千瓦級離子電推進子系統(tǒng)初樣研制

王 亮，耿 海，田粉霞，馮瑋瑋，王祥龍，王國昱

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

為了減輕衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量、提高衛(wèi)星承載能力、延長衛(wèi)星工作壽命，必須采用先進的電推進系統(tǒng)進行衛(wèi)星全壽命周期內(nèi)的南北位保和傾角調(diào)整，必要時實現(xiàn)衛(wèi)星的軌道機動[1-4]。蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的千瓦級離子電推進系統(tǒng)，以成熟度較高的LIPS-200離子推力器為核心，成為高軌任務首選。該電推進系統(tǒng)已在我國DFH-3B平臺、DFH-4E平臺進行了驗證和工程應用[5-7]，性能及穩(wěn)定性滿足要求。

本文首先介紹LIPS-200離子電推進子系統(tǒng)的組成構(gòu)架設(shè)計。本著系統(tǒng)最優(yōu)的原則，將電單機設(shè)計為一體化的電源處理與控制單元（PPCU），集成子系統(tǒng)內(nèi)部所有供電、控制、切換以及遙測遙控功能，簡化接口復雜性及線纜數(shù)量。該單機是目前本所最大的PPCU產(chǎn)品。其次，介紹系統(tǒng)初樣設(shè)計，包括通常的功能性能設(shè)計，以及雙發(fā)點火、推力閉環(huán)、降功率、故障檢測隔離恢復（FDIR）等特有功能設(shè)計。再對子系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性進行驗證，包括力熱環(huán)境適應性，并針對電推進應用對衛(wèi)星引入的額外兼容性風險，通過專項試驗重點驗證EMC和羽流的影響。最后，通過系統(tǒng)聯(lián)試驗證系統(tǒng)性能、匹配性以及自主控制能力，包括系統(tǒng)自主工作、單步工作、故障檢測和處理等。

1 子系統(tǒng)組成構(gòu)架設(shè)計

1.1 系統(tǒng)任務需求

離子電推進子系統(tǒng)的主要任務和功能為：

（1）位置保持。衛(wèi)星在軌期間，2臺離子推力器同時工作，完成衛(wèi)星的8年南北位置保持任務，一軌一次，一次不大于2 h，總時長不大于5 840 h。

（2）傾角調(diào)整。在升交點或降交點調(diào)整衛(wèi)星傾角，2臺離子推力器同時工作，總時長不大于2 100 h。

工作期間，由星上綜合電子系統(tǒng)提供100 V母線，由姿軌控計算機AOCC控制PPCU通斷電。PPCU接受系統(tǒng)開關(guān)機指令后，自主按照程序流程完成對FCM閥門、熱節(jié)流器溫度閉環(huán)及推力器各路供電的控制、故障判斷和處理等，實現(xiàn)子系統(tǒng)的推力輸出。

1.2 硬件組成及功能

離子電推進系統(tǒng)由2臺LIPS-200離子推力器（LIPS-200A、LIPS-200B）、1臺電源處理與控制單元（PPCU）、2臺流量調(diào)節(jié)模塊（FCM）和1套管路線纜總裝件構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

（1）離子推力器功能。在貯供單元和電源處理單元供氣、供電配合下，將進入推力器的推進工質(zhì)（氙氣）電離，并利用電場加速產(chǎn)生推力。

（2）PPCU功能。實現(xiàn)了控制單機、供電單機和切換單機集成化、最優(yōu)小型化設(shè)計，融合三類單機功能于一體，包括將100 V母線轉(zhuǎn)換為離子推力器所需的9路供電、系統(tǒng)控制與通信、供電切換等功能。

（3）FCM功能。FCM是貯供子系統(tǒng)的一部分，可以控制離子推力器所需三路供氣的流量。

PPCU將DICM、PPM、TSU、FCC集成為一體，簡化接口實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。特別通過FDIR設(shè)計，在系統(tǒng)層面，明確了不同故障模式的處理策略，形成了初步設(shè)計規(guī)范。對于常規(guī)閾值故障，由軟件承擔故障處理，比如陽極電壓超限等；對于必須快速響應的故障，則由PPCU硬件承擔，如中和器熄弧保護（≤6 ms）等；還有一類故障需要硬件和軟件共同介入，比如打火保護等。

