CN107340139A - 电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以电推力器为动力的航天器系统级点火试验中降低电推力器羽流溅射污染的溅射靶装置，该结构由溅射主靶和屏蔽罩两部分构成，主靶正对推力器喷口，其材料为低溅射率材料石墨，主靶背面为管路系统，与主靶紧密接触，可通冷却液对主靶进行冷却，也可通热水加热，屏蔽罩坐于主靶之上，对溅射产物粒子进行导流与捕获，减少其逸出概率，降低溅射污染，同时要兼顾真空度要求；屏蔽罩表面材料采用与主靶相同的材料，以保证对溅射产物粒子有较好的亲合力，利于溅射产物的捕获。本发明适合于以电推力器为动力的系统级航天器点火试验，作为其羽流溅射防护手段。

Description

电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置

技术领域

本发明涉及一种电推进航天器系统级(整星)点火试验中降低羽流溅射污染的装置，通过特殊设计的溅射靶结构将溅射污染控制在较低水平。

背景技术

与化学推进相比，电推进可大幅降低发射质量，提高有效载荷和卫星在轨寿命。但在地面进行验证试验时，由于在有限容积的真空试验舱内进行，电推力器的等离子体羽流打到容器壁面会产生溅射污染，溅射的粒子如果打到试件上，造成表面腐蚀、污染沉积或更严重的损伤。

溅射表面离推力器越远溅射污染越少，因此电推力器本身的单机试验一般在较大的真空容器内进行，无需对溅射出的粒子采取专门的屏蔽措施，溅射靶一般设置在容器大门上，结构较为简单。

但对于整星试验(如图1所示意)，航天器1设置在试验容器4内，航天器1的底部安装电推力器2，溅射靶3正对电推力器2布置在其下部，接收电推力器喷射出的粒子，来降低推力器羽流对航天器和试验容器的溅射污染。一方面推力器只是个小部件，溅射靶设计空间有限；另一方面需要对推力器以外其它部件进行防护，对溅射污染的控制要求更高，必需对溅射出的粒子采取专门的屏蔽措施。因此需要一种不同于电推力器单机试验的溅射靶结构，来更有效地控制溅射污染。

目前，电推进航天器系统级的点火试验较少，试验时电推力器点火的持续时间也较短，对于长达3小时以上的持续点火，还未见有针对性的溅射靶设计方案公开报道。

发明内容

本发明的目的是为电推进航天器系统级点火试验提供一种能在有限的空间内有效降低电推力器溅射污染的试验装置。为减少溅射污染，溅射靶需实现两个功能：一是接收羽流粒子且保证溅射量最低；二是对溅射出来的粒子进行导流并捕获，使其尽量少地污染试验容器内的敏感表面。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，包括主靶和屏蔽罩两部分，屏蔽罩顶部设置有开口用于接收羽流粒子，与开口相对的屏蔽罩底部上设置有主靶，主靶由低溅射率材料制成，屏蔽罩具有多层导流结构，溅射粒子穿过它时发生多次碰撞，增大其在壁面的吸附概率，未被吸附的粒子被导流结构导向容器内非敏感表面。

其中，低溅射率材料为石墨，特别是高纯石墨。

其中，主靶的靶面设计成弧面，保证推力器喷出的羽流粒子垂直或近似于垂直入射到靶面上。

进一步地，靶面中心与屏蔽罩开口中心的距离要保证靶面中心距推力器喷口中心的距离为2000mm以上。

进一步地，弧状靶面半径依据下式确定：R_target＝d+r/tanθ₉₀，其中r为推力器喷口半径，d为靶面中心距推力器喷口中心的距离，θ₉₀为包含90％束流的羽流半张角。

