變工況下自勵磁模式LHT-60霍爾推力器放電特性試驗研究

陳新偉，高 俊，顧 左，郭 寧，王尚民，史 楷，王倩楠，楊三祥，高 軍，耿 海

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室甘肅省空間電推進技術重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

近年來，小衛星技術[1]的迅猛發展和太陽能電池陣效率的大幅提高促進了低功率、高比沖、長壽命、集成度高的低功率電推進技術的應用。霍爾推力器具有結構簡單、推力小、比沖適中、推功比高[2-3]等優點，廣泛應用于航天器軌道保持[1]、軌道提升、壽命末期離軌、深空探測[4-5]等領域。

前蘇聯是最早試驗和應用霍爾推力器的國家。20世紀70年代至80年代初，前蘇聯在低軌衛星上進行了6次低功率霍爾推力器試驗，包括4臺450 W的SPT-60[6]霍爾推力器和8臺350 W的SPT-50[7]霍爾推力器。1982年起，660 W的SPT-70[6]霍爾推力器在前蘇聯GEO衛星上執行東西位置保持任務。該推力器在軌應用前開展了流量、磁場、電場等變工況下的調節試驗，獲取了推力器最佳工作點。美國2000年左右開始低功率霍爾推力器的研制，主要研究機構和工程化研制單位包括Busek公司、噴氣推進實驗室、加州大學洛杉磯分校等。Busek公司研制了BHT-200和BHT-600兩款推力器，其中BHT-200[8-9]霍爾推力器在2006年12月16日發射的TacSat 2小衛星上成功應用，用于執行軌道提升任務。試驗獲取的推力器的主要額定參數為：放電輸入功率200 W、推力12.8 mN、比沖1 390 s。此外，對BHT-600[10-11]霍爾推力器進行了輸入功率為200～800 W的變工況調節研究。噴氣推進實驗室的研究團隊研制了600 W功率MaSMi-60[12-14]霍爾推力器，測試了原理樣機在放電電壓200～400 V、放電功率160～750 W變工況下的放電特性，結果表明，推力器放電通道長度和陽極構型不合理是導致推力器效率低的主要原因。調研發現，一些研究機構在低功率推力器研制和性能提升過程中進行了大量的放電特性研究，但是，為了研究變磁場下的工作特性，勵磁線圈均采用外接電源供電方式而不是自勵磁模式的配電網絡。

面向低軌互聯網星座的使用需求，蘭州空間技術物理研究所開展低功率霍爾電推進產品的技術攻關，成功研制了500 W級自勵磁模式LHT-60低功率霍爾推力器。本文針對蘭州空間技術物理研究所研制的60 mm外徑的LHT-60霍爾推力器在較寬的放電電壓和放電功率范圍內的工作性能進行試驗研究。研究LHT-60霍爾推力器在放電電壓200～350 V、陽極流量1.1～2.0 mg/s，輸入功率180～640 W條件下推力、比沖、陽極效率、推功比等宏觀參數的變化規律，結合法拉第探針獲取變工況下束流中離子電流密度分布，獲取推力器的放電特性與電流利用率、質量利用率的匹配關系，建立變工況下自勵磁工作推力器穩定工作特性與效率損失對應關系，為推力器在軌應用提供有效的試驗數據支持。

1 試驗系統及裝置

1.1 真空系統

試驗在蘭州空間技術物理研究所TS-6A電推進真空試驗系統上進行。TS-6A電推進真空試驗系統尺寸為D2 000 mm×5 000 mm，局部照片如圖1所示。真空系統內配備有TMS推力測量和束流診斷裝置，用于對霍爾推力器的工作推力和束流發散特性進行評估。真空系統配有3臺K-800TD高真空油擴散泵、2臺低溫泵和1臺F-400分子泵，真空系統對氙氣的有效抽速為15 000 L/s。系統同時配備電阻真空計和電離真空計組合的復合真空計，壓力監測范圍105～10-5Pa。系統極限壓力1.0×10-5Pa，當推力器引束流過程氙氣流量為2.0 mg/s時，系統的帶載壓力可低于1.0×10-3Pa。推力器地面供氣系統由氙氣瓶、減壓閥、流量控制器、管路等組成，流量控制精度可以達到滿量程的±2%。試驗系統還配備了陽極、勵磁，加熱、觸持電源等推力器工作所需的配電系統。

