面向空間無拖曳飛行任務的連續變推力離子推力器研制

胡 竟，王東升，楊福全，耿 海，賈艷輝 ，張天平，郭德洲，谷增杰

（1.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000；2.北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京 100191）

0 引言

為降低航天器的加速度殘余擾動，滿足空間科學任務對衛星結構穩定性的需求，20世紀60年代Lange[1]提出了實現航天器無拖曳飛行的技術方案，其基本思想是利用高分辨率、高精度的微小推力實時抵消作用在航天器上除重力外的所有空間環境擾動和衛星自身擾動，確保航天器沿著純重力的軌道飛行。基于實時抵消干擾力和力矩的無拖曳飛行技術已在Triad I實驗衛星[2]、GP-B衛星[3-4]、GOCE衛星[5-12]和LISA Pathfinder衛星[13]空間科學實驗任務中得到驗證和進一步完善。

針對無拖曳飛行阻尼補償任務提出的推力寬范圍、高精度、連續可調和快速響應需求，傳統的化學推力器存在點火啟動擾動大、推力變化范圍窄、工作壽命短的問題。以離子推力器為代表的電推進產品具有比沖高、壽命長、推力精確可調的突出優勢[14]，成為航天器實施無拖曳飛行任務的唯一選擇。得益于離子推力器的固有工作原理，放電室內等離子體的產生過程與離子束流的引出過程之間耦合性較弱，因此可在偏離最佳工作點的功率區間范圍內實現良好的工作穩定性，效率、比沖等關鍵性能指標能夠保持在較優狀態，使得離子推力器在實現輸出推力寬范圍、高精度、連續調節的同時，確保推力分辨率、推力噪聲及調節精度與速率達到較高水平[15]。因此，離子推力器成為完成航天器無拖曳飛行任務的最佳選擇。

本文以滿足重力梯度測量衛星無拖曳飛行任務及近地軌道觀測衛星精確維軌任務為目標，介紹面向空間無拖曳飛行任務的連續變推力離子推力器設計及性能驗證情況，為重力梯度測量衛星及近地軌道觀測衛星開展無拖曳空間飛行提供技術支持。

1 連續變推力離子推力器工作原理及特點

1.1 離子推力器的變推力原理

如圖1所示，在給推力器放電室、主陰極和中和器提供所需流量的推進劑氙氣后，主陰極產生的電子受電場力作用進入放電室。在放電室中，電子在電磁場的耦合作用下，以磁感應線為導軸，以螺旋振蕩運動的方式向陽極運動。電子的螺旋式運動大幅增加了其運動路程，提高了氙原子被碰撞和電離的概率，增大了氙離子濃度，形成了由電子、氙離子和氙原子組成的等離子體云。等離子體中的電子最終被陽極吸收，離子在電場力作用下，被柵極組件聚焦、加速、引出，并產生反作用的推力。在推力器放電室外部，引出的離子與中和器發射的電子相互中和，形成電中性的粒子束流，確保航天器整體的電中性狀態。在此過程中，氙氣作為介質完成了電能向動能的轉換，產生了所需的推力。

圖1 連續變推力離子推力器工作原理及配電關系Fig.1 Working principle and power connection relationship of continuous variable-thrust ion thruster

基于上述工作原理可知，為實現高精度、寬范 圍連續推力調節，推力器必須具有連續、穩定的等離子體密度調節能力。只有放電室內等離子體密度的連續穩定可調，方可實現柵極組件引出離子密度的變化，進而實現輸出推力的連續調節。

通常離子推力器可通過以下參數的單獨調節或組合調節實現等離子體密度的寬范圍、高分辨率連續可調：

（1）放電室流量：改變工質氣體流量可改變放電室中性氣體密度，進而改變放電室等離子體密度，使得引出的束流密度大小隨之變化，從而實現推力的調節；

（2）陽極電流：陽極電流大小代表了陰極發射電子的多少，陰極發射電子增多后會有更多的電子與推進劑原子碰撞，使其電離。因此調節陽極電流大小可改變放電室等離子體密度，實現推力的調節；