圖1 離子電推進系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The block diagram of ion electric propulsion system

1.3 軟件組成

PPCU內(nèi)部的DICM作為離子推力器系統(tǒng)的控制中心，配置有1個軟件配置項（80C32 CPU），2個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）配置項，分別為驅(qū)動FPGA和采集FPGA，負責完成離子電推進系統(tǒng)開關(guān)機指令的接收，對2臺離子推力器供電、供氣的綜合控制，狀態(tài)監(jiān)測，在軌自主完成電推進系統(tǒng)點火工作、關(guān)機、故障判斷和應急處理。由主控軟件實時判斷系統(tǒng)的點火進展情況并進行故障處理，比如閾值上下限和放電室熄弧關(guān)機；無須實時判斷的故障處理由FDIR軟件完成，比如燒蝕和大電流點火等。離子電推進系統(tǒng)軟件組成如圖2所示。

圖2 離子電推進系統(tǒng)軟件組成框圖Fig.2 The software block diagram of ion electric propulsion system

2 子系統(tǒng)初樣設(shè)計

2.1 子系統(tǒng)主要性能參數(shù)

子系統(tǒng)主要性能參數(shù)如表1所列。

表1 離子電推進子系統(tǒng)主要性能參數(shù)Tab.1 The major characteristic parameters of ion electric propulsion system

2.2 系統(tǒng)工作模式

子系統(tǒng)工作模式由待機模式、氣路預處理模式、陰極和中和器預處理模式、放電室預處理模式、柵極預處理模式、單步運行模式和自主運行模式組成。當PPCU主控軟件接收到電推進控制器從1553B總線發(fā)送的工作模式切換指令時，依據(jù)指令內(nèi)容，對系統(tǒng)工作模式進行切換，工作模式轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

圖3 子系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換圖Fig.3 The diagram of subsystem works mode transition

待機模式是離子電推進子系統(tǒng)工作的起點，該模式下系統(tǒng)響應切換類指令及設(shè)置類指令，進行模式切換及系統(tǒng)設(shè)置，上傳遙測數(shù)據(jù)至上位機。目前，離子電推進系統(tǒng)最小遙控指令集已形成規(guī)范，包括設(shè)置類指令25條，注數(shù)類指令22條，形成了蘭州空間技術(shù)物理研究所離子電推進系統(tǒng)控制軟件設(shè)計范本。

為了滿足離子電推進子系統(tǒng)點火過程的加電順序及時間要求，PPCU的各路供電及驅(qū)動模塊須滿足一定的時序關(guān)系。圖4是在正常加電情況下PPCU加電時序圖。

圖4 PPCU加電時序圖Fig.4 The operation sequence diagrams of PPCU

2.3 FDIR設(shè)計

長時間自主運行是電推進系統(tǒng)工作特點，因而，F(xiàn)DIR設(shè)計成為電推進系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點。基于對系統(tǒng)的深入理解及應用經(jīng)驗。將故障處理功能分解到硬件、主控軟件、FDIR軟件三個層面，實現(xiàn)了故障冗余與恢復最優(yōu)分配。監(jiān)測相應的參數(shù)來完成故障檢測，產(chǎn)生相應的FDIR報警，并由指令序列恢復相應的故障，從而達到對星上故障自主、實時處理的目的。離子電推進子系統(tǒng)FDIR功能如表2所列。

2.4 離子推力器設(shè)計

離子推力器產(chǎn)品設(shè)計完全繼承AP-6D型號產(chǎn)品，僅對安裝接口做適應性更改。該產(chǎn)品已經(jīng)過14 649 h/7 171次開關(guān)機地面試驗[8]，滿足累計工作8 000 h，開關(guān)機次數(shù)大于4 000次的需求。

離子推力器主要由陰極、放電室、柵極組件、氣路電絕緣器、中和器、工質(zhì)氣路、外殼組成，其外形如圖5所示。離子推力器的關(guān)鍵部組件的設(shè)計方案如下：

