10 cm發散磁場離子推力器地面試驗驗證研究

孫明明，耿 海，何 非，楊福全，胡 竟，丁國宗

（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）

0 引言

發散磁場離子推力器即Kaufman型離子推力器，是目前國際上主流的離子推力器類型之一，其特點是陰極磁極與放電室上游磁極之間形成具有強發散特征的軸向磁場，可以保護位于放電室壁面附近的圓柱筒形陽極[1-3]。在發散磁場離子推力器的放電過程中，電子向陽極壁面的運動過程由受軸向磁場梯度影響的遷移-擴散過程所決定。正是基于上述放電特性，可通過推進劑供給量和陽極電流的調節及電磁鐵電流的閉環調節來調整發散磁場離子推力器軸向磁場的發散特性即梯度，實現通過影響放電室內部等離子體密度，連續控制推力大小的目的。

發散磁場離子推力器具有推力連續可調、高精度及推力閉環控制的特點，主要用于對推力連續性有需求的航天器。代表產品如英國QinetiQ公司研制的T5發散磁場離子推力器[4]，口徑為10 cm，可產生1~21 mN的連續可調推力，推力控制精度為±10μN。2009年T5離子推力器搭載歐空局（ESA）的全球引力及海洋環流探測（GOCE）超低軌衛星入軌，開展大氣阻尼（該軌道的大氣密度為2.37×10-11~2.08×10-10kg/m3，大氣阻力與大氣密度成正比且相差一個量級）補償工作[5-7]，其中T5推力器在18 mN工況點（在軌主工況點）的束流為0.329 A，比沖和總效率分別為3 200 s和55%。基于T5推力器的出色工作性能（前期開展了大量放電性能優化工作），GOCE衛星任務周期從原計劃的2.5年擴展到4年，成功測繪到目前最高精度的地球引力場分布。2006年日本航天局（JAXA）發射的ETS-VIII衛星搭載三菱公司研制的12 cm口徑Kaufman型離子推力器進行衛星的南北位置保持[8-10]。該推力器的推力調節范圍為20.9~23.2 mN，總效率為45.6%~49.7%，比沖為2 402~2 665 s。在工程研制階段，JAXA對推力器進行了多輪放電過程優化以提升其性能。2019年我國啟動了超低軌道監測衛星的研制任務（計劃于2022年發射），并選擇蘭州空間技術物理研究所研制的10 cm口徑發散磁場離子推力器[11-12]，以抵消超低軌道（高度為200～350 km）大氣阻尼的影響。該推力器的推力調節范圍為1~25 mN，推力分辨率為±10μN，在軌主工況點為20 mN，目前推力器初樣產品研制已基本結束。離子推力器產品在交付前，須完成包括鑒定級、驗收級等一系列地面試驗驗證，以考核產品的性能、工作穩定性和環境適應能力等，以此作為評價其能否完成在軌任務的重要標準。

本文主要介紹蘭州空間技術物理研究所研制的10 cm口徑發散磁場離子推力器的地面試驗驗證情況，分析試驗過程中推力器性能參數的變化并給出試驗評價結論。

1 推力器結構及工作參數

10 cm口徑發散磁場離子推力器外形如圖1所示，推力器主體結構為圓柱形，由安裝環隔成前后兩段，前段為放電室，后段用于布置供氣管路及供電電纜。圖2為推力器放電室結構示意圖。放電室由6根按照60°角均布的螺線管電磁鐵組件固定，起到中心承力的作用，以提高推力器的結構強度和穩定性。陰極位于放電室幾何中心并提供放電所需的初級電子。在發散磁場構型下，為使陰極發射的初級電子受到磁場強約束并向最佳放電區域擴散，以提高電離率、改善束流均勻性，參考英國T5離子推力器設計[10]，在下游磁極端面增加陰極擋板，以控制陰極發射電子的分布（陰極擋板和主陰極為同一電位，幾乎不會造成電子損失）。陽極為筒狀結構，距離放電室壁面約7 mm，上游磁極為電磁鐵的延伸段，沿磁極方向并深入放電室約10 mm，與放電室壁面呈40°夾角。離子光學系統為雙柵極、凹面柵極結構，可以降低熱形變對柵極性能的影響。

圖1 10 cm離子推力器外形圖Fig.1 Outline of 10 cm diameter ion thruster

圖2 推力器放電室結構示意圖Fig.2 Structure of the discharge chamber

推力器在20 mN主工況點（束流及陽極電流額定值分別為0.376 mA和3.1 A）的電氣參數如表1所列，其中屏柵電勢為放電室內部的電勢參考點，上游和下游磁極與陰極擋板的電勢均與屏柵電勢相同，主陰極觸持極和陽極電勢相對屏柵電勢分別高12 V和35 V，根據推力器供電關系，推力器整體電勢參考點為中和器觸持回線電勢。

