基于时空矩阵同步光谱技术的霍尔推进器中碳侵蚀污染物的来源追踪与诊断分析

《Vacuum》：Source Tracing and Diagnostic Analysis of Carbon Erosion Contaminants in Hall Thrusters Based on Spatiotemporal Matrix-Synchronized Spectroscopy Technology

碳侵蚀源分析基于时空矩阵同步光谱学技术，通过实时监测四类空间分布模式及碳硼分布关联性，确认内磁极溅射是主要碳源。该技术实现侵蚀-传输模型的直接实验验证，为磁屏蔽霍尔推进器寿命优化提供新方法。

　　在航天领域，等离子体推进器因其高比冲和长寿命特性，逐渐成为研究的热点。其中，霍尔推进器和离子推进器是目前广泛应用于航天器姿态控制、位置保持、阻力补偿以及轨道转移任务的主要类型。近年来，随着大规模卫星星座的兴起，航天产业对推进器性能和可靠性的需求不断提高。小卫星技术的进步和火箭可重复使用性的实现，显著降低了构建大规模卫星星座的成本。因此，霍尔推进器因其高推力与功率比、结构简单以及运行可靠性高等优点，成为卫星推进系统的首选。

为了确保霍尔推进器在发射前的性能和寿命，通常需要进行地面测试。在这些测试过程中，推进器喷流中的高能粒子与真空系统墙壁发生相互作用，导致材料侵蚀并产生污染物。这些污染物可能会影响推进器的运行效率和使用寿命。传统上，霍尔推进器主要用于低地球轨道卫星，由于发射和更换成本相对可控，以及任务周期较短，对推进器寿命的要求相对宽松。因此，在这些应用中，真空系统对推进器性能的影响不如陶瓷通道的离子侵蚀那样显著。然而，随着深空探测任务的增加，对推进器寿命的要求也随之提高，传统霍尔推进器的5000小时寿命已难以满足需求。

为应对这一挑战，美国国家航空航天局（NASA）研发了新一代磁屏蔽霍尔推进器——Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding（HERMeS），其设计寿命达到了50000小时。这一显著提升依赖于磁屏蔽技术，通过优化磁场配置，几乎消除了陶瓷通道的侵蚀现象。然而，磁屏蔽技术虽然减少了陶瓷通道的侵蚀，却将主要的侵蚀区域转移到了磁极。此外，高功率霍尔推进器在运行过程中，会导致真空系统墙壁的严重溅射，这进一步增加了污染物的复杂性。因此，为了有效评估推进器性能和寿命，必须对真空系统和磁极的侵蚀现象进行深入分析。

在传统的霍尔推进器研究中，研究人员主要依赖于离线能量色谱分析（EDS）和石英晶体微天平（QCM）测量等方法。这些方法虽然能够提供一定的数据支持，但存在明显的局限性。例如，QCM只能检测质量变化，无法区分污染物种类；而EDS虽然可以确定沉积物的成分，却无法追踪其来源。因此，对于霍尔推进器的地面测试结果与实际空间运行性能之间的关系，缺乏直接的实验验证。这种情况下，研究者通常通过数值模拟来推断侵蚀和传输过程，但由于缺乏直接的实验数据，这些模拟结果的准确性受到质疑。

为了解决这一问题，本文提出了一种基于光学发射光谱（OES）的时空矩阵同步光谱技术，旨在实现对碳原子空间分布的实时监测，并追踪其来源。与传统方法相比，OES技术具有非侵入性、原位监测以及实时性和物种识别能力等优势。它已被广泛应用于霍尔推进器的研究中，用于诊断电子温度和密度、离子化率以及陶瓷通道的侵蚀情况。然而，在分析霍尔推进器的壁效应和磁极侵蚀时，OES方法仍面临两个主要挑战：一是缺乏基础的光谱数据，传统OES方法主要关注陶瓷通道中的硼原子，对碳原子的研究较少；二是碳原子的空间分布较为复杂，其来源可能同时涉及磁极和真空系统墙壁，仅凭空间分布数据难以准确判断其来源。

