空心陰極與霍爾推力器放電振蕩關系實驗研究①

謝 侃，衣曉龍，梁福文，田 豐，苗 龍，王寧飛

(北京理工大學 宇航學院，北京 100081)

0 引言

霍爾推力器作為一種應用較為成熟的電推力器，廣泛應用于航天器的位置保持、軌道轉移以及姿態調整。其中，小功率霍爾推力器以其推功比大、系統簡單可靠、體積小等優勢在低軌互聯網衛星以及小型化衛星平臺等領域展現出較大的競爭力，成為研究的熱點。

空心陰極作為霍爾推力器的重要部件，主要用于產生電子電離氣體工質，以及中和從霍爾推力器放電通道出口噴出的羽流，使其保持電中性?？招年帢O與霍爾推力器之間的耦合一直是研究熱點問題，TILLEY等在1999年對這一問題進行了研究，針對空心陰極放電與霍爾推力器等離子體之間的耦合，從空心陰極的位置、安裝角度、質量流量等方面研究了優化推力器性能的方法，得到了提高推力器性能的空心陰極最佳位置和工況。SOMMERVILLE等的實驗研究發現，陰極耦合電壓與推力器性能受空心陰極徑向和軸向位置以及磁場強度影響，當空心陰極位于霍爾推力器磁場的磁分界面以內時，推力器性能更優。丁永杰等通過采用“凸形”外磁極結構，研究了空心陰極與磁分界面的位置關系對霍爾推力器性能的影響，得到了相似的結果。HOFER、MCDONALD等研究了內置和外置的空心陰極對霍爾推力器性能的影響，發現內置的空心陰極有利于改善空心陰極羽流和霍爾推力器放電之間的耦合，在減小羽流發散的同時增強羽流的對稱性，提高推力器的效率。KAMHAWI等研究了空心陰極流量百分比和位置對大功率霍爾推力器性能的影響，研究發現，當空心陰極處于額定狀態時，降低和增加陰極流量百分比均會導致放電電流振蕩略有增加。WALKER等在研究空心陰極位置對霍爾推力器放電的影響過程中發現，徑向方向增大空心陰極與霍爾推力器軸線之間的距離，可以降低放電電流振蕩頻率。

總體來講，此前對空心陰極與霍爾推力器的耦合研究主要包括以下幾個方面：(1)空心陰極安裝位置對霍爾推力器性能的影響；(2)空心陰極的工作參數(包括工質流量、放電電流、加熱電流等)對霍爾推力器性能的影響；(3)空心陰極與霍爾推力器磁場的相對位置對霍爾推力器性能的影響；(4)空心陰極的工作參數對耦合電壓的影響；(5)空心陰極等離子體橋區與霍爾推力器放電耦合的相關研究。

以上研究大多是關于穩態方面的耦合和中高功率霍爾推力器的研究，對小功率霍爾推力器的研究以及在空心陰極與小功率霍爾推力器放電振蕩方面的耦合研究不足。霍爾推力器在工作中出現的放電振蕩現象不僅會影響霍爾推力器的性能和壽命，而且會對霍爾推力器的電源處理單元以及推力器在衛星上的實際應用造成影響，如對電源的設計造成限制、高頻或超高頻振蕩引起的電磁干擾影響衛星或深空探測器的通訊等。目前，哈爾濱工業大學、斯坦福大學、東京大學、密西根大學、波蘭大學等科研機構，已經發現了不同類型的振蕩現象，包括低頻振蕩、高頻振蕩以及耦合振蕩等。通過振蕩理論模型的建立、仿真模擬以及推力器等離子體羽流的診斷，研究放電振蕩產生的原因、影響振蕩的因素、振蕩對推力器性能的影響以及抑制振蕩的方法。但在上述研究中，一般認為空心陰極是穩定的，很少考慮空心陰極放電振蕩帶來的影響。單獨空心陰極的放電也存在振蕩現象，主要有電源因素的低頻振蕩、電離不穩定振蕩以及高頻振蕩。在空心陰極振蕩的研究中，主要考察的是平板型或圓筒型陽極，對實際霍爾推力器陽極的影響及相互耦合關系研究較少。而空心陰極振蕩的影響可能是造成霍爾推力器陽極振蕩的重要因素之一。