（3）磁場強度：磁場可約束放電區域中的電子，使電子與中性氣體的碰撞概率提高。改變放電室磁場強度，可以在較大范圍內改變氣體電離率，從而改變放電等離子體密度，最終改變推力大小；

（4）加速電壓：在柵極結構一定的條件下，柵極與引出束流密度直接相關，因此在放電室等離子體參數不變的情況下，調節加速電壓可改變引出束流的密度和速度，實現推力的調節。

1.2 變推力離子推力器特點

執行常規推進任務的離子推力器均設計為單點和多點工作模式。為了使結構簡單并簡化電源系統，由永磁體提供磁場，通過調節工質流量、陽極電流和加速電壓改變工作點。這種模式對推力的調節范圍有限，很難實現連續精細調節，無法滿足推力寬范圍連續調節任務需求。針對無拖曳飛行任務的推力寬范圍、高精度、連續可調和快速響應需求，采用陽極流量、陽極電流和磁場強度三個參數的組合調節方法進行寬范圍連續變推力調節。由于螺線管電磁體負載不會受到等離子體擾動的影響，因此通過調節勵磁電流即可調節磁場從而穩定精確地調節推力。采用該組合調節方式的變推力離子推力器具有以下特點：

（1）在實現寬范圍推力調節的同時能保持相對較高的比沖；

（2）推力調節控制關系簡單，控制精度高；

（3）可避免高電壓的實時連續調節，降低電推進系統電源處理與控制單元的復雜度，提高系統工作的可靠性與安全性；

（4）采用勵磁電流可實現精確穩定調節。

2 連續變推力離子推力器關鍵因素設計

2.1 放電室

放電室作為直接包絡等離子體的部件，具有支撐穩定放電的功能。本文主要從放電室磁場構型、放電室發散場長徑比、磁場特性及擋板等方面進行設計優選。

（1）放電室磁場構型優選

磁場構型是離子推力器設計的關鍵，放電室方案的選擇本質上是磁場構型的選擇。選擇合適的磁場使進入放電室中的工質氙氣電離，必須考慮陽極供氣、放電電流及磁感應強度等放電室工作輸入參數調節的需求。目前國際上離子推力器采用的放電室磁場構型有環尖場和發散場兩種，一般從功能性能的可實現性、研制經驗的可借鑒性和應用任務的滿足性等角度進行優選。

連續變推力離子推力器采用的基于螺線管電磁鐵的發散場磁場構型具有結構簡單、外形緊湊的顯著優勢。

（2）放電室發散場長徑比設計

放電室發射場長徑比是指有效放電室長度Ld與放電室口徑Dd之比，是影響放電室性能的重要參數之一，對每一種口徑的發散場離子推力器都存在最佳值。當放電室口徑Dd確定后，長度Ld就是影響該放電室性能的重要參數。對于發散場放電室，利用放電室內原初電子區的特征長度Lc，可以獲得發散場離子推力器最佳工作性能狀態下有效放電室長度Ld與放電室直徑Dd之間的半經驗關系[16]：

式中：Ωp、Ap分別為放電室內原初電子區的體積及包圍面積。

（3）磁場特性設計

磁場特性設計重點是特征點磁感應強度和磁場發散度計算選擇。

（4）擋板設計

在發散場放電室磁場構型條件下，為使空心陰極發射的電子受到磁場約束向最佳放電區域擴散，提高電離率和改善束流均勻性，最有效的措施是在陰極極靴端面增加擋板，將放電室分成主放電區和等離子體耦合區。

以發散場放電室內部等離子體的運動方程和擴散方程為理論基礎，通過等離子體參數與離子推力器宏觀工作參數之間的關系，可以推導出擋板直徑的理論計算模型，如式（2）所示[16]

式中：DB為玻姆（Bohm）擴散修正系數；Bˉ為通道內的平均磁感應強度；d2為陰極極靴內徑；d1為擋板直徑；Ianode、Vanode分別為陽極電流、陽極電壓；Ibeam為束流；Vkeeper為觸持電壓；nm、nc分別為放電室內陽極、主陰極的中性氣體密度。

