高精度霍爾電推進技術的應用與發展研究

劉祺,毛威,胡鵬,魏延明,*,扈延林,李永,邊炳秀,劉旭輝

1.北京控制工程研究所,北京 100190 2.中國空間技術研究院 通信與導航衛星總體部,北京 100094

1 引言

近年來,隨著電推進系統在地球同步軌道(geosynchronous orbit,GEO)衛星、空間站、低軌星座等領域的應用,中國常規電推進已經具有了良好的技術基礎,正在走向成熟。放眼未來,包括高精度導航、超低軌衛星阻力補償、低軌星座精準編隊等在內的空間任務,對現代化衛星平臺精確軌道預測與實時軌道控制能力提出了更高的需求。在現代化全域通信導航的應用背景需求下,“高精度電推進系統”的概念應運而生。高精度電推進系統通過精確控制電推進系統的壓力、流量、電壓、電流、溫度等工作參數,保證輸出系統推力達到高精度、高分辨率、低噪聲和快響應的要求。

建設高精度電推進系統是一項系統工程。電推進系統由多個單元構成,其中與推力精度直接相關的部分是電推力器、流量控制單元與電源控制單元。此外,空間應用環境中極高的真空度和電推力器小推力的特點也進一步為高精度電推進系統的研制增加了難度。為了使電推進系統的推力精度得到顯著提升從而有效提高衛星平臺軌道控制精度,需要將高精度電推力器技術、高精度流量控制技術、高精度電源控制技術以及高精度電推進驗證技術相結合。

在電推力器中,霍爾推力器的結構復雜度較低,對電源的需求也相對簡單,具有較大的推力精度提升潛力。因此,本文以霍爾推進技術為主要研究對象,首先針對高精度電推進技術的空間應用現狀和需求進行調研分析,在此基礎上,從電推力器技術、流量控制技術、電源控制技術以及電推進驗證技術四個方面系統地歸納和梳理高精度電推進系統的研究難點和技術發展思路,對中國高精度電推進技術的未來研究和發展方向進行探討和展望。

2 空間應用現狀和需求分析

衛星的遙感、導航、通信等業務涵蓋了現代生活的各個領域,由多顆衛星構成的衛星星座通過協同工作方式還能夠快速、精準地獲取目標的高精度位置和光譜信息。在新一代導航衛星的規劃中,中國的北斗導航系統、美國的全球定位系統、歐盟的伽利略衛星導航系統均在論證采用電推進替代化學推進的輕量化系統方案;在超低軌道上運行的衛星具有成像分辨率高、通信延遲低以及觀測精度高等諸多優勢,包括歐洲GOCE重力場測量衛星[1-2]和日本的超低軌對地觀測衛星[3-4]在內的空間應用證實了超低軌衛星實時阻力補償技術發展的可行性和巨大潛力;衛星編隊組網能夠彌補單星的功能限制,目前各航天大國已形成GRACE編隊[5-7]、SWARM編隊[8]以及中國實踐9號雙星編隊等衛星的編隊組網;在低軌互聯網通信衛星方面,太空探索公司(SpaceX)[9-10]和一網公司(OneWeb)[11]均采用霍爾電推進系統執行軌道抬升和軌道維持任務,一網公司衛星所使用的SPT-50M霍爾推力器如圖 1(a)所示,北京控制工程研究所研制的300W霍爾推進產品(如圖 1(b))已在銀河航天批量制造的通信試驗星座衛星上成功實現在軌應用。

圖1 低軌互聯網通信衛星應用的霍爾電推進產品Fig.1 Hall thruster products applied on low orbit internet telecommunication satellites

現代衛星對高精度電推進系統的研究和發展需求日益迫切。導航衛星的軌道控制對系統服務連續性、可用性至關重要。如果能夠實現根據推力直接外推軌道,則可以為GEO導航衛星軌道維持期間提供精確的軌道控制和預報,確保軌控期間導航任務連續不中斷。此外,超低軌衛星“實時阻力補償”、低軌高密度星座“精準編隊”、低軌互聯網通信衛星“精確軌道控制”以及高分辨率遙感衛星“動中成像”等任務均需要配備高精度的電推進系統,以實時補償超低軌大氣大幅變化的阻力,確保衛星能夠穩定執行高精度的觀測任務,實現衛星之間嚴格精準編隊,消除現階段推進系統的推力噪聲對衛星成像質量的影響。