表1 10 cm推力器在20 mN工況點的工作參數Tab.1 Parameters of 10 cm diameter ion thruster under 20 mN working point

2 試驗裝置及測試方法

10 cm口徑離子推力器的地面測試試驗在蘭州空間技術物理研究所的TS-6S設備上完成，該設備專用于500 W以內的小功率電推進系統性能測試試驗。設備尺寸為D1.5 m×4 m，配置的低溫抽氣系統可保證設備的極限壓力低于5×10-5Pa，當氣體流量為15 cm3/min時，工作壓力低于4×10-4Pa。設備主艙底部安裝有百葉窗型鈦合金防濺射靶，以防止高能粒子對設備壁面的直接轟擊。TS-6S設備如圖3所示。

圖3 TS-6S離子推力器地面真空試驗測試設備Fig.3 TS-6S Vacuum facility for ground test of ion thruster

推力器供電電源包括主陰極和中和器的加熱以及點火電源、主陰極和中和器的觸持電源、陽極電源、屏柵電源、加速柵電源和勵磁線圈電源共計9組電源。除點火電源為12 V開關信號控制的定制脈沖電源外（脈沖電壓900～1 100 V），其余電源均為電壓、電流精確調節的可編程直流電源，電源精度為±0.1%。推力器供氣系統包括主陰極、中和器和陽極三路，采用ALICAT流量計調節和控制供氣流量，范圍為0~5 cm3/min，可覆蓋10 cm離子推力器1~25 mN工況點的所有供氣需求，供氣精度為±1%。試驗過程中進行推力器工況調節時，首先調節對應工況的陽極供氣，待供氣穩定后調節陽極電流，最后調節勵磁電流，以實現對應工況額定參數的粗調和閉環調節。

采用電參數測量法測量離子推力器的推力，即利用推力器在不同工況下的電參數，結合束流發散角和雙荷離子比例的測量結果對推力進行修正。采用法拉第探針陣列測量束流發散角，如圖4所示。法拉第探針陣列被安裝于D 1 m的圓環形支撐機構上，支撐機構上有4根過圓心與直徑等長的探針安裝桿，每根安裝桿裝有20只法拉第探針。測量時，離子推力器前外殼距離法拉第陣列500 mm。測試方法為在要求工況點的束流范圍內穩定5 min后開始測量，每種工況下測3次，之后根據測量結果分別計算每次的束流發散角和推力偏角，取3次測量的平均值作為最終結果。

圖4 用法拉第探針陣列測量束流發散角Fig.4 Measurement of beam divergence angle with Faraday probe array

采用E×B探針測量雙荷離子比例。試驗所用E×B探針掃描電壓范圍為0～500 V，探針內部磁場由扁平型鐵氧體永磁鐵產生，磁感應強度為0.16 T。

環境試驗前后分別進行1~25 mN內共計25個工況點（步長為1 mN）的寬范圍性能調節測試（各工況點分別引束流工作3 min）、推力分辨率測試和短期考核驗證（3、8、10、20 mN四種工況下各工作3 h）。短期考核試驗是測試推力器在較長時間內的工作穩定性，同時也是對在軌固定周期內的推力器最長連續工作時間的驗證。完成短期考核驗證后，推力器出艙并進行環境試驗。

環境試驗包括力學試驗和熱真空試驗，主要目的是模擬星載產品在火箭發射時經受的各類振動（正弦、隨機和沖擊等）以及在軌高低溫變化（太陽輻射引起的溫度變化）。圖5為安裝在專用力學試驗臺上，準備開展正弦、隨機和沖擊試驗的推力器。其他測量儀器包括高斯計、示波器，絕緣測試儀等。

圖5 安裝就緒準備進行力學試驗的推力器Fig.5 The thruster for mechanical testing

3 試驗結果及討論

2021年6月，蘭州空間技術物理研究所對10 cm口徑離子推力器進行了鑒定級測試，試驗過程為（力學試驗前）性能測試、力學試驗、（力學試驗后）性能測試、熱真空試驗、（熱真空試驗后）性能測試、推力特性測試。其中，力學試驗和熱真空試驗均屬于環境適應性驗證，環境試驗前后的性能測試主要是對推力器的性能變化進行驗證和分析。推力特性測試包括推力、束流發散角（束流全角要求小于等于30°）、偏角測量（束流偏角要求小于等于1°）和二價離子比例測量，主要對推力器的推力特性、羽流特性進行針對性測試，以獲得推力修正參數和實測推力等。

