LIPS-100電推進高精度寬范圍連續可調電源測試驗證

王成飛，楊福全，趙 勇，孫明明，張興民，施凱敏

（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.深圳航天新源科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

作為電推進系統的核心單機，電推進電源技術的發展對電推進系統有著決定性作用。典型的離子電推進電源由屏柵電源、加速電源、陽極電源、陰極加熱電源、主陰極觸持電源、陰極點火電源、中和器加熱電源、中和器觸持電源以及中和器點火電源組成。部分多工作點和連續可調電推進中還須采用勵磁電源對推力器工作磁場進行調節，實現推力連續可調功能。其中屏柵電源為1 000 V以上的高壓電源與陽極電源構成電推進電源輸出功率的主要電源，占整個電源輸出功率的90%以上。典型的霍爾電推進電源包括陽極電源、勵磁電源、中和器加熱電源、中和器觸持電源及中和器點火電源，其中陽極電源為300 V以上的高壓電源，輸出功率占整個系統功率的90%以上。經過幾十年的發展，電推進電源滿足了從推力器單一工作點轉變為連續可調工作點的發展需求，為從LEO到深空探測等不同類型的空間任務提供了重要的技術保障。

在連續可調電推進領域，國外典型的ESA海洋環流和地球重力場探測衛星GOCE均選用英國Qintiq公司的T5離子電推進進行阻力補償，為重力梯度儀提供無拖曳飛行環境。T5離子推力器的推力范圍為1～20 mN，推力分辨率優于12 μN，最大響應速度為2.5 mN/s，推力噪聲優于1.2 mN/＠1 mHz或0.012 mN/＠100 Hz，比沖為300～3 500 s[1-2]。作為GOCE衛星電推進備選方案，德國的RIT-10電推進系統推力范圍為1～41 mN，推力分辨率達20 μN[3-5]。日本SLATS任務中為實現精確的軌道高度控制，采用的推力為10～28 mN，比沖為2 000～2 500 s[6]。電源處理與控制單元PPCU的性能指標直接關系到電推進系統指標的實現。基于單機技術要求的指標體系及測試評價方法，是目前針對該類離子電推進研究的熱點之一。

針對我國低軌衛星無拖曳任務及軌道位置對高精度寬范圍連續可調離子電推進系統的需求，蘭州空間技術物理研究所開展了LIPS-100離子電推進系統的研制。本文將結合推力器試驗數據和理論分析，研究建立PPCU指標體系及測試評價方法，并對結果進行分析，以評估方法、有效性和最終指標的符合性為目標。

1 關鍵指標體系建立

LIPS-100離子推力器配套的PPCU主要為離子推力器提供運行所需的10路電源、推力器監測功能，并通過通信接口與星載計算機實現信息交互。相較于LIPS-200單點和LIPS-300多模離子推力器采用的永磁鐵環尖場方案，為實現推力的寬范圍精細調節，LIPS-100離子推力器采用了螺線管電磁鐵發散場方案。通過陽極推進劑流率、放電磁場和電場三個決定離子推力器放電室中氣體放電強弱和等離子密度大小的因素，確定了大推力比、高精度、高分辨率的推力調節[6-8]。任務要求推力范圍為1～20.0 mN，推力分辨率優于15 μN。綜合考慮電源設計復雜度和推力調節方案的優化，兼顧比沖指標，最終選定陽極流量、陽極電流、勵磁電流作為控制參數，通過陽極流量、陽極電流的開環控制實現推力的寬范圍調節，通過勵磁電流的閉環控制實現對推力的精細調節。其中陽極電流和勵磁電流由PPCU供電參數決定，其精度和調節范圍對推力指標的實現有著十分重要的影響。

離子推力器的推力計算式為[9]：

式中：k為推力計算系數，由二價離子比例和束流發散角決定，通常取1.57；Vb為屏柵電壓，取1 200.00 V；Ib為屏柵電流。

對式（1）微分可得：

式中：p為屏柵電流相對分辨率；q為屏柵電壓相對分辨率；令dT=15 μN，T=20 mN可得到滿足推力分辨率需求時的屏柵電壓、電流的最小相對分辨率為p=q=0.5%。

