電推進(jìn)地面試驗(yàn)真空系統(tǒng)配置策略與研究

2015-06-28 王軍偉北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所

　　電推進(jìn)地面環(huán)境模擬試驗(yàn)主要用于完成對(duì)電推進(jìn)器性能和可靠性等進(jìn)行測(cè)試。由于電推進(jìn)羽流效應(yīng)的影響，電推進(jìn)地面環(huán)境試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備提出了嚴(yán)格的真空抽氣要求。文章通過對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)的試驗(yàn)特點(diǎn)、真空要求及存在問題進(jìn)行分析，結(jié)合國(guó)際上電推進(jìn)地面環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展，對(duì)該類測(cè)試設(shè)備的真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配置進(jìn)行研究，總結(jié)出應(yīng)對(duì)該類試驗(yàn)所需的真空抽氣策略與研究方法，為后續(xù)電推進(jìn)地面環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的研制和試驗(yàn)測(cè)試提供參考。

　　為了滿足未來航天任務(wù)高性能、長(zhǎng)壽命的空間推進(jìn)要求，電推進(jìn)技術(shù)的研究日益受到各國(guó)的重視，美國(guó)、俄羅斯、歐空局、日本都在加強(qiáng)電推進(jìn)技術(shù)的研究，并已成功應(yīng)用于多項(xiàng)空間任務(wù)，電推進(jìn)技術(shù)對(duì)于深空探測(cè)及衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌的任務(wù)具有巨大的應(yīng)用前景。

　　電推進(jìn)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用前需要經(jīng)過全面的地面測(cè)試來驗(yàn)證其性能等級(jí)、使用壽命及與環(huán)境的兼容性，通過大量的環(huán)境試驗(yàn)可以完全的了解在不同環(huán)境狀態(tài)下推進(jìn)系統(tǒng)的性能參數(shù)和使用情況，識(shí)別和消除潛在的風(fēng)險(xiǎn)，提高其有效性和可靠性。目前國(guó)外先進(jìn)研究機(jī)構(gòu)和公司都建立了用于各類電推進(jìn)系統(tǒng)地面試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)，未來電推進(jìn)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)將成為電推進(jìn)技術(shù)研究的重要補(bǔ)充。

　　由于電推進(jìn)羽流效應(yīng)的影響，電推進(jìn)地面試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備提出了嚴(yán)格的真空抽氣要求，特別是以氙氣等惰性氣體為工質(zhì)的推進(jìn)系統(tǒng)，由于氙氣的特殊性對(duì)其地面試驗(yàn)的真空獲得與維持提出了更高挑戰(zhàn)。合理的真空系統(tǒng)配置可避免試驗(yàn)過程中氣體干擾造成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差，避免電推進(jìn)在試驗(yàn)過程中的濺射污染效應(yīng)，因此電推進(jìn)試驗(yàn)，特別是氙氣工質(zhì)電推進(jìn)環(huán)境試驗(yàn)其真空系統(tǒng)配置策略是一項(xiàng)重要的研究課題。

1、電推進(jìn)地面試驗(yàn)真空環(huán)境要求

　　1.1、真空環(huán)境要求

　　理想的真空環(huán)境應(yīng)能完全復(fù)制電推進(jìn)工作的實(shí)際空間狀態(tài)，包括對(duì)環(huán)境氣體狀態(tài)(化學(xué)成分、密度、溫度等)和推進(jìn)器表面狀態(tài)(形狀、材料、溫度等)都提出了較高的要求。因此，理想的真空環(huán)境狀態(tài)實(shí)現(xiàn)成本較高。根據(jù)國(guó)外電推進(jìn)環(huán)境測(cè)試的要求總結(jié)，為了準(zhǔn)確模擬電推進(jìn)試驗(yàn)的工作狀態(tài)，其測(cè)試設(shè)備對(duì)真空環(huán)境的要求主要包括：