寬范圍調節測試結果如圖6所示，圖中的X和Y分別為工況點和與之對應的性能參數值。圖6（a）（b）和（c）分別為25個工況點的比沖、推力和功率計算值，其中20 mN主工況點的推力值為19.92 mN，功率為577.3 W，比沖為3 077 s。在寬范圍性能調節試驗中，供氣量和陽極電流調節為粗調，最終通過精確調節勵磁電流來確保束流值在要求的范圍內（即束流閉環特性），這是發散場推力器不同于環形會切場推力器的最大特點。

圖6 工況點寬范圍調節過程離子推力器性能測試結果Fig.6 Performance test rezults of the 10 cm diameter ion thruster during operating conditions point wide range adjustment

從圖6（a）看出，由于比沖Is主要由供氣量m?和推力值F決定，即Is=F/m?g（g為重力加速度），因而，在推力線性變化的條件下，各工況點供氣量的不同造成比沖均不相同。如圖6（b）所示，1~25 mN工況點的推力變化呈現出較好的線性特征。雖然各點的陽極電流和勵磁電流不相同，但功率變化基本都呈線性，如圖6（c）所示。

在離子推力器的推力分辨率測試過程中，針對1、3、5、8 mN工況，在額定的陽極電流和勵磁電流下引束流工作5 min后，用1 mA步長上調勵磁電流。當束流在額定基礎上分別增加1、2、3 mA時（陽極電流、供氣等均保持不變），對應的推力值為50μN。依此方法，下調勵磁電流，當束流在額定值上減少1、2、3 mA時，即達到推力要求的分辨率。對于10、15、20、25 mN工況，束流在額定基礎上分別增加和減少2、4、6 mA時，對應的推力值為100μN，達到推力在10~25 mN范圍內的分辨率要求。試驗過程中，所有工況點均順利調節出束流在額定值基礎上的步長變化，滿足推力分辨率要求。

力學試驗結果顯示，推力器三個正交方向的基頻分別為601、583、736 Hz，均滿足星載產品（質量為1~10 kg）基頻大于150 Hz的要求。經過1 600g量級的沖擊試驗后，推力器無變形，柵極無破損、標準件無松動。力學試驗前后，進行了3、8、10、20 mN四個工況的各180 min短期考核驗證，得到推力器的性能參數比對結果，如表2和表3所列，可以看出，試驗前后推力器性能無明顯變化。

表2 力學試驗前的性能參數Tab.2 Performance parameters before mechanical test

表3 力學試驗后的性能參數Tab.3 Performance parameters after mechanical test

由于磁場分布對發散場離子推力器的性能具有重要影響，因此試驗前后的磁場性能變化同樣是需重點關注的參數之一。10 cm離子推力器發散磁場采用電磁鐵，下游和上游磁極所用磁芯均為4J29導磁材料，用勵磁線圈繞制而成，區別主要在于線圈匝數不同。環境試驗前后，推力器置于測量工裝上，在僅對勵磁線圈通電后，采用高斯計在距離下游磁極和上游磁極1 mm處（磁極端面垂直方向），測得上述兩處位置的磁感應強度分別為6.2×10-3、6.4×10-3T和3.5×10-3、3.2×10-3T，變化均很小，可以認為，環境對推力器磁場的影響可忽略不計。

對10 cm離子推力器進行了共計25.5次循環的熱真空試驗，溫度變化范圍為-90~120℃。在25.5次循環首、末兩次的高溫和低溫端分別進行1、5、25、20 mN工況點的啟動，驗證推力器在高溫和低溫環境下的啟動能力。中間所有循環的高溫和低溫端只進行20 mN工況的啟動，并在啟動成功后持續點火4 h，以模擬推力器在軌運行周期內單次點火時長。圖7為熱真空試驗前后不同工況點推力器的性能測試結果。

圖7 熱真空試驗前后不同工況點推力器的性能測試結果Fig.7 Performance test results of the ion thruster at different operating condition point before and after the thermal vacuum test

從圖7（a）（b）和（c）所示結果來看，推力器熱真空前、后的比沖、推力和功率均無明顯變化。熱真空試驗后部分工況點的功率值略低于熱真空試驗前，這是由于環境溫度的改變對推力器柵極間距的微小影響所致。從試驗前后的柵極間距測量結果來看，試驗后的屏柵-加速柵間距為0.55~0.57 mm，試驗前為0.57~0.59 mm，與Goebel等[13]的研究結論一致，即柵極引出的束流密度與柵間距成反比，柵極間距變小導致引出離子數增多，陽極電流隨之減小，因此放電室功率降低。