（1）放電室

放電室為柱形磁鐵環(huán)尖磁場，直、錐雙陽極帶中間屏極。該放電室中原初電子的主要電離區(qū)域集中在陽極筒表面邊沿，并通過徑向磁場來約束出口區(qū)域的徑向電位分布，加強正離子向出口徑向邊緣的擴散，以此改善束流均勻性，提高柵極壽命；強化邊沿區(qū)域的電離效率，減少雙荷離子及其濺射影響；降低對磁鐵的溫度性能和抗衰減性能的要求[9-10]。

表2 FDIR功能列表Tab.2 The feature list of FDIR

圖5 推力器外形圖Fig.5 The appearance of ion thruster

（2）陰極和中和器

中和器采用技術(shù)成熟的六硼化鑭發(fā)射體作為空心陰極。與其他發(fā)射體材料相比，六硼化鑭的主要優(yōu)點是發(fā)射電流密度高、抗離子轟擊能力強、抗中毒能力強，在推力器儲存、運輸及與航天器聯(lián)合測試暴露大氣時不會中毒，可以長期在空氣中存放[11]。

（3）柵極組件

柵極組件用于支撐環(huán)凸面鉬柵極和雙柵離子光學系統(tǒng)，質(zhì)量和可靠性滿足指標要求[12]。

（4）氣路電絕緣器

氣路電絕緣器依靠多層金屬網(wǎng)分電壓抑制氣體放電。該絕緣器利用電勢疊加的原理，將高電壓進行分割實現(xiàn)絕緣，即在兩極間插入一系列的電極，使各電極間的電壓之和等于所加高壓，并且各極間電壓都低于氣體擊穿所需要的最低電壓。從而將高壓絕緣問題轉(zhuǎn)化為低壓絕緣問題[13]。

推力器額定性能（100%）參數(shù)及降功率性能（80%、60%）參數(shù)如表3所列。

2.5 電源處理與控制單元設(shè)計

為滿足可靠性備份和重量參數(shù)最優(yōu)等需求，子系統(tǒng)只配置1臺電源處理與控制單元（PPCU），同時為2臺推力器供電。PPCU采用一體化設(shè)計，集供電、控制、通訊功能于一體。PPCU的總體電路主要包括五部分：母線開關(guān)控制、數(shù)字接口與控制、供電模塊、流量控制和對外接口模塊，總輸出功率約為2 000 W，考慮備份冗余功能和系統(tǒng)可靠性，配置方案如圖6所示。正常工作時，PPM-A與PPM-C分別為推力器1、2供電，如果PPM-A或PPM-C中任意1臺出現(xiàn)故障，則以PPM-B為相應推力器供電。DICM、FCU均采用冷態(tài)主備份方案。

表3 離子推力器主要性能參數(shù)及額定值Tab.3 Main performance parameters and rated value of ion thruster

（1）母線開關(guān)控制

母線開關(guān)包括母線安全開關(guān)和控制開關(guān)電路，可以控制PPCU加斷電。由于輸入總功率需求達2 370 W，輸入電流達24 A，對消浪涌電路和濾波電路要求較高，必須利用金屬氧化物場效應管（MOSFET）的緩慢導通來抑制母線的輸入電流浪涌，MOSFET同時作為PPCU的母線接通與關(guān)斷的控制開關(guān)。

（2）供電模塊

供電模塊由3個功能特性完全相同的電源處理模塊（PPM）組成，以避免出現(xiàn)故障單點。單個PPM包括功能完備的屏柵、加速柵電源和多路穩(wěn)流源及點火電源，滿足1臺推力器的供電需求。每臺推力器所需電源為9路，供電連接關(guān)系如圖7所示。屏柵電源模塊采用諧振電路全橋變換器技術(shù)，實現(xiàn)了高效率、輕量化的目標。DC/AC多路穩(wěn)流可通過功率碼連續(xù)調(diào)節(jié)，束流閉環(huán)通過調(diào)節(jié)陽極電流實現(xiàn)。

（3）數(shù)字接口與控制

數(shù)字接口與控制配置2個功能特性完全相同的DICM模塊實現(xiàn)冷備份功能，并通過2條1553B總線與電推進控制器進行通信。如果DICM-A模塊失效，通過OC開關(guān)控制指令，用備份DICM-B模塊控制PPCU內(nèi)部各功率模塊、切換繼電器（TSU）和流量調(diào)節(jié)模塊（FCU）。采用3D疊層封裝MRAM存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及讀取功能。