為了實現GEO導航衛星自主軌道控制的位置誤差小于1m以及軌道用戶測距誤差小于0.2m的誤差要求,推進系統需要達到優于0.2%的推力精度指標。目前國際上在軌應用的導航衛星多沿用化學推進執行軌道控制,所配置的雙組元10N推進系統的推力精度僅為5%。由于化學推進在執行軌道維持任務時基本處于落壓工作模式,推力隨推進劑的消耗而變化,無法給出精確的推力模型,難以將現有精度提高一個數量級。當前電推進的推力精度也僅達到5%,雖然暫時還無法滿足新一代導航衛星對推力精度的需求,但是對于以氣體工質為推進劑的電場加速型電推力器而言,其推力精確度主要取決于推進劑供給流率的穩定性以及加速電場的穩定性。從機理上分析,通過提升推進劑供給系統的流率控制精度、供電及驅動的精度,可以實現推力精度優于0.2%。

綜上,在未來空間任務對電推進系統的推力精度和推力分辨率提出更高要求的需求牽引下,亟需針對高精度電推進系統的核心物理問題和關鍵技術開展系統深入的研究。

3 關鍵技術的研究現狀與發展方向

高精度電推進系統可輸出高分辨率、高精度、低噪聲的推力,要求電推進系統具備流量、電壓、電流、溫度、氣壓等多參數的精確測量、調節與控制功能。電源處理單元和流量控制單元在控制單元的作用下為電推力器提供電壓和流量輸入,電推力器將電壓和流量轉化為推力和電流輸出,控制單元再根據輸出的推力或電流數據來調節電源和流量參數,實現推力控制目的。此外,控制算法的設計依賴于前期推力器試驗樣機在空間環境模擬設備中的大量推力性能、放電特性等相關試驗和測試驗證數據,建立推力與控制參數(陽極流率和陽極電壓等)之間的關系。因此,本章主要討論高精度電推力器技術、高精度流量控制技術、高精度電源控制技術以及高精度電推進驗證技術。

3.1 高精度霍爾推力器技術

高精度的推力輸出能力要求推力器具有較高的穩定性。根據霍爾推力器的工作過程和原理,推力器工作過程中存在放電振蕩和模式轉換,影響推力的穩定輸出;在推力器工作過程中,空間環境溫度的變化和推力器放電產熱均會影響其工作溫度,引起放電特性和推力輸出特性的改變;在更長的時間尺度上,推力器壁面形貌發生變化也會影響推力輸出值。因此,推力器的放電穩定性、熱穩定性和結構穩定性對于輸出高精度的推力至關重要,下面從這三個方面探討提升推力輸出穩定性的難點和發展思路。

3.1.1 放電穩定性

在推力器工作過程中,當某個放電參數連續變化時,如果相應的推力器工作狀態參數的變化不連續,則認為發生了放電模式的轉換。不同模式的放電穩定性存在差異,具有對應的振蕩、噪聲和功率譜密度分布,因此呈現不同的工作狀態,使得被控對象具有高度的非線性,為推力調控帶來挑戰。反映霍爾推力器工作狀態的參數包括推力和效率等性能、放電電流均值、低頻振蕩幅值以及羽流分布等,這些參數受到放電電壓、勵磁電流、陽極供氣流量、環境和結構因素、沉積污染情況以及推力器溫度等影響。

提升推力器放電穩定性的難點在于放電模式轉換的物理機制復雜,不同放電模式下的放電特性受哪些因素、呈何種規律的影響仍未完全明晰。因此研究的思路是,首先,需要明晰放電模式的轉換機理,掌握各種放電模式的特點和影響因素;其次,在此基礎上通過控制影響因素將推力器的工作狀態調整到理想的放電模式,保證穩定的放電狀態。具體從以下兩個方面入手開展研究。