　　1)工作真空度要求

　　為保證推進(jìn)器的正常工作測(cè)試設(shè)備應(yīng)具有足夠高的真空度，如果容器真空度太低，推進(jìn)器和背景氣體之間的作用會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成干擾，造成測(cè)試試驗(yàn)的不準(zhǔn)確，同時(shí)本底壓力太高也會(huì)造成放電的不穩(wěn)定。未來對(duì)于大功率、長(zhǎng)壽命電推進(jìn)系統(tǒng)，在其環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試過程中，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的獲取足夠高的真空度將是一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2)真空抽氣速度要求

　　電推進(jìn)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，特別是以氙氣為推進(jìn)工質(zhì)的推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于設(shè)備抽氣速度的要求非常高。以波音公司XIPS 設(shè)備為例，其直徑6 m，長(zhǎng)12米，配備了30 臺(tái)低溫泵，與傳統(tǒng)的熱真空試驗(yàn)設(shè)備相比，世界最大的環(huán)境模擬器SPF 直徑30 m，高37 m 也僅有26 臺(tái)真空泵。根據(jù)研究，對(duì)于不同的推進(jìn)器類型、功率以及試驗(yàn)?zāi)康木鶎?duì)抽氣速率均提出較高的要求。

　　3)工作時(shí)間要求

　　電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)工作壽命有更高的要求，執(zhí)行時(shí)間通常需要數(shù)千甚至上萬(wàn)小時(shí)。因此電推進(jìn)地面環(huán)境壽命測(cè)試對(duì)設(shè)備的真空維持時(shí)間與設(shè)備可靠性提出了較高的要求，測(cè)試過程中設(shè)備的真空環(huán)境需持續(xù)滿足試驗(yàn)要求，因此設(shè)備真空系統(tǒng)的抽氣能力和設(shè)備可靠性應(yīng)滿足系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的要求。

　　1.2、存在的問題

　　傳統(tǒng)的熱真空試驗(yàn)設(shè)備真空系統(tǒng)不能完全滿足電推進(jìn)試驗(yàn)的真空要求，主要表現(xiàn)在：

　　1)電推進(jìn)工作時(shí)須持續(xù)通入工質(zhì)，經(jīng)電離后轉(zhuǎn)化為高能束流噴射到真空試驗(yàn)容器內(nèi)，特別是對(duì)于大功率電推進(jìn)系統(tǒng)，其更高的功率意味將消耗更多的氣體工質(zhì)。推進(jìn)工質(zhì)在真空容器內(nèi)經(jīng)過真空系統(tǒng)進(jìn)行抽除，意味著真空系統(tǒng)需具有比傳統(tǒng)熱真空試驗(yàn)設(shè)備更大的抽氣能力才能滿足電推進(jìn)工作真空度的維持。

　　2)對(duì)于氙氣工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)，由于氙氣的特殊性，傳統(tǒng)的真空泵不能完全勝任氙氣的抽除：分子泵對(duì)氙氣抽速較小且成本較為昂貴；擴(kuò)散泵其工作原理決定可能會(huì)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)造成油污染；低溫泵是傳統(tǒng)熱真空試驗(yàn)真空獲得的主泵，但低溫泵對(duì)氙氣抽除能力較弱，電推進(jìn)工作時(shí)的氙離子能量較大，造成低溫泵作為氙氣工質(zhì)電推進(jìn)試驗(yàn)的抽氣主泵具有一定的局限性。

2、國(guó)外電推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備真空抽氣技術(shù)

　　2.1、ALTA 公司IV4 測(cè)試設(shè)備

　　IV4 是ALTA 公司霍爾推進(jìn)器測(cè)試設(shè)備的重要部分，IV4 真空容器直徑2m，總?cè)莘e為8m³，設(shè)備配備四級(jí)真空抽氣系統(tǒng)：第1 級(jí)為粗抽真空系統(tǒng)，主要設(shè)備包括粗抽干泵；第2 級(jí)為分子泵系統(tǒng)；第3 級(jí)為高真空抽氣系統(tǒng)，主要設(shè)備包括自屏蔽低溫泵；第4 級(jí)為大抽速低溫抽氙系統(tǒng)，容器內(nèi)部配備冷頭驅(qū)動(dòng)制冷的冷板，主要用于電推進(jìn)工作時(shí)氙氣的抽除。真空系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)130,000 L/s 對(duì)氙氣的抽速，并可以達(dá)到10^-6 Pa 的極限真空。