2.2 空心陰極

空心陰極作為自持放電的電子源組件，為實現放電室內等離子體密度的寬范圍、快速調節，應具備在較寬的放電強度下高效、穩定發射電子的能力。由此，在空心陰極設計過程中，必須確保其放電空腔中溫度和推進劑氣壓的穩定性。

3 試驗結果及討論

以滿足重力梯度測量衛星無拖曳飛行任務及近地軌道觀測衛星精確維軌任務為目標，我國開展了10 cm口徑連續變推力離子推力器的工程產品研制[17-18]。針對推力器的連續變推力特性及整星的高可靠、長壽命應用需求，對推力器的寬范圍高精度推力調節特性、空間環境適應性及壽命特性進行了研究分析。

3.1 寬范圍高精度推力調節特性試驗

試驗在蘭州空間技術物理研究所TS-6S離子推力器性能測試試驗設備中進行。設備真空室的內徑為1.5 m、長度為4 m，空載抽氣24 h后壓力低于5×10-5Pa，加載10 cm3/min氙氣后，壓力低于1×10-3Pa。采用地面供電及供氣系統為推力器供電、供氣。其中，地面供電系統的屏柵電源電流穩定度在15～480 mA內優于0.3%；陽極電源的電流分辨率優于8 mA，在0.3～4.0 A內電流穩定度優于0.5%；勵磁電源的電流分辨率優于3 mA，在0.015～0.850 A內電流穩定度優于0.5%；陽極流量的供氣精度為±3%。

為降低系統的復雜性及控制難度，試驗過程中將陽極供氣分為10組，每組對應1檔陽極電流，將勵磁電流作為主控參數進行調節。勵磁電流調節過程中推力器推力變化規律如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著勵磁電流的增大推力逐漸增大。同一組陽極供氣下推力器輸出推力的差值最大達到5 mN，最小約為3 mN；對比臨近兩組陽極供氣發現，推力器在前一組供氣下輸出推力的最大值大于在下一組供氣下輸出推力的最小值，使得不同陽極供氣狀態下可調節的推力不斷檔，從而確保推力調節的連續性。試驗結果表明：基于地面供氣及供電系統，推力器可在100～730 W的功率范圍內進行0.75～25.02 mN的推力寬范圍調節，比沖為400～3 360 s，推力分辨率優于50 μN。因此，以陽極供氣和陽極電流的調節為基礎，結合勵磁電源的高精密調節，可以滿足推力器在1～25 mN內的高精度、連續調節的需求。

圖2 推力輸出隨勵磁電流的變化規律Fig.2 Variation law of thrust with magnet current

3.2 空間環境適應性驗證

抗力學特性、熱環境適應性及耐原子氧特性是空間環境適應性驗證的重點。

（1）抗力學特性驗證

抗力學特性驗證包括加速度試驗、沖擊響應譜試驗和振動試驗，表1為連續變推力離子推力器的鑒定級沖擊響應譜試驗條件。經測試：推力器力學環境試驗后外觀完整，工作狀態正常，連續變推力性能未發生明顯變化。結果表明，10 cm口徑連續變推力離子推力器具有良好的抗力學特性。

表1 連續變推力離子推力器的鑒定級沖擊響應譜試驗條件Tab.1 Shock response spectrum test conditions for qualification level

（2）熱環境適應性驗證

結合整星熱環境工作要求及離子推力器工作特性，進行了累計循環次數為25.5次的熱真空試驗，其中高、低溫分別為110℃和-90℃。圖3為熱真空試驗前后工作性能計算結果的對比。

圖3 熱真空試驗前后工作性能對比Fig.3 Comparison of working performance before and after thermal vacuum test

從圖3可以看出，熱真空試驗前后，推力器的輸出推力、比沖及功率均保持穩定，首末循環下的工作性能同樣保持穩定。此外，分析首末循環時空心陰極在高低溫環境中的6次點火啟動時長發現，經歷累計循環次數為25.5次的高低溫循環后空心陰極狀態正常，點火時長保持穩定，未出現明顯異常，如圖3（d）所示。