(1)放電模式研究

研究放電模式的目的是摸清不同放電模式的參數特點以及對應的放電狀態,并從中尋找穩定的狀態,相關參數包括磁場、放電電壓、推進劑流量等。

俄羅斯的研究團隊依據磁場條件劃分了6種放電模式[12],并從中選取了最優的放電模式。從放電模式I到放電模式VI,磁感應強度逐漸增大,放電通道的電導逐漸降低,放電的低頻振蕩呈現先增強、后減弱、再增強的規律,存在放電電流和低頻振蕩幅值都相對小的最優放電模式IV。

密歇根大學團隊也針對磁場條件對放電模式的影響開展了研究,按照電流隨磁場的變化規律,可將其放電模式劃分為全局模式(global mode)和局部模式(local mode),如圖 2所示[13]。在全局模式下,低頻振蕩占主導,并且隨著磁感應強度增強,低頻振蕩比例降低,周向振蕩增強。推力器內存在的兩種振蕩(低頻振蕩和周向振蕩)首次被系統地聯系起來。

圖2 密歇根大學H6霍爾推力器的全局和局部模式[13]Fig.2 Global and local modes of H6 Hall thruster by university of Michigan[13]

美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory,AFRL)分析了低放電電壓條件下電壓和推進劑流量對放電模式的影響。研究發現霍爾推力器在放電電壓100～120V的低電壓范圍內變化時,隨著放電電壓的增大,存在從高放電電流到低放電電流的工作模式跳變現象[14],如圖3所示。高放電電流模式的低頻振蕩幅度較大,且推力-功率比低,不利于推力器高性能穩定工作。通過在近場注入補充流量的方法,能夠提升推力器維持低電流模式工作的概率。

圖3 推力器I-V特性曲線[14]Fig.3 Curves of thruster I-V characteristics[14]

哈爾濱工業大學針對霍爾推力器放電模式轉換問題,研究了預電離率對放電電流低頻振蕩頻率和幅值的影響,結果表明隨著預電離率的提高,振蕩模式由低頻振蕩過渡到混沌模式[15],并根據偽最臨近點法給出了兩種模式的定量判別方法[16]。對于磁聚焦型霍爾推力器,通過增強緩沖腔內的電場或磁感應強度可降低振蕩的幅值。

以上研究表明,霍爾推力器中多放電模式共存,可以通過調控參數使推力器處于最優的放電模式(如圖2中的局部模式和圖3中的低電流模式),即正常放電模式,在該模式下推力器放電振蕩幅度小且推力輸出擾動弱。確保推力器工作在正常放電模式是實現霍爾推力器高精度推力調控的關鍵。

霍爾推力器的放電模式受到多種參數的共同影響,對于結構尺寸或功率等級不同的推力器,參數特點及其調控方法也有所不同。為此,仍需進一步明晰放電模式的轉換機理,尋找正常放電模式的邊界判據,從而保證所建立的高精度推力模型的有效性,為控制系統制定推力調控策略提供關鍵依據。

(2)陰極中置技術

通過改進推力器設計以降低環境和結構因素對放電的干擾,也是提升放電穩定性的重要途徑。由于霍爾推力器依靠空心陰極產生的電子使推進劑電離,因此陰極擺放位置和方向會使電子傳導等物理過程發生變化,可能影響放電穩定性。為此,研究者們針對陰極的安裝位置開展了試驗研究(如圖 4)。美國Busek公司、噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)以及歐空局等研究機構分別研制了陰極中置的霍爾推力器[17]。

圖4 陰極外置和中置的推力器點火圖像[18]Fig.4 Firing images of external and internal placed cathodes[18]

與陰極外置相比,陰極中置的霍爾推力器對中性氣體密度變化的敏感程度低。試驗結果表明,當試驗環境的真空背壓增大時,陰極外置推力器的推力會產生顯著變化,而陰極中置推力器的推力則未發生可測出的變化。此外,外置陰極使霍爾推力器的性能對陰極位置的變化高度敏感,因此,對于外置的陰極,還需對其支架進行精確的定位,會增大推力器的質量,并增加應用過程中損壞的風險[19]。