本文以小功率霍爾推力器為研究對象，在不同陽極流量和兩種放電通道的磁感應強度下進行了變工況實驗，采用快速傅里葉變換對空心陰極、陽極放電特性及特征頻率進行分析，通過對單獨空心陰極放電振蕩實驗以及空心陰極-霍爾推力器陽極耦合放電實驗對比，研究了空心陰極與霍爾推力器的放電振蕩耦合。

1 實驗系統及測量方法

1.1 霍爾推力器與空心陰極

實驗中使用了100 W功率量級的小功率霍爾推力器，其外徑為90 mm。小功率霍爾推力器結構尺寸小，安裝空間有限，電磁線圈發熱會使熱通量較大，可能導致絕緣失效等問題。因此，實驗中采用了兩套永磁體來產生所需的磁場。圖1展示了放電通道在兩套永磁體下的徑向磁場結構，由特斯拉計測量數據點后繪圖得出。圖2為放電通道中心線的徑向磁感應強度。從圖2中可以看出，磁場具有凸向陽極的結構，且磁感應強度從陽極到放電通道出口呈正梯度。最大磁感應強度位置在放電通道出口處，符合霍爾推力器磁場設計的一般準則。兩種磁場在下文中分別稱為磁場(a)和磁場(b)，其基本的結構大致相同，不同之處在于放電通道中心線的徑向磁感應強度。磁場(a)的放電通道中心線最大徑向磁感應強度為526.4 G，磁場(b)的放電通道中心線最大徑向磁感應強度為625.2 G。

1.2 真空系統

實驗中使用的真空艙為圓柱形，艙體的材料為不銹鋼，直徑為1.8 m，包含艙門部分及抽氣管道后長度為4 m。真空艙配有2臺機械泵、1臺羅茨泵以及1臺油擴散泵。通入氙氣時，真空艙內的真空度在10Pa量級，并保持動態平衡。真空泵組與艙體在同一個實驗間，由PLC編程的控制柜控制。泵組由室外的冷卻水塔進行冷卻。

1.3 實驗內容和測量設備

本文主要研究空心陰極與霍爾推力器之間的放電振蕩關系，為此設計了兩個實驗，即空心陰極單獨工作實驗和空心陰極與霍爾推力器聯合工作的實驗。兩個實驗共用一套真空系統。

空心陰極與霍爾推力器在工作過程中都存在不穩定現象，為研究它們之間的關系，設計了空心陰極單獨實驗，在沒有霍爾推力器的條件下，觀察空心陰極的放電振蕩特性，以作為霍爾推力器和空心陰極聯合工作實驗的對照。實驗裝置的示意圖如圖3所示。

圖1 磁場構型Fig.1 Magnetic field configuration

圖2 放電通道中心軸線的徑向磁感應強度Fig.2 Radial magnetic induction of center axis of discharge channel

圖3 空心陰極單獨實驗結構圖Fig.3 Schematic diagram of separate experiment of hollow cathode

在空心陰極工作過程中，使用金屬平板作為陽極。金屬平板陽極的形狀為圓形，直徑為21 cm，由不銹鋼切割而成?？招年帢O觸持極頂部與陽極板之間的距離為5 cm。實驗中，陽極電流變化范圍為0.5～1.5 A，調節步長為0.1 A。利用示波器實時監測觸持電流。

圖4是空心陰極與霍爾推力器聯合實驗的實驗裝置示意圖。圖4中，霍爾推力器以截面圖的形式表示?？招年帢O放置在其軸線與霍爾推力器軸線垂直的位置，觸持與霍爾推力器軸線之間的距離是5 cm，空心陰極軸線與霍爾推力器出口平面之間的距離是2 cm。實驗中，保持空心陰極與霍爾推力器相對位置不變，固定空心陰極的流量，在改變陽極流量和陽極電流的同時，利用示波器以及電壓、電流探頭實時監測和記錄空心陰極的觸持電壓、觸持電流以及霍爾推力器的陽極電壓、陽極電流。霍爾推力器陽極流量變化范圍為4～12 sccm，調節步長為1 sccm。在每個陽極流量下，陽極電流從0.5 A，以0.1 A為步長，最大增加到1.5 A。在不同的陽極流量之下，霍爾推力器正常工作能達到的最大陽極電流不同，故不同陽極流量下所能調整的陽極電流最大值也不同。