熱真空試驗充分證明，10 cm口徑連續變推力離子推力器具有良好的熱環境適應性。

（3）耐原子氧特性

航天器在低軌飛行會遭受原子氧環境的影響。對于安裝在整星結構外的離子推力器而言，原子氧主要影響推力器的空心陰極和供電組件等部組件。經測算，為順利完成重力梯度測量衛星及近地軌道觀測衛星無拖曳飛行任務，上述部組件應能承受累計通量不低于5.595×1021atoms/cm2的原子氧輻照。

為此，在蘭州空間技術物理研究所開展了試驗總通量為5.75×1021atoms/cm2的原子氧輻照試驗。試驗后，空心陰極能夠正常點火啟動，陽極電壓、點火時長等性能參數穩定，滿足篩選試驗合格判據和設計要求；供電組件的外觀及耐壓特性均未發生變化，表明具有良好的耐原子氧能力。

通過高于規定通量的原子氧暴露試驗充分驗證了10 cm口徑連續變推力離子推力器良好的耐原子氧特性。

3.3 壽命特性摸底

為驗證10 cm口徑連續變推力離子推力器累計工作壽命指標的滿足性，進行了累計點火時長為500 h的短期磨損考核，以獲取壽命關鍵特征參數，為壽命預測模型校準提供基礎數據，并初步確認推力器是否存在早期隨機性失效模式。

短期磨損考核摸底在蘭州空間技術物理研究所TS-6B離子推力器試驗設備中進行，采用地面供電及供氣系統為推力器供電和供氣。試驗過程中以5 mA步長調節勵磁電流，確保束流控制在376 mA±3 mA范圍內。試驗以累積工作100 h為一小節，共計五小節，其中在第一小節試驗前和最后一小節試驗后分別檢測放電室、柵極組件及空心陰極的狀態。500 h短期磨損考核中推力器性能變化情況如圖4所示。

圖4 500 h短期磨損考核中推力器性能變化Fig.4 Performance change of thruster in 500 h short-term wear test

從圖4可以看出，500 h短期磨損考核中推力、比沖及功率變化情況符合預期，推力器性能未發生明顯變化，整機效率保持穩定。圖5為試驗前后柵極組件屏柵中心小孔外觀及孔徑變化情況。

圖5 500 h短期磨損前后屏柵中心孔外觀及孔徑變化Fig.5 Appearance and aperture change of grid center hole before and after 500 h short-term wear test

從圖5可以看出，試驗后屏柵中心孔的孔徑基本無變化，屏柵表面出現離子濺射刻蝕痕跡，整體外觀情況符合預期。此外，檢查加速柵外觀發現，加速柵中心孔周圍出現輕微腐蝕形成的凹坑，最大腐蝕深度約為4.2 μm，兩個小孔之間的橋梁地帶形成了帶狀凹槽形腐蝕，最深處約為1.9 μm。500 h短期磨損后加速柵中心孔外觀如圖6所示。

圖6 500 h短期磨損后加速柵中心小孔外觀Fig.6 Appearance of accelerator grid center hole after 500 h short-term wear test

基于500 h短期磨損試驗數據，對柵極組件PIC-MCC壽命分析模型進行了校正，結合束流密度分布及雙核離子修正影響，預估柵極組件壽命約為15 114 h。

4 結論

針對重力梯度測量衛星及近地軌道觀測衛星無拖曳空間飛行任務需求，分析了離子推力器連續變推力的工作原理。基于此，研究了推力器輸出推力寬范圍、高精度、快速連續調節的關鍵要素，并通過寬范圍高精度推力調節特性、空間環境適應性及壽命特性研究，揭示了10 cm口徑連續變推力離子推力器的工程特性，得到以下結論：

（1）可以通過陽極流量、陽極電流、磁場強度及加速電壓等參數調節實現放電室內等離子體密度的連續穩定、寬范圍調節，進而實現輸出推力的連續調節；

（2）基于地面供電、供氣條件，采取陽極流量、陽極電流及磁場強度組合調節方法，在100～730 W功率內使10 cm口徑連續變推力離子推力器實現0.75～25.02 mN的推力寬范圍調節，比沖達到400～3 360 s，推力分辨率優于50 μN；

（3）10 cm口徑連續變推力離子推力器具有良好的空間環境適應性，整機壽命預估達到15 114 h。