圖1 TS-6A真空系統局部圖Fig.1 The part picture of the TS-6A vacuum equipment

1.2 LHT-60霍爾推力器

試驗采用放電室外徑為60 mm的LHT-60霍爾推力器。該推力器主要由放電室、陰極和推力器外殼，勵磁組件等組成，最顯著的特點是采用了一個中空環形線圈作為外線圈，為推力器提供均勻的磁場。自勵磁工作模式是用一個陽極電源作為放電電源，所有內外勵磁線圈串入推力器主放電回路，推力器工作時陰極和陽極之間主放電回路產生的電流驅動勵磁線圈產生感應磁場。通過該供電方式可節省1個勵磁電源模塊，簡化系統配電網絡，減少電源數量，提高星載電推進系統的推重比。此外，推力器工作時所有線圈與放電相互耦合，可以降低推力器放電振蕩，提高電源供電系統的可靠性，延長推力器服役壽命。推力器自勵磁模式供電網絡如圖2所示。

圖2 LHT-60霍爾推力器自勵磁模式供電網絡示意圖Fig.2 The Schematic of the LHT-60 Hall thruster with self-excited mode power supply relationship

測量放電電流和電壓等關鍵參數的儀器主要包括電流探頭CP1015，量程15 A，頻寬60 MHz，精度±1%FS；高壓差分探頭N1070B，量程700 V，頻寬100 MHz，精度±1%FS；安捷倫示波器3024T，最大采樣率5 GSa/s，帶寬200 MHz。

1.3 推力測量裝置

推力測量裝置機械部分主要由靜架、動架、位移傳感器及推力器測量支架等組成。動架通過支撐架安裝在靜架上，霍爾推力器通過安裝支架置于動架上，整個推力測量裝置通過支架安裝在真空系統上。當霍爾推力器點火工作時，推力的反作用力使動架產生位移，該位移經過動架另一側的位移傳感器進入推力測量信號采集系統，再通過試驗系統加載的靜電力獲得“力-位移”數據，利用胡克定律即可得到霍爾推力器對應某一工況的推力值。該推力裝置量程0～50 mN，精度±0.1 mN。推力器和推力架相對位置如圖3所示。

1.4 束流診斷系統

采用束流發散角診斷裝置測試不同工況下推力器的束流發散角。該裝置主要由法拉第探針、偏置電源、測試電路板和計算機以及真空二維移動機構組成，其中法拉第探針由防護套、電流收集盤、絕緣墊組成。防護套與電流收集盤之間的陶瓷件起絕緣和定位作用。電流收集盤直徑為10 mm，收集極和保護環間距為1.5 mm，該間距與霍爾推力器羽流等離子鞘層厚度在同一數量級，能夠屏蔽束流中非軸向等離子體[15]。考慮二次電子發射的影響，盡可能選擇二次電子發射系數小的材料作為收集極，本試驗選擇的收集極材料為鉬。收集極和外殼分別加載-30 V的偏置電壓，一方面使收集極起到排斥羽流電子流、收集離子流的作用；另一方面確保防護套（保護環）和收集極表面產生均一的等離子鞘層，得到離子電流值，再用離子的電流值除以收集器面積得到離子電流密度。推力器安裝在推力測量裝置上，其軸線與法拉第探針平面中心重合，三者的相對位置如圖4所示。

圖3 推力測量裝置示意圖Fig.3 The schematic diagram of thrust measurement device

圖4 法拉第探針與推力器之間相對位置Fig.4 The relative position between Faraday probe and hall thruster

推力器總的離子束電流Ib可由式（1）得到：

式中：r為距推力器中心線的徑向距離；ri為探針第i個位置處的徑向距離；Δr為探針徑向（圖4中Y方向）測量距離增量；j(r)為離子電流密度（由Faraday探針測量得到）。