圖4 空心陰極與霍爾推力器聯合實驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of joint experimental device of hollow cathode and Hall thruster

在空心陰極單獨實驗以及空心陰極與霍爾推力器聯合實驗中，空心陰極和霍爾推力器均采用高純度氙氣(純度為99.999%)作為工質，其流量由熱式流量計控制。同時，空心陰極工作時，觸持均保持打開，且恒流1.5 A供電，以避免由于工況的轉換而導致發射電流過小造成陰極熄火現象的出現，空心陰極流量均設置為6 sccm。

2 結果與討論

2.1 空心陰極單獨實驗結果

圖5展示了空心陰極單獨實驗中在不同的陽極電流下觸持電流去掉其平均值后快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform-FFT)的結果。圖5中，為陽極電流值?？梢钥闯?，當陽極電流從0.5 A增加到1.2 A時，振蕩幅度首先呈增大的趨勢，當陽極電流達到1.2 A時，振蕩幅度有所降低，但整個過程振蕩頻率僅有小幅度增長。這表明當陽極電流發生變化時，金屬平板的存在對空心陰極的觸持電流振蕩頻率沒有顯著影響。

(a)Ia=0.5 A (b)Ia=0.7 A

(c)Ia=0.9 A (d)Ia=1.0 A

(e)Ia=1.1 A (f)Ia=1.2 A圖5 空心陰極單獨實驗結果Fig.5 Separate experiment results of hollow cathode

2.2 空心陰極與霍爾推力器聯合工作結果

圖6為空心陰極與霍爾推力器聯合實驗中，不同磁場和陽極電流條件下霍爾推力器陽極電流和電壓之間的關系。圖6中，實線表示磁場(a)下的結果，虛線表示磁場(b)下的結果。曲線的不同符號代表不同的陽極流量。從圖6中可以得到，在每一個工況下，霍爾推力器的電壓隨著電流的增大而增大，但隨著陽極流量的增大，電壓隨著電流增大的速率逐漸減緩。當陽極電流相同時，霍爾推力器的陽極流量越大，對應的放電電壓越小，說明適當增大陽極流量，可以有效降低霍爾推力器的放電功率。當衛星上為推力器預留的功率有限時，增大流量不失為一種有效降低功率的方法，但這也增加了工質的成本。另外，在相同的陽極流量和陽極電流下，放電通道中心線最大徑向磁感應強度越大，放電電壓越大。

圖6 電壓-電流曲線Fig.6 Voltage-current curves

磁場的磁感應強度的增加提高了對電子的約束作用，同時也提高了霍爾推力器正常工作所需要達到的電壓。

圖7和圖8展示了兩種磁場下陽極電流振蕩和觸持電流振蕩的比較。圖7為磁場(a)下的結果，圖8為磁場(b)下的結果。此時霍爾推力器的陽極流量為9 sccm，陽極電流分別為0.5、0.7、0.9、1.0、1.1、1.2 A，在圖中用表示?？招年帢O觸持打開且電流設置為1.5 A，空心陰極的流量為6 sccm。

圖7 磁場(a)下陽極電流與觸持電流FFT結果對比Fig.7 Comparison of FFT results of anode current and keeper current under magnetic field (a)

圖8 磁場(b)下陽極電流與觸持電流FFT結果對比Fig.8 Comparison of FFT results of anode current and keeper current for magnetic field (b)

