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时间:2019-11-27
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1、航天器环境工程第27卷第6期756sPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年】2月离子推进器C/C复合材料栅极研究郑茂繁,江豪成,张天平,顾左(兰州物理研究所真空低温技术与物理国家级重点实验室,兰州730000)摘要:栅极是离子推进器的关键部件之一,直接影响推进器的可靠性和寿命。由于C/C复合材料栅极具有比较小的热膨胀系数和较强的耐溅射性,可以提高离子推进器的可靠性并延长其寿命。文章通过调研综述C/C复合材料栅极的研究和应用发展状况,针对目前我国离子推进器的研究发展水平,提出开展C/C复合
2、材料栅极研究工作的初步思路。关键词:电推进;离子推进器;栅极;C/C复合材料中图分类号:V439+.1文献标识码:A文章编号:1673.1379(2010)06-0758-04DOI:10.39690.issn.1673—1379.2010.06.0200前言离子推进器是一种具有推力小、比冲高、寿命长等特点的电推进方式,其工作原理是利用电能将推进剂电离,由栅极组件将离子加速引出,从而产生推力。离子推进器的栅极组件(亦称离子光学系统)由屏栅极和加速栅极组成,它小但决定着离子推进器的性能,还决定着推进器的可靠性和寿命,是离子
3、推进器的重点研究对象。在离子推进器研究初期,研制人员就开始着手研究不同材料栅极的性能。到目前为止,美国研制了钼、钛、石墨和C/C复合材料等多种材质和结构的栅极,如30cm和57cm大直径C/C复合材料栅极【l。2】,并应用于离子推进器;日本研制了10cm、14cm和20cm的C/C复合材料栅极,分别应用丁:14cm氙离子推进器【3】和“1014J、肛20电子回旋微波离子推进器【5】,其中¨10推进器已执行空间飞行任务;英国和德国也相继开展了C/C复合材料栅极的研究工作。20世纪70年代,我国就开始进行离子推进器的研究,先
4、后研制了8cm汞离子推进器,9cm和20cm氙离子推进器,栅极采用的都是金属钼栅极。目前我国离予推进器的研究工作已进入空间飞行试验阶段,栅极仍选用金属钼栅极,其寿命在几千h。随着空间任务的发展,对电推进技术的需求也小断提高,特别是长寿命、大容量通信卫星对电推进器寿命提出新要求。推进器由于受金属钼栅极寿命的影响,离子推进器寿命不能满足长达10000多h寿命的要求。而C/C复合材料热膨胀系数小,离子溅射系数低,机械强度较高,是离子推进器理想的栅极材料,可以较好地提高离子推进器的寿命和可靠性。因此有必要跟踪研究国外相关的研究状
5、况,根据我国的技术发展要求,开展C/C复合材料推进器栅极的研究。lC/C复合材料栅极的发展和应用早在1990年代中期,美国喷气推进实验室(JPL)在NASA的支持下,针对NASTAR30cm氙离子推进器⋯就研制了30Bm的C/C复合材料栅极【lJ。栅极组件以钼栅极为基线,设计了球面形C/C复合材料的屏栅极和加速栅极,栅极安装在C/C复合材料的安装环上,采用陶瓷绝缘,如图1所示。除紧固螺栓外,整个栅极组件没有金属材料。栅极由6层树酯预浸料坯纤维布粘接制成,纤维层间的纤维呈60。对称排列,在平板模具上进行碳化处理,再在半球形
6、模具上,通过石墨化和化学气相沉积(CVD)方法进行致密化处理。栅极t的各孔采用激光打孔。收稿日期:2010.06.02.修回日期:2010.11.04基金项目:真空低温技术与物理重点实验室基金项目(项目编号:9140C550405090C55)作者简介:郑茂繁(1966一),男,高级工程师,从事电推进技术研究工作。E-mail:zhengmaofan@hotmail.corn。第6期郑茂繁等:离子推进器CIC复合材料栅极研究—Z鳗图I30cm离子推进器的C/C复合材料栅极组件Fig.1C/Ccompositegridco
7、mponentfor30cmionthruster之后,在美圜制定的CBIO(CarbonBasedIonOptica)计划中,JPL又对NASTAR30cm离子推进器的C/C复合材料栅极进行了局部改进,即在栅极周边增设了加强环,采用双壁柱状C/C复合材料安装环,如图2。推进器用热处理方法来调节屏栅极和加速栅极的曲率半径。栅极组件进行了力学振动各种试验,与离子推进器一起进行了1028h的抗疲劳试验和2000h考核试验,通过各种试验后栅极组件朱发生故障。图2CBIOC/C复合材料栅极组件Fig.2CBIOC/Ccompos
8、itegridcomponent在CBIO计划的基础七,JPL给20kWNEXISDM离子推进器样机研制了57cm大直径C/C复合材料栅极121。该栅极组件在结构设计和制造上继承了30cm的C/C复合材料栅极组件的技术。推进器经过2000h抗疲劳考核试验后,栅极组件完好,而且推进器也获得厂良好性能。日本早在20世纪9
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