其中，靶面厚度要根据电推力器的羽流粒子流量和粒子能量来确定，通常在1mm以上。

其中，屏蔽罩由多级环片在轴向上叠加而成，各片之间构成径向的粒子导流通道。环片截面为三段折线，中间水平，两端倾斜，因此构成的导流通道会有两次折转，利于捕获粒子，屏蔽罩也因此可分为内帷锥面、中间环片、外帷锥面三部分，其截面分别构成内斜面、中间平台、外斜面，相互间形成一定夹角，使溅射粒子发生多次碰撞折转。

环片由不锈钢制成，但表面贴石墨膜，一方面保证羽流粒子直接轰击时较低的溅射率，另一方面对溅射出的石墨粒子有较好的亲合力，利于溅射粒子的捕获。

除了最上和最下一层环片，各级环片的结构尺寸都是一样的，但环片之间的间距可调。屏蔽罩的最下层外缘和最上层内缘可适当延伸，来保证更好的屏蔽效果。所有环片被周向上均布的四根不锈钢支杆穿焊在一起，不锈钢杆固定于底座支架上。

屏蔽罩下半部分(可接收到半张角θ₉₉以内的羽流粒子)内帷导流叶片会受到较多的羽流粒子轰击，因此其角度设计成与粒子入射大致垂直保证溅射率最低。

屏蔽罩上半部分(半张角θ₉₉以外)受羽流直接轰击较少，但受较多的溅射产物粒子直接撞击，因此设计成与溅射产物粒子大致垂直，以利于产物粒子在其上沉积，从面将其捕获。

屏蔽罩上半部分与下半部分分界的位置为束流半张角θ₉₉与屏蔽罩内缘的交界处。

导流片间距越小、导流通道越长，溅射粒子的捕获概率就越大，但屏蔽罩要兼顾罩内真空度不受太大影响。因此导流通道截面不能太小，通道长度不能太长。

依据真空度仿真分析，在容器真空度1e^-3Pa的条件下，导流片间距可设在100-150mm之间，导流通道径向长度250mm，可满足整星点火试验的真空度要求。屏蔽罩下半部分因气流折转角大，粒子被捕获概率高，所以间距可稍大。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明可在航天器系统级点火试验中大幅降低电推进羽流对航天器和试验容器的溅射污染。

附图说明

图1是电推进航天器系统级点火试验示意图。其中，1为航天器；2为电推力器；3为溅射靶；4为试验容器。

图2是本发明的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置的结构示意图。其中，21为电推力器；22为主靶，直接遭受羽流粒子轰击；23为屏蔽罩，对溅射出的粒子进行导流与捕获。

图3是溅射产物通量分析示意图。r为推力器半径，d为靶面中心距推力器喷口中心的距离，R为接收溅射粒子的微元面与靶面中心的距离。θ为溅射出的粒子与靶面法向的交角，α是推力器喷口对靶面中心的张角。

图4是推力器接收到的溅射产物通量比例Q随靶面-推力器距离的变化。比例Q定义为推力器接收到的溅射产物占总溅射产物的百分比。

图5是如何确定靶面大小的示意图。θ₉₀为包含90％束流的羽流半张角，O点为θ₉₀发散界限与轴线的交点。

图6是主靶冷却管路示意图。其中，61为冷却盘管，材料为铜，可通液氮或冷却水；62为盘管的进口；63为出口；64为不锈钢托盘，正面托住石墨主靶，背面焊接冷却盘管。

图7是屏蔽罩，(a)为整体示意图，(b)为纵截面示意图。从轴向上看，屏蔽罩由多级环片叠加而成，各片之间构成粒子导流通道；从径向看，屏蔽罩分为内帷锥面、中间环片、外帷锥面三部分，其截面则分别构成内斜面、中间平台、外斜面，相互间形成一定夹角，使溅射粒子发生多次碰撞折转。R1为屏蔽罩外缘半径，R2为外锥面与中间环片交界圆半径，R3为内锥面与中间环片交界圆半径，R4为屏蔽罩内缘半径。d1为屏蔽罩最下层中间环片与主靶底面平面间距，d2为最下层中间环片与其上一层环片间距，类似地还有d3、d4、d5……