圖6 PPCU組成框圖Fig.6 The block diagram of PPCU

圖7 PPM各路電源與推力器供電連接關(guān)系Fig.7 The connection relationship of PPM circuits

（4）流量控制

流量控制主要負責為推力器流量模塊供電、提供閥門驅(qū)動信號、對熱節(jié)流器溫度進行閉環(huán)控制，并采集各種遙測信號。

（5）對外接口模塊

對外接口模塊主要完成每個PPM輸出線的對接、PPM的切換以及最終向推力器的輸出，共使用16只高壓繼電器完成備份PPM-B的供電切換功能，模塊的高壓部分必須進行灌封處理。

采用隔框式設(shè)計對PPCU進行電磁干擾屏蔽，產(chǎn)品外形圖及主要性能參數(shù)如圖8所示和表4所列。

圖8 PPCU外形圖Fig.8 The PPCU’s outside drawing

表4 PPCU主要性能參數(shù)Tab.4 Main performance parameters of PPCU

2.6 流量調(diào)節(jié)模塊

流量調(diào)節(jié)模塊由2個自鎖閥、3個熱節(jié)流器、1個測量及控制信號電連接器和管路等組成，各零部件與管路全部采用管焊連接。自鎖閥為流量調(diào)節(jié)模塊入口，輸出推力器所需的流量，其作用為開啟與關(guān)閉整個流量調(diào)節(jié)模塊；熱節(jié)流器用于控制推進劑的流量，通過對熱節(jié)流器線圈通電，使熱節(jié)流器的溫度達到工作溫度，實現(xiàn)氙氣流量的控制。流量調(diào)節(jié)模塊原理組成框圖如圖9所示。性能參數(shù)如表5所列。

圖9 FCM結(jié)構(gòu)及原理圖Fig.9 The structure and schematic diagram fo FCM

表5 FCM主要性能參數(shù)Tab.5 Main performance parameters of FCM

3 可靠性驗證

3.1 力學環(huán)境試驗

為了驗證力學環(huán)境適應性，對離子推力器、PPCU、FCM三臺單機分別進行了鑒定級抗力學試驗考核，包括正弦振動、隨機振動、沖擊、加速度試驗。試驗結(jié)果表明，試驗后各單機結(jié)構(gòu)均無異常，推力器特征阻值測試正常，試驗前后子系統(tǒng)點火電氣參數(shù)一致。

3.2 熱環(huán)境試驗

離子電推進子系統(tǒng)各單機熱環(huán)境試驗匯總情況如表6所列，熱環(huán)境適應性滿足設(shè)計要求。

表6 各單機熱環(huán)境試驗項目匯總Tab.6 The summary sheet of single machine thermal environment tests

3.3 EMC專項試驗

開展了推力器和PPCU的聯(lián)合EMC試驗，包括電場輻射發(fā)射（RE102）測試、瞬態(tài)電場輻射發(fā)射測試以及電源線尖峰信號傳導發(fā)射（CE107）測試。結(jié)果表明，離子電推進系統(tǒng)電磁兼容性良好，大多數(shù)頻段滿足整星EMC要求，未發(fā)現(xiàn)嚴重超標頻段，超標頻段在1 GHz以下，不影響整星通信載荷在L頻段、C頻段、Ku頻段以及Ka頻段的正常工作。圖10給出部分EMC測試曲線，（a）為輻射發(fā)射RE102測試（0.01～30 MHz）；（b）為輻射發(fā)射RE102測試（200～1 000 MHz）；（c）為瞬態(tài)頻域測試（20～200 MHz）。圖中的縱坐標進行了歸一化處理。

圖10 PPCU+推力器EMC測試曲線Fig.10 The EMC test curve of PPCU and thruster

3.4 羽流專項試驗

采用單Faraday探針測量離子推力器羽流場束電流密度分布，通過三維移動機構(gòu)在近場（0～1 m）區(qū)域移動得到一系列束流密度分布曲線，如圖11所示。圖12為Faraday探針分別在4組X坐標下沿Y軸移動得到的束電流密度分布曲線；圖13為Faraday探針分別在5組X坐標下沿Z軸移動得到的束電流密度分布曲線。利用不同X坐標下的束流密度曲線可以計算得到該X坐標下的發(fā)散角，通過相同X坐標下束流峰值的[Y，Z]坐標可以計算得到推力偏角。