采用法拉第探針陣列測得的10 cm離子推力器在90%束流條件下的發散角及推力偏角多次測試平均值如表4所列。

表4 不同工況下推力器束流發散角及推力偏角測量結果Tab.4 Divergence angle and thrust deflection angle of the ion thruster at different operating condition point

從測試結果來看，所有工況點的束流發散角（全角）均小于30°，推力偏斜角度（推力矢量與安裝面軸線的偏角）不超過1°。

推力器的電參數計算方法基于等離子體中離子類型均為一價Xe離子的預設條件，而推力器束流中實際含有大量二價Xe離子，因此，須對束流測量值進行一價和二價離子比例修正，該值才具有高的可信度。圖8為推力器處于穩態工作時的引束流狀態。可以看出，在凹面柵的影響下，羽流區束流呈現明顯的先聚焦后發散特點，說明發散場推力器在羽流近場區域具有更高的推力密度。圖9為推力器在20 mN工況下，采用E×B探針，在1~300 V掃描電壓下測得的一價和二價Xe離子的分布特性。圖中橫坐標是E×B探針加載的掃描電壓，用來在探針內部形成靜電場，當（一價或二價）帶電離子進入探測區后，在電場作用下發生偏轉，由于帶電量不同離子的偏轉距離不同，由此可分辨出不同帶電粒子的電流值。由圖9可見，一價Xe離子電流波峰為37.26μA，1/2峰寬為23.15 V，二價Xe離子電流波峰為10.05μA，1/2峰寬為13.99 V。采用三角擬合法[14]將不同價態的離子電流以三角形面積，即波峰與1/2峰寬的乘積表示，由此計算得到二價和一價離子比例為16.3%，二價離子占總束流離子比例為14.1%。扣除二價離子占比后，得到20 mN工況下的一價離子束流為0.323 mA。同理，得到1、3、15 mN工況下的二價離子占總束流離子比例分別為6.2%、7.3%和9.7%。

圖8 穩態工作下的束流引出Fig.8 Ion beam extraction under steady operation

圖9 一價、二價離子比例測試結果Fig.9 Monovalent and divalent ions ratio test results

獲得推力器電參數和推力修正系數后，采用電參數測量法進行推力計算，推力修正系數γ表述為：

式中：Kα和Kβ分別為推力的束流發散角和二價離子比例修正系數。

Goebel等[13]給出了相應的計算公式。修正后推力FC的計算公式為：

式中：Ib和Vb分別為推力器束流和屏柵電壓。

根據式（1）和式（2），計算得到Kα、Kβ和γ，如表5所列。可以看出，推力修正系數γ的計算工況覆蓋了最低工況點1 mN和主工況點20 mN，γ值在0.951~0.954范圍內，取平均值0.952 7作為1~20 mN工況的推力修正系數γ值，計算得到γ誤差在0.2%左右。

表5 推力修正系數Tab.5 Thrust correction factors

根據測量儀器自身精度及誤差，二價離子比例的測量誤差為5%，Kβ的誤差約為0.5%；束流發散角的測試誤差約為5%，Kα的誤差約為0.1%；束流Ib和束電壓Vb的測量誤差均為0.1%，γ的誤差在0.2%左右，得到電參數法的推力整體測量誤差為0.95%。

采用電參數測量法分別測量工況為1、3、5、8、10、15、20 mN工況點的推力，每個工況下計算推力值三次并取平均值，測試結果如表6所列。可以看出，計算得到的推力值能夠真實反映實際推力。

表6 基于電參數法的推力測量結果Tab.6 Thrust measurement results based on electrical parameters methods

4 結論

本文介紹了我國研制的10 cm口徑發散磁場離子推力器的地面試驗驗證情況，給出試驗測試結果并進行了誤差分析，結果表明：國產10 cm口徑離子推力器三個正交方向的基頻均滿足星載產品的基頻要求；經過1 600g量級的沖擊試驗后，推力器無變形，柵極無破損、標準件無松動；經過力學試驗以及25.5個循環的熱真空試驗后，推力器的推力、比沖和功耗基本無變化，磁場也無明顯變化；推力器各工況點的束流發散全角均小于30°，推力偏斜角度不超過1°；基于推力電參數測量方法得到的推力值整體誤差為0.95%。地面測試驗證結果證明，目前國產發散磁場離子推力器各項性能參數均可滿足超低軌道監測衛星的任務需求。