根據推力器試驗結果，勵磁電流Im不變時，陽極電流IA與屏柵電流Ib成比例關系，即：

根據式（1）可計算出1～20 mN對應的屏柵電流為18.0～367.0 mA，代入式（3）可得陽極電流范圍。對式（3）求偏導，結合式（1）可得推力變化15 μN時陽極電流的分辨率。

陽極電流IA不變時，勵磁電流Im與屏柵電流Ib成二次方關系，即：

勵磁電流的范圍與分辨率計算與陽極電流相同。利用地面電源試驗數據，得出式（3）中的kba，式（4）中a、b、c。最終確定PPCU屏柵電源、陽極電源、勵磁電源的指標要求如表1所列。

表1 PPCU高精度電源指標要求Tab.1 The requirements of PPCU high-precision power

2 PPCU驗證方法

PPCU對LIPS-100離子推力器的供電電源可分為三類：穩壓源、穩流源和脈沖電源[10-12]。其中穩壓源中的屏柵電源、穩流源中的陽極電源、勵磁電源對推力的寬范圍調節和高推力精度的實現至關重要。除常規測試項目外[13-14]，考慮到推力調節速度和精度的要求，須對其動態響應時間、輸出精度和采集精度等進行專項測試，設計的PPCU測試驗證流程為：

（1）采用等效電阻負載或電子負載對PPCU各電源模塊進行評價，驗證輸出精度、采集精度等指標的滿足性；

（2）模擬推力器工作方式，驗證PPCU各電源之間的耦合特性；

（3）與推力器聯試，驗證PPCU與實際離子電推進工作的匹配性及最終指標的滿足性。

PPCU流程如圖1所示。PPCU常規項測試沿用電源常規測試方法，關鍵指標中的屏柵電源、勵磁電源、陽極電源重點項測試方法為[15]：

（1）屏柵電源接高精度電子負載，采用VITREK4700高精度電壓表測試輸出電源，利用電子負載獲取輸出電流，依據設定輸出、實際輸出和采集值得到輸出精度和采集精度；

（2）陽極電源和勵磁電源接高精度電阻負載，采用KEITHLEY DMM6500高精度萬用表測試它們的輸出電流和電壓；設置輸出為1～20.0 mN對應工況點參數，評估它們的寬范圍調節能力；在每個工況點處按照最小調節步長調節輸出，測試輸出分辨率；依據設定輸出、實際輸出和采集值得到輸出精度和采集精度。

圖1 PPCU測試驗證流程Fig.1 The test and validation diagram of PPCU

3 結果及分析

按照流程建立PPCU指標體系，驗證設計方案，最終通過PPCU與推力器的聯試驗證指標的符合性。試驗在蘭州空間技術物理研究所的TS-6S電推進試驗真空設備中進行，設備真空室直徑為1.5 m，長度為4 m；主泵為2臺外置式氮氣抽速為1×104L/s的低溫泵和2臺內置式氙氣抽速為1.49×104L/s的低溫泵，設備注入10 cm2/min流量的氙氣，可獲得低于1×10-3Pa的壓力；供氣設備采用TS-6S專用供氣柜，可提供精度為0.4%讀數+0.2%滿量程的陽極流量及0.8%讀數+0.2%滿量程的中和器和陰極流量。

不同的負載下PPCU高精度電源的部分測試點輸出情況如表2所列。其中屏柵電源在負載為15.1 mA、390 mA時可實現電壓的穩定輸出，電壓、電流穩定度在0.1%；陽極電源輸出可實現0.100 0 A、1.000 A、3.000 A，大范圍輸出，各個測試點的電流分辨率優于1.0 mA，輸出勵磁電源可實現0.015 0 A、0.500 0 A、1.000 0 A范圍輸出，分辨率優于0.5 mA。

表2 PPCU與模擬負載聯試結果Tab.2 The results of test PPCU with load simulator

不同工況點陽極電流、勵磁電流與推力的對應關系如圖2所示，整個調節過程中中和器觸持電流、主陰極觸持電流、屏柵電壓、加速電壓保持恒定。從圖2（a）（b）可以看出，PPCU在各工況點與推力器匹配良好，陽極電流、勵磁電流可實現1.0～20.0 mN工況點的大范圍調節。

圖2 不同工況點推力調節結果Fig.2 The result of thrust adjustment at different operating points

