模块化空心阴极耦合效应对低功率外放电等离子体推进器性能的影响研究

针对通道式霍尔推力器离子损耗严重的问题，研究人员创新性地采用无通道外放电等离子体推进器(XPT)设计，通过系统研究模块化空心阴极(HCN)的位置参数、加热功率、保护极电流和质量流量对推力器性能的影响，发现提高阴极质量流量至0.3 mg/s可显著提升电子密度并降低等离子体电位，使总功率降低8%，为优化低功率电推进系统提供了重要实验依据。

　　

在航天推进领域，霍尔效应推力器(HET)因其结构简单、推重比高等优势，自20世纪70年代起就广泛应用于卫星姿态控制等任务。然而传统HET存在一个致命缺陷——放电通道侧壁的离子轰击会导致材料侵蚀，严重影响推力器寿命。为解决这一问题，学术界提出了多种创新设计，包括磁屏蔽霍尔推力器、圆柱形霍尔推力器(CHT)和尖峰场推力器(CFT)等。其中最具革命性的是完全取消放电通道的"壁面消除"方案，即外放电等离子体推力器(XPT)，但其存在羽流发散角大、效率偏低等新问题。

英国萨里大学空间中心(Surrey Space Centre, University of Surrey)的研究团队发现，阴极耦合特性可能是影响XPT性能的关键因素。为此，他们设计了一个功率低于350W的微型XPT，搭配自主开发的模块化空心阴极(HCN)，系统研究了阴极位置、加热功率、保护极电流和质量流量等参数对推力器性能的影响。相关成果发表在《Vacuum》期刊上。

研究采用多种先进诊断技术：通过法拉第探针测量200mm处离子电流密度分布，计算束流利用率(η_b)；使用Langmuir探针在阴极羽流区15mm处测量等离子体电位(V_p)、电子温度(T_e)和电子密度(n_e)；采用扭力天平直接测量推力，并计算比冲(I_sp)和阳极效率(η_A)等关键参数。

阴极位置优化实验表明：当阴极轴向距离为1倍阳极直径(35mm)、径向距离2倍直径(70mm)时，可获得最佳耦合效果。该位置恰好位于磁力线分离面附近，有利于电子沿磁力线输运。

附加加热影响研究显示：120W的额外加热使阴极-地电位(V_C2G)升高63%，等离子体电位降低27%，电子密度提升13%。这显著改善了150V工况下的推力性能，最大提升达12%，证实提高发射体温度可有效降低等离子体电阻。

保护极电流实验发现：在1.5-2.5A范围内，增大保护极电流虽能降低阴极羽流区的等离子体电位，但对推力器整体性能影响有限，表明保护极电流存在"饱和效应"。

最具突破性的发现来自阴极质量流量研究：当流量从0.1mg/s增至0.3mg/s时，电子密度提升13%，等离子体电位降低10%，束流电流增加15%。特别值得注意的是，这种设计使总功率(阴极+阳极)降低8%，同时保持46-48°的羽流半角，为同类推力器中的优异表现。

该研究首次系统揭示了无通道推力器中阴极参数的耦合机制：阴极位置决定电子输运路径，加热功率影响发射效率，而质量流量则通过改变局部等离子体特性来调控整体性能。这些发现为发展新一代轻量化、长寿命电推进系统提供了重要理论依据，尤其对小型卫星推进系统的优化设计具有指导意义。研究提出的模块化阴极设计方案，通过独立调节加热、保护极和流量等参数，为后续推力器性能的精确调控建立了标准化实验方法。