图8是单片屏蔽罩截面尺寸图。dr为截面总宽度，即屏蔽罩径向厚度；l₁为外斜面长度，即外帷锥面母线长度；α₁为外斜面与水平夹角；l₂为中间环片的宽度；l₃为内斜面长度，即内帷锥面母线长度，α₃为其水平夹角，下标“下”代表屏蔽罩下半部分，“上”代表上半部分。

图9是安装溅射靶所用的支架。其中，91为支杆，用于安装屏蔽罩，固定各级环片；92为底座，用于固定支杆，其中底座上的环形框架93用于放置主靶。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

参照图2，本发明装置正对电推力器21喷口，与推力器同轴。为达到降低溅射污染的效果，靶面越大、离推力器越远越好，但整星试验时留给推力器溅射靶的空间有限，首先要定出一个合适的距离。设主靶中心距推力器喷口中心距离为d，在粒子垂直入射情况下，溅射产物随出射角度大致呈余弦分布。其中，图2是本发明的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置的结构示意图。其中，电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，包括主靶22和屏蔽罩23两部分，屏蔽罩23顶部设置有开口用于接收羽流粒子，与开口相对的屏蔽罩23底部上设置有主靶22，主靶22由石墨材料制成，屏蔽罩23具有多层导流结构，溅射粒子穿过它时发生多次碰撞，增大其在壁面的吸附概率，未被吸附的粒子被导流结构导向容器内非敏感表面。

取正对推力器的靶面微元进行分析，如图3所示，令θ表示溅射出的粒子与靶面法向的交角，则距靶面R处的微元面接收到的背溅射通量可表示为：

式中A为常数。溅射产物总通量即为靶面法向上的半球面积分：

推力器接收到的是角度小于α的出射粒子，其通量为

两者比值为

Q代表推力器接收到的溅射产物占总溅射产物的比值,式中r为推力器半径，d为靶面中心距推力器喷口中心的距离。取推力器半径r＝100mm，从图4可以看出Q随靶面-推力器距离增加下降很快，d增加到2000mm以上时变化已经不大，所以结合试验容器有效空间，将靶面与推力器的距离定为d＝2000mm。

主靶靶面尺寸的确定参照图5，图中θ₉₀为包含90％羽流粒子的半张角。设推力器羽流半张角θ₉₀＝18°，将O点作为假想的羽流发射中心，设推力器喷口半径r＝100mm,则为使羽流粒子垂直入射靶面，靶面应为一球面，其球面半径为R_target＝d+r/tanθ₉₀＝2+0.1/tan18°＝2308mm。羽流半张角θ₉₀将这个球面截为一个球冠，球冠高度为h＝R_target-R_target*cosθ₉₀＝2.308*(1–cos 18°)＝113mm。

依据现有电推力器的流量和粒子能量指标，靶面厚度需在1mm以上。因羽流粒子能量很高，溅射后粒子能量约有75％转化为热，靶面温度会迅速升高，造成溅射率上升以及材料放气等不利因素，因此主靶还需冷却措施。流体管路形式如图6所示，其中，61为冷却盘管，材料为铜，可通液氮或冷却水；62为盘管的进口；63为出口；64为不锈钢托盘，正面托住石墨主靶，背面焊接冷却盘管。此管路还可通热水对靶面进行加热，来保证石墨充分放气，去除有机杂质。

主靶材料采用5mm厚高纯石墨，制做不锈钢托盘作为其支撑。不锈钢托盘背面焊接纯铜盘管，如图6所示，可通冷却液，试验之前先通热水，将石墨吸附的杂质烘烤排出。不锈钢托盘与石墨靶之间需要确保传热良好，可填充导热脂或金属箔。

