离子推进器C∕C复合材料栅极研究

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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