束流發散角θ由式（2）計算：

式中：D為霍爾推力器噴口直徑；R90%為霍爾推力器噴口與法拉第探針探測面處90%總束流值對應的徑向距離；L為探針與推力器的軸線距離。

2 結果與討論

試驗研究了推力器推力、陽極比沖、陽極效率、放電電流、電流利用效率等參數隨放電電壓、陽極質量流量等參數的變化特性。

推力T[16]可以由式（3）給出：

式中：m˙i為離子流等效質量流量為平均離子速度；γ為由束流發散和多價離子引起的推力修正系數；M為氙原子質量；Id為放電電流；Vd為放電電壓；e為單位基本電荷。

陽極比沖Isp,a的計算公式為：

陽極效率ηa定義為：

式中：Pd為陽極放電功率。

推功比是衡量霍爾電推進系統性能的重要指標。推功比為推力與系統功率的比值：

從式（6）可以看出，隨著放電電壓的增加，推功比降低。

霍爾推進器中的放電電流是離子和電子電流的總和，但只有離子電流有助于產生推力。ηb代表束流電流利用效率（即放電電流中離子電流的分數），可以用下式表示：

其中放電電流Id由電流探頭測量，總的離子束電流Ib由法拉第探針沿推力器徑向積分獲得。

質量利用效率ηm為：

2.1 陽極質量流量和放電電壓的影響

研究了推力器放電電壓為200～350 V，陽極質量流量1.1～2.0 mg/s下的放電參數。由于推力器配電網絡為自勵磁供電方式，故磁場位型由放電電流決定。

圖5為不同陽極質量流量、放電電壓下推力器放電電流、功率、推力、陽極比沖、陽極效率、推功比變化曲線。可以看出，恒定放電電壓下（如350 V），陽極質量流量從1.1 mg/s增大到2.0 mg/s時，推力器放電電流、功率、推力、陽極比沖、推功比均呈逐漸增加趨勢。即放電電流從1.143 A增大到1.786 A，增幅約56.3%；功率從409 W增大到634 W，增幅約54.9%；推力從14.9 mN增大到35.05 mN，增幅約134.9%；陽極比沖從1 384 s增大到1 788.3 s，增幅約29.2%；陽極效率從22.7%增大到46.1%，增幅約103.5%；推功比從36.5 mN/kW增大到55.28 mN/kW，增幅約51.6%。分析原因為：隨陽極質量流量增加，推力器放電通道內中性原子密度逐漸增大，單位時間內電子在電磁場的作用下獲取能量后進入放電通道碰撞中性原子（如氙原子）的頻率（見式（9））增大，電離增強（以低能電子與中性原子的碰撞電離過程為例：e+Xe→ Xe++2e，其中，Xe為氙原子，Xe+為氙離子），電離率增加，離子電流增大，放電電流增加。對于電離過程，可以用原子和離子沿軸向（z）的一維穩態連續方程表示，見式（10）。此外，由于推力器配電網絡為自勵磁模式，隨放電電流增加，推力器放電通道磁場增加，對放電通道內陰極發射電子的約束增強，電子獲得能量增大，電離速率系數增大，見式（11），放電電流進一步增大，導致放電功率、推力增大。隨質量流量的增加，放電電流增大，推力逐漸增大，如式（3）、式（5）所示，與本次試驗結果一致。

電子與原子的碰撞頻率ν可以由式（9）計算：

式中：na為原子數密度；ve為電子速度；Q為電子和原子的碰撞截面。

對于電離過程，分別用原子和離子沿軸向（z）的一維穩態連續方程表示：

式中：ni為離子數密度；va和vi分別為原子和離子速度；ne為電子數密度；βiz為電離速率系數（與電子溫度Te(z)有關）。

電離速率系數βiz可近似表達為：

式中：β0為陽極位置處的電離速率系數；T*為工質電子溫度閾值。對于氙工質，β0=2.2×10-14m3/s，T*=4 eV。

圖5 推力器放電參數隨陽極質量流量的變化曲線Fig.5 The variation profiles of thruster discharge parameters as a function of anode mass flow rate

圖6為陰極流量0.1 mg/s、放電電壓320 V下， 不同陽極質量流量，不同位置處的離子電流密度空間分布曲線，其中圖6（a）中的y為法拉第探針收集中心到推力器出口平面中軸線的距離，x為與推力器出口平行平面的下游到推力器出口平面垂直的距離。為了更清晰展現離子電流空間分布，分兩層顯示同一工況下的離子電流，如圖6（a）所示，下層為離子電流密度柱狀分布圖，上層為離子電流密度3D散點軌跡圖，顯示平面為偏移起點平面。圖6（b）（c）與圖 6（a）類似。由圖 6（a）還可以看出，同一陽極質量流量下，離子電流密度以軸線為中心沿徑向對稱分布，中軸線處最大，遠離軸線逐漸減小；從推力器出口沿軸線方向減小。說明推力器羽流呈現雙極（軸向和徑向）擴散膨脹的特點。該趨勢與Dannenmaye等[17]和Diamant等[18]的研究結果一致。此外，當陽極質量流量從1.1 mg/s增大到1.7 mg/s時，推力器出口平面同一距離處的離子電流也逐漸增大，如距離推力器出口平面100 mm處，離子電流密度從3.1 mA/cm2增大到10.7 mA/cm2，增大245%。主要原因為，隨陽極質量流量增加，推力器放電通道內中性原子密度逐漸增大，單位時間內電子碰撞原子的頻率增大，電離率增加，羽流中離子電流增大。

