码。
   3. 至少重复该过程三次。
   4. 根据校准数据计算推力架的弹性系数。
3. 抽空真空室。
   1. 关闭真空室的门。
   2. 启动机械泵。
   3. 当真空室内的背景压力低于 5 Pa 时，启动分子泵。
   4. 当真空室内的背景压力低于 0.05 Pa 时，启动低温泵。
   5. 等待压力降至 1 × 10^-4 Pa。

2. 点火与推力测量实验

1. 如果推进器暴露在空气中，需先进行预热。
   1. 开始记录信号。
   2. 将推进剂质量流量设定为 40 mg/s，并持续供应至少 20 分钟。
   3. 开启冷却水供应。
   4. 将冷却水泵的工作频率设置为 10 Hz。
   5. 将推力架移动至远离推进器的位置。
   6. 开启线圈电源，线圈电流设为 90 A。
   7. 开启推进器电源，放电电流设为 240 A。
   8. 开启点火电源。
   9. 保持推进器工作至少 5 分钟。
   10. 关闭推进器电源和推进剂供应。
   11. 停止记录。
2. 推力测量
   1. 将推力架移动至距离推进器 550 mm 的位置。
   2. 开始记录信号。
   3. 启动推进剂供应。
   4. 以 90 A 的线圈电流和 240 A 的放电电流点燃推进器。
   5. 将线圈电流增加至 150 A。
   6. 将放电电流增加至 800 A。
   7. 将线圈电流进一步增加至 230 A。
   8. 当推力架输出趋于稳定后，关闭推进器。
   9. 停止推进剂供应。
   10. 停止记录。

结果

在实验中，我们控制放电电流（Id）、推进剂质量流量（m）和施加的磁场（Ba）。在运行过程中，我们测量放电电压（Vd）和推力（T）的数值，据此可获得其他性能参数，如功率（P）、比冲（Isp）和推力效率（η）¹。

典型的放电电压信号如图6所示。当电源启动后，阳极与阴极之间会出现开路电压，其值约为230 V。该开路电压不足以击穿放电室内中的中性推进剂；因此需要施加高频放电电压以点燃推力器。点燃后，电压会迅速下降，随后经过一段时间的振荡，电压趋于稳定值。

典型的推力测量结果如图7所示。在开始供应推进剂之前，我们即开始记录推力台的信号，并将其视为零推力点。开始供应推进剂后会出现...

讨论

本方案描述了100 kW级应用场磁等离子体推进器（MPD）的点火、运行及推力测量过程。设计MPD推进器以实现最佳性能的关键在于根据具体目标选择合适的构型。具有收敛-扩散阳极的MPD推进器可在较宽的工作范围内实现稳态运行，但其性能可能低于采用扩散型阳极的推进器。在大多数方面，空心阴极（尤其是多通道空心阴极）优于传统的杆状阴极。采用空心阴极有助于提升推进器性能，并为推进剂供给方式提供更多选择。与实心阴极相比，空心阴极的制造成本相对较高。

如果推进器设计为工作超过10分钟，则必须采用流体回路冷却结构。或者，也可选择辐射冷却²⁶，该方式可避免复杂的冷却剂管路。然而，这可能导致推进器的径向尺寸较大。此外，在实际空间任务中应用时，热管也是一种可行的选择。

外部磁场对于AF-MPD推进器是必不可少的。该磁场可由本方案中所述的传统螺线管线圈或永磁体提供。此外，超导体也是一种潜在的选择，其能够提供比传统线圈更强的磁场，且质量也小于传统螺线管线圈。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
低温泵	Brooks Automation		抽气速率：10000L/s
位移传感器	Panasonic	HG-C1030	重复精度：10μm 线性度：±0.1% F.S.
质量流量控制器	Brooks Automation		量程：0-120mg/s
分子泵	Oerlikon		抽气速率：2100L/s
可移动平台	北京伟纳广科自动化设备有限公司		行程范围：0-2000mm
塑料水管	兴业兴烨氟塑料（嘉兴）有限公司		极限压力：4.5MPa
推进剂氩气	北京环宇兴辉气体科技有限公司		纯度：99.999%
制冷机	北京九州同诚科技有限公司		制冷功率：45kW
水泵	聊城先锋电机有限公司； 上海人民泵业集团制造有限公司； 南方泵业股份有限公司		最大输出压力： 离心泵：1MPa 柱塞泵：10MPa