圖11 推力器羽流測量坐標Fig.11 Thruster plume measurement coordinates

圖12 不同X坐標沿Y軸束流密度分布Fig.12 Beam density distribution along Y axis in different X coordinates

圖13 不同X坐標沿Z軸束流密度分布Fig.13 Beam density distribution along Z axis in different X coordinates

測試計算表明，LIPS-200離子推力器發(fā)散角（90%束流）全角為28.98°～29.1°，推力偏角為0.86°～0.96°，發(fā)散角和偏角在近場區(qū)域內(nèi)對X距離變化不敏感，均滿足要求。

4 子系統(tǒng)聯(lián)試

系統(tǒng)聯(lián)試遵循先易后難，先局部后整體的原則分三個階段進行，第一階段桌面聯(lián)試，測試軟硬件匹配性，重點在節(jié)點定義、軟件功能、硬件響應等；第二階段真實推力器短期點火，僅將推力器置于真空環(huán)境下，重點測試性能參數(shù)的實現(xiàn)性；第三階段可靠性測試，將全系統(tǒng)置于真空環(huán)境下，重點測試拉偏性能，以及長時間性能波動。試驗流程如圖14所示。

圖14 子系統(tǒng)聯(lián)試流程圖Fig.14 The flow chart of subsystem united test

4.1 聯(lián)試狀態(tài)

子系統(tǒng)各單機連接關(guān)系如圖15所示。試驗在TS-7設(shè)備中進行，主要進行千瓦級推力器的長壽命考核試驗及系統(tǒng)可靠性驗證試驗，圖16為吊裝在TS-7設(shè)備內(nèi)準備進行雙發(fā)點火的兩臺推力器，設(shè)備主要性能如表7所列。

圖15 子系統(tǒng)聯(lián)試連接狀態(tài)Fig.15 The connection status of subsystem united test

圖16 吊裝在TS-7設(shè)備內(nèi)準備進行雙發(fā)點火的兩臺推力器Fig.16 Two thrusters are hoisted into the TS-7 facility for a couple ignition

表7 TS-7主要性能參數(shù)Tab.7 Main performance parameters of the TS-7 vacuum equipment

4.2 主要聯(lián)試結(jié)果

對兩臺推力器分別選擇不同的PPM供電，完成100%、80%、60%功率模式聯(lián)試性能測試。圖17顯示不同功率模式下的屏柵電壓與屏柵電流曲線，該參數(shù)直接反映推力大小。從圖17可以看出，100%功率模式下工作5 h無束流閃爍，80%模式下工作2 h中發(fā)生1次束流閃爍，60%模式下工作2 h中發(fā)生1次束流閃爍，子系統(tǒng)性能滿足要求，工作穩(wěn)定。

圖17 不同模式下不同時間的屏柵電壓和屏柵電流值Fig.17 Screen-grid voltage and current in different power mode at different time

5 結(jié)論

通過千瓦級離子電推進子系統(tǒng)初樣設(shè)計及驗證，完成了系統(tǒng)構(gòu)型最優(yōu)化分解，實現(xiàn)了所有功能和性能指標，重點實現(xiàn)了雙發(fā)點火、推力閉環(huán)控制、降功率工作等特色功能，提升了系統(tǒng)易用性。在FDIR設(shè)計方面，系統(tǒng)梳理了8項典型故障處理功能，并按工程實際分為3類，提高了電推進系統(tǒng)完成任務的能力及規(guī)范性。

通過該子系統(tǒng)研制，在系統(tǒng)構(gòu)架優(yōu)化，軟硬件設(shè)計規(guī)范，系統(tǒng)驗證流程等方面積累了經(jīng)驗。后續(xù)，還須加強對離子推力器系統(tǒng)的易用性、自主運行管理技術(shù)、空間長期工作性能衰退以及與航天器的相容性的研究和積累，進一步提升系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性、易用性及成熟度。