如图7所示制做屏蔽罩。屏蔽罩由多级环片在轴向上叠加而成，环片截面为三段折线，中间水平，两端倾斜，如图8所示，因此构成的导流通道会有两次折转，整体屏蔽罩从径向上也因此可分为内帷锥面、中间环片、外帷锥面三部分。如图7所示，令内锥面与中间环片交界圆半径R3等于主靶球冠的底面半径：R3＝R_target*sinθ₉₀＝2.308*sin 18°＝713mm。设推力器设包含99％束流的羽流半张角θ₉₉＝30°，为使粒子尽量垂直入射到内锥面，取角度α_3下＝α_3上＝(θ₉₀+θ₉₀)/2＝24°。取外锥面母线夹角α₁＝45°。

设置导流通道径向投影距离(屏蔽罩径向厚度)dr＝250mm，且在内锥面通道、中间环片通道和外锥面通道间平均分配，则图8中的外锥母线长度l₁＝dr/3/cosα₁＝118mm,中间球片宽度l₂＝dr/3＝83mm,内锥母线长度l₁＝dr/3/cosα₃＝91mm。屏蔽罩外缘半径R1＝R3+dr*2/3＝713+250*2/3＝880mm，内缘半径R4＝R3-dr/3＝713-250*/3＝630mm。

设置屏蔽罩最下层中间环片与主靶底面平面间距d1＝200mm。其余间距从下往上依次设为d2＝150mm，d3＝140mm，d4＝130mm，d5＝120mm，d6＝110mm，余下间距均设为100mm。屏蔽罩总共16层。为保证对溅射粒子的屏蔽效果，屏蔽罩的最下层外缘和最上层内缘均可适当延伸，其余环片的结构尺寸是一样的。

使用时主靶、屏蔽罩需用支架固定，支架如图9所示。其中，91为支杆，用于安装屏蔽罩，将各级环片穿焊在一起；92为底座，用于固定支杆，其中底座上的环形框架93用于放置主靶。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (11)

1.电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，包括主靶和屏蔽罩两部分，其中，屏蔽罩顶部设置有开口用于接收羽流粒子，与开口相对的屏蔽罩底部上设置有主靶，主靶由低溅射率材料制成，屏蔽罩具有多层导流结构，溅射粒子穿过它时发生多次碰撞，增大其在壁面的吸附概率，未被吸附的粒子被导流结构导向容器内非敏感表面。

2.如权利要求1所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，低溅射率材料为石墨，特别是高纯石墨。

3.如权利要求1所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，主靶的靶面设计成弧面，保证推力器喷出的羽流粒子垂直或近似于垂直入射到靶面上。

4.如权利要求3所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，弧状靶面半径依据下式确定：R_target＝d+r/tanθ₉₀，其中r为推力器喷口半径，d为靶面中心距推力器喷口中心的距离，θ₉₀为包含90％束流的羽流半张角。

5.如权利要求1所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，靶面中心与屏蔽罩开口中心的距离要保证靶面中心距推力器喷口中心的距离为2000mm以上。

6.如权利要求1所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，靶面厚度要根据电推力器的羽流粒子流量和粒子能量来确定，通常在1mm以上。

7.如权利要求1所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，屏蔽罩由多级环片在轴向上叠加而成，各片之间构成径向的粒子导流通道，环片截面为三段折线，中间水平，两端倾斜。

8.如权利要求1所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中屏蔽罩分为内帷锥面、中间环片、外帷锥面三部分，其截面分别构成内斜面、中间平台、外斜面，相互间形成一定夹角，使溅射粒子发生多次碰撞折转。

9.如权利要求8所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，环片由不锈钢制成，但表面贴石墨膜。

10.如权利要求9所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，所有环片被周向上均布的四根不锈钢支杆穿焊在一起，不锈钢杆固定于底座支架上。

11.如权利要求1所述的电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，其中，屏蔽罩上半部分与下半部分分界的位置为束流半张角θ₉₉与屏蔽罩内缘的交界处。