圖6 不同陽極質量流量下離子電流密度的空間分布Fig.6 The Spatial distribution of ion current density with different anode mass flow rates

圖7（a）為放電電壓320 V，陰極質量流量0.1 mg/s下，不同陽極質量流量下的束流發散角、電流利用效率、質量利用效率變化曲線圖。可以看出，陽極質量流量從1.1 mg/s增大到1.7 mg/s時，電流利用效率和質量利用效率逐漸增加，束流發散角呈現減小的趨勢，其中電流利用效率從0.65增大到0.79，增加21.5%；質量利用效率從0.62增大到0.81，增加30.6%；束流發散角從61.3°減小到58.5°，減小2.8°。主要原因為，隨質量流量增加，電離效率增強，因此，質量利用率和電流利用效率不斷增大。此外，由于采用自勵磁供電，勵磁線圈串入放電回路使放電增強，進一步誘導勵磁線圈使推力器放電通道內磁場強度增大，對進入放電通道內的電子的約束增強，電子在放電通道與中性原子的碰撞概率增加，由式（9）和式（10）可知，離子電流密度增加，因而離子總電流增加，電流利用效率和質量利用效率進一步增加。束流發散角隨質量流量增加不斷減小的可能原因為：由于陽極質量流量的增大，而且推力器采用了自勵磁供電模式，放電電流的增大進一步誘導磁場增強，推力器放電通道內部離子受到軸向電場作用增加，外通道方向的徑向電場作用減弱，綜合作用導致推力器聚焦作用增強，束流發散角有所降低。

從式（3）可以看出，推力（T）、陽極比沖與放電電壓（Vd）成正相關的關系。從圖5可以看出，恒定陽極流量下，當放電電壓從200 V增大到320 V時，放電電流、功率、推力、陽極比沖隨電壓的增加而增大。主要原因為，質量流量恒定下（中性原子一定），隨著電場增加，電磁場對進入放電室內部電子的約束和加速作用增強，放電電流增大，對離子的加速作用增大，束流離子的平均速度提高，離子的能量增大，從而推力增大。但是，陽極效率、推功比隨電壓的增大而減小，陽極效率減小。主要的原因為，隨放電電壓的增加，束流中二價離子和三價離子的比例增加（但Xe+仍然在等離子體中占主導地位），多價離子容易降低推力器的性能。總效率與單價離子效率比如式（12）：

式中：η為總效率；η+為一價離子效率；qi為第i價離子電荷量；Ωi為束流離子占總電流比例，其中，Ii為第i價離子形成的電流。

由式（12）可以看出，等號右側總是小于1，因此三價離子的效率（對于相同的束流）總是小于二價離子的效率。

當放電電壓進一步增到350 V，同一質量流量下放電電流未繼續增大，說明在該質量流量、配電網絡下，推力器中的離子和電子到達陽極形成的放電電流為最大值。放電電壓增加，導致輸入功率增加。但推力、陽極比沖并未增加，主要可能的原因是推力器羽流發散效率（cos2θ）降低的緣故。隨放電電壓增大到350 V，效率、推功比呈現下降趨勢，原因是推力器熱損失比例增大，轉化為束流推力的有用功減小。由此，320 V放電電壓為可定位為理想的推力器放電電壓。

圖7 束流發散角、電流利用效率和質量利用效率隨陽極質量流量和放電電壓的變化曲線Fig.7 The Curves of beam divergence angle，current utilization efficiency and mass utilization efficiency under different anode mass flow rates and anode voltages