從圖7和圖8中觸持電流振蕩和霍爾推力器陽極電流振蕩的縱向比較可看出，空心陰極觸持電流振蕩和霍爾推力器陽極電流振蕩是同步的。隨著陽極電流增大，觸持電流振蕩和霍爾推力器陽極電流振蕩在幅值和頻率上呈現相同趨勢，兩者具有相同的放電振蕩頻譜。陽極電流增大到臨界值時，空心陰極觸持電流和霍爾推力器陽極電流的振蕩頻譜發生突變。

圖9和圖10是霍爾推力器在兩種磁場下陽極電流和空心陰極觸持電流的橫向比較。從圖9(a)和圖10(a)陽極電流的實驗結果中可以發現，當陽極電流從0.5 A開始增大時，其振蕩幅度開始增大，當陽極電流為0.9 A時，振蕩幅度達到最大值。然后，隨著陽極電流增大而減小。但在整個陽極電流增大的過程中，振蕩的主頻始終保持逐漸升高的趨勢。同時，圖9(b)和圖10(b)觸持電流的實驗結果中也可以發現同樣的變化，隨著陽極電流的增大，觸持電流振蕩幅度增大，振蕩的主頻逐漸升高，當陽極電流增大到一定程度時，振蕩的幅度開始下降，而振蕩的頻率向高頻的方向擴展。另外，從圖9和圖10中可以發現，當陽極電流為0.9 A和1.0 A時，陽極電流的振蕩主頻率數量有所增加，而當陽極電流繼續增大時，增加的主頻率消失。在觸持電流的結果中，同樣發現了主頻率增加后隨著陽極電流的增大而消失的現象。

(a)Anode current (b)Keeper current圖9 磁場構型(a)下陽極電流和觸持電流FFT結果Fig.9 FFT results of anode current and keeper current under magnetic field configuration (a)

(a)Anode current (b)Keeper current圖10 磁場(b)下陽極電流和觸持電流FFT結果Fig.10 FFT results of anode current and keeper current under magnetic field configuration (b)

圖11為空心陰極單獨實驗和空心陰極與霍爾推力器聯合實驗條件下空心陰極觸持電流振蕩主頻率的比較。從圖11中可看出，空心陰極單獨實驗時，觸持電流振蕩的兩個主頻率雖然隨電流的增大呈增加的趨勢，但增加很小，與空心陰極與霍爾推力器聯合實驗的結果相比，單獨實驗結果曲線已經接近水平線，增幅可以忽略。因此，通過實驗結果的比較可以得到，當金屬平板作為空心陰極的陽極時，隨著陽極電流的增加，空心陰極觸持電流振蕩頻率變化幅度非常小。而當空心陰極與霍爾推力器聯合工作時，隨著陽極電流的增加，空心陰極觸持電流與霍爾推力器陽極電流的振蕩頻率持續向更高的頻率擴展，且頻率變化較大。當霍爾推力器的陽極電流超過臨界值時，與單獨空心陰極的固有振蕩頻譜對比，空心陰極的放電振蕩頻譜發生了變化，表明陽極又可反過來影響空心陰極的放電振蕩，兩者的放電振蕩相互耦合。

圖11 觸持電流振蕩主頻率比較Fig.11 Comparison of main frequency of keeper current oscillation

3 結論

(1)在相同的磁場下，隨著霍爾推力器陽極工質流量的增加，陽極電壓隨陽極電流上升的速率降低。當霍爾推力器工質流量和陽極電流相同時，放電通道中心線最大徑向磁感應強度越高，對應的陽極電壓越高。

(2)在實驗過程中，隨著霍爾推力器陽極電流的增大，空心陰極觸持振蕩和霍爾推力器陽極振蕩同步變化，振蕩頻率升高，振蕩幅度先升高、后降低。

(3)空心陰極觸持的振蕩與霍爾推力器的振蕩可相互耦合。在陽極電流增大的過程中，以金屬平板作為陽極時，空心陰極觸持電流的振蕩頻率并未發生明顯的改變，而與霍爾推力器聯合工作時，其振蕩頻率向更高的頻率擴展。在陽極電流增大的過程中，存在一個臨界電流，當霍爾推力器的陽極電流達到臨界電流時，空心陰極與霍爾推力器的振蕩模式都會發生改變。