真空热试验中离子推进器点火对真空系统的影响与对策

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　　离子推进器（ 也称离子发动机、离子推力器） 在航天领域有着广泛的应用，本文简要介绍了其工作原理。在真空热试验中，离子推进器点火，会向真空室内喷射出高能粒子，严重影响容器真空度。本文依据真空系统抽气方程，绘制出了推进器点火过程中的理论抽气曲线。试验结果显示，对氩气的实际抽气曲线与理论计算结果吻合很好，而对氙气则不太理想。本文对此展开分析，同时提出了采用氙气泵来有效抽除氙气的方法。

　　航天器的发展趋势极大地促进了电推进技术在航天器入轨、离轨、状态保持、精确定位及复定位、姿态控制、行星探测一次、二次推进中的应用。离子推进器属于电推进技术的一种，具有比冲高、可多次开关点火、携带燃料少、使用寿命长等优点，离子推进系统稳定、安全、无污染，推力范围较宽，应用范围较广。既可以用于大、中卫星，又可以用于小卫星；既可以用于定点卫星的姿态控制、轨道修正，又可以用于星际航行的主推进系统；既可以用于地月系统，又可以用于深空探测。离子推进器的基本结构如图1 所示。

  

图1 离子推进器基本结构

% S1 F8 h2 g! @2 I1 X　　正因为有这些优点，NASA 才把离子推进系统选为NSTAR 工程的首选推进系统。离子发动机还特别适合于小卫星，NASA 正在开发功率为0.1 ～0.3 kW 的小型离子发动机，直径只有8 cm。离子发动机非常适合于星际航行，目前比较成功的型号有休斯公司的XIPS-13、XIPS-25 以及NASA 与休斯的XIPS-30（ 或NSTAR-30） 。NSTAR 发动机于1998年10 月在“深空1 号”航天器上投入使用并完成了任务，系统已经在太空正常运行超过11000 h，任务可能进一步扩展到访问其它的小行星。
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0 I/ j/ P  R% Q" x) _图2 RIT22 离子发动机三维模型与实物图

　　图2 为欧空局“BepiColombo”计划所采用的RIT22 离子推进器。离子推进器的基本工作原理是: 采用一定的方法，推进器将工质（ 一般为氙气）电离成带电离子与电子，离子在1000 V 以上的静电场的作用下，加速喷射而出，由于遵守动量守恒定律，因此获得向前的推力，其原理图如图3 所示。加速后的离子流由中和器释放出来的电子中和，这非常必要，因为如果尾流带走了大量正离子，那么飞行器将带负电，使离子流减速，甚至反弹回来，影响推进器工作。中和器应放在适当位置以减少尾流中离子的飞溅，并保证有效的中和。无论哪种离子推进器，都需要有效的方法电离推进剂，因此离子发生器格外重要。常用的推进剂为氙气，但氪气和氩气等也已经被使用。
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图3 离子发动机工作原理图

结论

7 E( H" u7 L& H5 x# t& R　　根据某颗星离子推进器点火的真空热试验结果，得结论如下:
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1 F  b" O) a5 r7 @1 K: ~, ?　　（1） 真空系统低温泵对Ar 的理论抽气曲线与实际抽气曲线吻合很好，计算过程中需要注意两个数值的选定，精确的Ar 通气量和低温泵对Ar 的抽气系数，抽气系数与泵的工作状态相关，一般对Ar选取0. 5；
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/ x! C& n0 Q# y6 I! E! c　　（2） 推进器在试验过程中点火，Xe 原子被电离，经过电场加速喷出，而后中和器对Xe 离子中和，由于Xe 原子量大，障板流导小，携带能量高，吸附热大，低温泵对Xe 的抽速极低，为名义对N2抽速的10%；
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3 P. d( v# E; M) B+ E　　（3） 常用的获取高真空的泵（ 低温泵、分子泵、扩散泵） 均不适宜抽除Xe，目前最好的抽除Xe 的方法是采用Xe 泵，其抽气原理与低温泵相同，只是冷头温度与结构存在差异，由于Xe 泵只针对氙气，抽气能力单一，限制了其广泛应用；
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　　（4） 放气阶段真空度由好变坏，计算过程中表面放气量可忽略不计；放气结束后真空度由坏变好，在放气过程中真空室表面重新吸附了气体，此时计算容器内压力的变化情况需要考虑表面放气的影响。