圖2（b）為在1.0～20.0 mN調節推力，當推力變化較大時，存在“下凹”情況，主要原因是推力從小到大調節時，須先調節陽極流量，再調節陽極電流到推力對應值，最后通過勵磁電流進行精細調節，當陽極流量增大，未調節電參數時，放電室中的離子比例降低，引出束流減小，推力減小，從圖2（d）陽極電壓的變化中也可以證明該現象。當將陽極電流、勵磁電流調節到位時，陽極電壓恢復至期望值。圖2（c）表明，調節時中和器觸持電流、主陰極觸電流保持恒定，而圖2（d）中電壓隨著推力的增大而減小，表明調節過程中中和器和主陰極中的等離子體負載隨著陽極流量的增大而減小。

圖3（a）為20.0 mN工況點處陽極電流不變，勵磁電流按照0.50 mA分辨率調節結果，圖3（b）為對應的推力變化情況。在20.0 mN工況點增大勵磁電流時，推力呈先減小后增大趨勢。離子推力器采用氙工質的最大離子束電流密度J計算公式為：

圖3 勵磁電流和陽極電流分辨率測試結果Fig.3 The results of magnet current and anode current resolution

式中：VT為屏柵極和加速柵極電壓絕對值之和；lg為熱態柵間距；ts為柵極厚度；ds為柵極小孔直徑。

20.0 mN工況點為推力器發熱量最大的點，調節勵磁電流時推力器未達到熱平衡，導致柵間距lg逐漸增大，使離子束電流密度降低，進而使推力減小；隨著勵磁電流的增大，推力器內部磁場變強，工質利用率增大，逐漸抵消柵極距變化的影響，推力隨之增大。

圖3（c）為20.0 mN工況點處陽極電流不變，勵磁電流按照0.50 mA分辨率調節結果，圖3（d）為對應的推力變化情況。對比陽極電流和勵磁電流測試結果：勵磁電流設定值與采集值吻合良好，陽極電流設定值與采集值存在固定差值，主要原因是陽極電源采集電路介入等離子體負載時受到干擾影響，導致設定值與采集值存在固定差值；而勵磁電源負載為阻性負載，不存在該現象。

表3為不同工況點陽極電流和勵磁電流分辨率計算結果。采用式（5）計算分辨率Re：

式中：m為測量次數；N為每次測量的數據長度；Ai為測量值；mmedium為m次結果的中位數。

計算結果表明：陽極電流分辨率可達1.0 mA，勵磁電流分辨率可達0.50 mA。在1～20.0 mN各工況點處，通過陽極電流、勵磁電流的調節可使推力分辨率優于15 μN。

表3 不同推力設定值下PPCU陽極電流和勵磁電流分辨率測試結果Tab.3 The results of PPCU anode current and magnet current resolution at different thrust settings

綜合上述分析，PPCU關鍵電源指標——屏柵電壓實測輸出為1 200.76～1 201.35 V，穩定度和準確度優于0.1%，帶載能力覆蓋1.0～20.0 mN（束電流18.0～367.0 mA）需求；陽極電流可實現0.100 0～3.000 A，分辨率為1.0 mA的調節要求；勵磁電流可實現0.015 0～1.000 0 A，分辨率為0.5 mA高精度寬范圍調節。試驗驗證結果顯示，指標體系的建立與電源的設計方案能夠滿足任務需求。

4 結論

本文針對高精度寬范圍離子推力器的推力調節應用需求，分析了配套PPCU的關鍵電源指標要求，設計了實施方案，并對電源原理樣機的輸出性能和與推力器的匹配性進行了實際驗證測試，得到以下結論：

（1）PPCU陽極、勵磁、屏柵關鍵電源的指標滿足要求，與推力器實際聯試可實現推力1.0～20 mN，分辨率優于15 μN的推力寬范圍高精度調節，表明了測試驗證方法的有效性；

（2）根據指標體系建立過程確定的PPCU關鍵指標，能夠達到最終期望的推力范圍和推力精度，表明該指標體系建立方法的合理性；

（3）通過陽極流量、陽極電流、勵磁電流三個參數的配合，可以實現寬范圍高精度的推力調節，證明了所制定的推力調節策略的有效性。

后續研究中，將根據LIPS-100離子推力器的推力調節特性，開展氙氣供給單元的研制，通過建立數學分析模型，設計控制算法，實現PPCU與推力器的高精度寬范圍推力閉環控制。