为克服上述挑战，本文选择了一款100 W的霍尔推进器作为研究对象，开发了时空矩阵同步光谱技术，以实现对推进器运行过程中生成的碳原子进行实时监测，并追溯其来源。通过原子和分子物理方法以及靶材轰击实验，研究人员成功识别了碳原子的特征光谱线（C I 247.86 nm）和铬原子的特征光谱线（Cr I 520.44 nm）。这一结果验证了OES方法在在线监测侵蚀污染物方面的有效性，为研究真空系统对霍尔推进器性能的影响提供了重要的实验支持。

在研究过程中，研究人员通过多光纤阵列采集来自四个不同空间位置的光谱信号，并在电荷耦合器件（ICCD）探测器上对不同光纤的信号进行分析。这一方法使得研究人员能够获取碳原子在推进器运行过程中的实时空间分布数据。此外，通过对碳和硼原子的空间分布进行比较分析，研究人员发现它们的分布特征具有同步变化，这表明在本研究中，碳原子主要来源于霍尔推进器内磁极的溅射，而真空系统墙壁的溅射对碳污染的贡献可以忽略不计。这一结论为霍尔推进器的侵蚀和传输模型提供了直接的实验数据支持，有助于更准确地理解推进器运行过程中污染物的来源和演变趋势。

通过时空矩阵同步光谱技术的实时监测，研究人员不仅能够观察到碳原子密度空间分布随时间的变化，还能够同步监测磁极的侵蚀情况。这一技术的应用，使得研究人员能够在霍尔推进器的开发过程中，对磁极的侵蚀进行长时间的磨损测试，并深入分析其侵蚀演化模式和传输特性。这些结果为优化磁屏蔽技术、提高霍尔推进器的寿命和可靠性提供了重要的参考依据。

本文的研究成果表明，时空矩阵同步光谱技术能够有效追踪霍尔推进器地面测试中碳侵蚀产物的来源，并为磁极侵蚀的同步时空监测提供了可行的方法。这一技术的开发不仅填补了传统方法在物种识别方面的空白，还为改进碳侵蚀和传输模型提供了实验验证。同时，它也为进一步研究真空系统对推进器性能的影响提供了新的思路和工具。通过这些研究，可以更全面地理解霍尔推进器在地面测试和实际运行中的侵蚀机制，从而为推进器的设计和优化提供科学依据。

在实验装置方面，本文使用了一个真空腔室，其墙壁由304不锈钢制成，未进行石墨涂层处理。真空腔室的尺寸为0.55 × 0.55 × 0.75 m3。霍尔推进器的磁极则由铸铁制成，其中铁的浓度为96%，碳的浓度为2.5%，硅的浓度为1.0%。这些材料的选择和配置，为研究碳原子和铬原子的来源提供了必要的实验环境。

在方法部分，本文采用了一种复合线比辐射度法，以确定碳原子的相对密度并分析其空间分布特征。该方法基于物质发光过程，通过建立速率方程，描述了激发态粒子的密度变化，并进一步推导出光强的表达式。通过这种方式，研究人员能够准确地测量碳原子的分布情况，并与模拟结果进行对比，从而验证其来源。

本文的主要研究结果表明，通过时空矩阵同步光谱技术，研究人员成功获取了碳原子的空间分布数据，并通过与硼原子的比较分析，确认了碳原子主要来源于霍尔推进器的内磁极溅射，而非真空系统墙壁的溅射。这一结论为霍尔推进器的壁效应和磁极侵蚀分析提供了重要的实验依据，有助于进一步优化推进器的设计和运行策略。

此外，本文还探讨了光纤阵列方向对空间分布的影响。研究发现，不同方向的光纤阵列可以采集到不同的光谱信号，从而影响对碳原子空间分布的分析结果。这一发现表明，在进行空间分布分析时，光纤阵列的配置对实验数据的准确性和完整性具有重要影响。因此，合理的光纤阵列配置和方向选择，是实现有效空间分布监测的关键。

综上所述，本文通过开发时空矩阵同步光谱技术，成功解决了传统方法在追踪碳侵蚀产物来源方面的不足。该技术不仅能够提供实时的碳原子空间分布数据，还能够同步监测磁极的侵蚀情况，为霍尔推进器的长期运行和性能优化提供了重要的实验支持。未来，随着这一技术的进一步发展和应用，有望在更广泛的航天推进器研究中发挥重要作用，为深空探测任务提供更加可靠和高效的推进解决方案。