圖7（b）為陽極流量1.4 mg/s，陰極質量流量0.1 mg/s下，不同放電電壓下束流發散角、電流利用效率、質量利用效率變化曲線。可以看出，放電電壓從200 V到320 V，電流利用效率和質量利用效率逐漸增加，束流發散角呈現減小的趨勢，其中電流利用效率從0.64增大到0.76（增加18.7%）、質量利用效率從0.65增大到0.78（增加20%），束流發散角從61.4°減小到59.2°（減小2.2°）。隨著放電電壓的增加，電流利用效率和質量利用效率逐漸增加。這是因為，隨放電電壓增加，電磁場作用增加，放電通道電離作用增強，放電電流增加，進一步誘導磁場增強，對電子的約束增強，電流利用效率和質量利用效率增加。此外，由于磁場、電場增強、束流加速和聚焦性逐漸增加，使發散角呈現減小的趨勢，該特性與Conversano等[12]對低功率霍爾推力器的研究結果一致。Hofer等[19]的研究結果表明，推力器羽流發散與電離區中心位置（Zi）或電離區長度（Lion=va/(neveσiz)，其中va、ve分別為原子和電子速度，ne為電子密度，σiz為電離截面）和加速區的長度（La）變化有關。在霍爾推力器中，兩個區域重疊，正是基于此，推力器最優總效率不對應于兩個區域完全分離的地方。這是因為將電離區從加速區移開會增加離子流壁上速度的損失。隨著放電電壓的增加，Zi向上游移動或Lion沿陽極方向增加。因此，束流發散角減小可歸因于加速區的移動或電離區的增長。一般來說，由于壁面損失較高，較長的電離區可能不利于提高推力器的效率和壽命。然而，采用自勵磁供電模式、在電磁場共同作用下，隨放電電壓的增加，束流發散角逐漸較小，因此更好的聚焦效率可能會減少額外的壁面損失。這與文中測量的200～320 V電壓下束流發散角從61.4°減小到59.2°（減小2.2°）一致。

2.2 放電功率的影響

圖8為不同放電電壓下，推力、陽極比沖、效率和推工比隨放電功率的變化。可以看出，陽極功率從200 W增大到700 W的過程中，推力從8.2 mN增大到31.2 mN左右，與功率變化基本成線性關系。相應地，陽極比沖從785 s增大到1 685 s左右，效率從的15.1%增大到40.75%左右，推功比從的42.5 mN/kW增大到55.75 mN/kW，與Conversano等[7]研制的MaSMi-60-LM2的結果類似。

ISCT-200 MS是 Garrigues等[20]研制的200 W級低功率霍爾推力器。表1為LHT-60與MaSMi-60-LM2、ISCT-200 MS主要參數對比。由表中可以看出，同功率下（550 W）LHT-60推力器的推力比MaSMi-60-LM2高2 mN，陽極比沖高236 s，效率高5.8%。效率高的主要原因是采用了高效的放電磁路設計、高的放電電壓和自勵磁模式供電（無勵磁功率）。陽極比沖、效率高于200 W ISCT-200推力器，主要原因為，200 W ISCT-200放電口徑小，表面積與體積比大，造成等離子體與放電室壁面碰撞損失增大。

圖8 不同放電電壓下放電參數隨放電功率的變化曲線Fig.8 The change of thrust，anode specific impulse，efficiency and thrust-to-power at different discharge voltages

表1 與國際知名推力器主要參數對比表Tab.1 Comparison of with the main parameters of the internationally well-known hall thrusters

3 結論

本文以LHT-60霍爾推力器為對象，重點研究了自勵磁供電模式下推力器推力、比沖、效率、發散角、電流利用率等在變工況下（不同放電電壓、陽極質量流量）的變化，得出以下結論：

（1）在自勵磁模式、恒定放電電壓下，隨陽極質量流量增加，放電通道內中性原子增多，電子與原子的碰撞電離增強，電離率增加，離子電流增大，使放電通道磁場增加，對放電通道內陰極發射電子的約束增強，進一步導致功率、推力、陽極比沖、推功比、電流利用效率、質量利用效率增大，束流發散角隨陽極質量流量的增大而減小；

（2）恒定陽極流量下，放電電壓從200 V增大到320 V時，放電電流、功率、推力、陽極比沖、電流利用率、質量利用率等隨電壓的增加而增大，并在320 V達到穩定值。說明在自勵磁模式、特定范圍功率約束下，由放電電流誘導產生的磁場強度使得電子和離子形成最佳的推力值。放電電壓繼續增大至350 V，輸入功率增加，效率有所降低。但由于羽流發散效率、推力、陽極比沖未隨放電電壓增加而增加。考慮到推力器必須長期穩定工作，因而以320 V為推力器的最佳工況電壓。此外，由于采用了高放電電壓和自勵磁模式供電，與MaSMi-60-LM2相比，推力器在額定供電、供氣下，推力高2 mN、陽極比沖高236 s、效率高5.8%。