基于Langmuir探针系统的稀薄等离子体羽流特性测量

摘要

随着航天技术不断发展，传统的化学推力器已经难以满足深空探测的需要,具有比冲高、质量轻、推力小和控制精度高等优点的电推力器逐渐受到航天大国的青睐，被广泛应用于航天器的姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道提升、轨道修正、轨道转移、重新定位、离轨处理、深空探测和星际航行等任务。 但是电推力器的羽流污染比普通的化学推力器更加严重，其羽流污染主要包括电磁污染、热污染、机械污染和化学污染等，这些污染将会影响航天器的正常工作和使用寿命、降低航天器与空间站的对接精度，甚至出现严重事故，特别是羽流中高能离子产生的溅射和沉积，会使推力器和周围设备材料的光、电、热特性产生意象不到的改变。只有对等离子体羽流特性和机理有了清楚了解，才能抑制和避免等离子体羽流污染，提高电磁推力器性能。 为了获得Hall推力器羽流等离子体的特性，建立Langmuir探针系统，在真空舱内应用Langmuir单探针和双探针系统依次测量了羽流中等离子体的伏安特性，得到了电子温度、电子数密度等参数，并考察了电子数密度、电子温度和饱和电流随放电能量的变化趋势，测量范围为：距离推力器出口截面30cm～70cm，偏离中心轴-30o～30o。 实验表明，距离推力器出口截面30cm到100cm的区域内，电子温度的变化不大，电子数密度随着偏离中心线的角度和距离推力器出口截面距离的增大而减小；在恒定流率下，电子饱和电流、温度和数密度随着放电功率的增加而增加，离子饱和电流对电子数密度的影响很大，它们之间几乎成线性变化。比较Langmuir单探针和双探针实验结果后发现，双探针实验得到的伏安特性曲线对称性好，等离子体参数曲线趋势合理，实验精度比单探针高，同国外相关文献对照后发现实验结果可靠。从实验中得到的数据可以用来与羽流控制区的数学模型进行比较，也可作为数值模拟的边界条件。 实验过程中发现溅射对推力器表面的材料有明显的冲刷和侵蚀痕迹，并伴有电磁和信号干扰。对羽流溅射的影响不能忽视，只有对溅射的影响进行正确的估计和分析，才能为今后推力器强度的设计、材料的选择、飞行器周围设备的布置提供正确指导。