JPL針對陰極位置對于推力器工作過程的影響開展的實驗研究表明,陰極中置能夠將地面實驗中壓強效應對于放電電流分布的影響降到最小[20]。該團隊在研究中還發現,與外置陰極的霍爾推力器相比,陰極中置的推力器羽流發散角較小,近場羽流對稱性更佳,如圖 5所示[21]。從推力器放電穩定性的角度來講,由于陰極供氣的存在,中置的陰極會使推力器出口處形成較高的氣壓,且羽流發散角的減小使推力器出口附近的羽流更加集中,因此推力器對于環境壓強變化的敏感度下降,從而降低地面試驗環境與空間環境壓強差距所導致的性能表現差異。

圖5 陰極中置與陰極外置羽流中電流密度對比[21]Fig.5 Current density in the plume for internal and external cathodes[21]

陰極的布置方式對推力器點火過程的穩定性也會產生影響。陰極中置使推力器點火過程中陽極電流波動減小,能夠降低點火對電源系統的沖擊,提升推力器放電穩定性,如圖 6所示[22]。

圖6 點火過程陽極電流隨時間的變化[22]Fig.6 Anode current varying with time during ignition[22]

陰極中置技術還能夠解決外置陰極所引起的電子發射周向不均勻問題,有利于推力器的穩定放電。雖然該問題在小尺寸的霍爾推力器中體現得不明顯,但是對于直徑較大的高功率霍爾推力器而言,陰極中置和外置則表現出明顯差異[23]。此外,陰極中置技術的應用對推力器的性能產生有利的影響。密歇根大學PEPL實驗室在6kW霍爾推力器的性能研究中發現,陰極中置技術能夠使陽極效率提升3%以上[24-25]。Jameson將陰極中置對性能的提升作用解釋為其對電壓利用效率的提升[26]。

陰極位置對推力器放電穩定性產生的影響根源于其對電子傳導、推力器出口附近電勢分布等多方面物理參量及機制的改變。為了有效利用陰極中置技術減小推力器受環境壓強的影響,降低推力器在天地工作的不一致性,一方面需從機理層面對陰極中心布局的構型進行對比研究,明晰陰極中置對于等離子體傳導、電勢分布等物理過程的作用機理;另一方面陰極中置改變了霍爾推力器原有的結構布置,會引起中心磁極過熱、陰極腐蝕以及力學問題,因此需針對陰極中置結構進行相應的熱設計和結構力學設計,據此得出陰極中心布局的推力器結構方案。

3.1.2 結構穩定性

維持全壽命期間推力器結構的穩定性是保障電推進系統高精度穩定運行的重要前提。然而在霍爾推力器壽命期間,存在濺射腐蝕導致結構變化的問題,使推力、效率等性能均發生改變,破壞了推力器的結構穩定性。保障推力器結構的長期穩定是近20年來電推進技術領域研究的熱點。

2010年,JPL研究團隊在BPT-4000霍爾推力器壽命試驗中發現壁面腐蝕停止的現象,提出了磁屏蔽的概念[27]。該團隊還驗證了H6霍爾推力器在不同工況條件下的磁屏蔽效果。在額定工況下(6kW/300V),磁屏蔽技術的應用使外壁面探測到的侵蝕速率為零,內壁面的侵蝕速率降低了2～3個數量級,而對推力器性能并未產生顯著影響[28];在9kW/800V工況下,當推力器處于3000s的高比沖模式,外壁面仍保持零侵蝕,而內壁面的侵蝕速率相對于額定工況條件增大了1個數量級,磁屏蔽效果有所下降[29]。在高放電電壓條件下,磁路系統飽和導致工作磁場位型相對于磁屏蔽位型發生了偏離。

JPL研究團隊進一步探究了磁屏蔽對霍爾推力器放電特性的影響,研究結果表明,采用磁屏蔽技術后,放電電壓的主要下降位置以及電子溫度峰值位置都被推出到通道外,使加速區的電子傳導特性發生變化[30]。

上海空間推進研究所開展了磁屏蔽霍爾推力器的磁場設計和實驗研究,在10h點火后壁面沉積現象明顯,實現了磁屏蔽的效果,并研究發現羽流隨磁感應強度有明顯的變化,最優工況的羽流呈現“長筒狀”,見圖7,效率達到54.23%[31]。

圖7 磁屏蔽霍爾推力器長筒狀羽流(300V)[32]Fig.7 The long barrel plume of a magnetic shielding Hall thruster(300V)[32]

北京控制工程研究所研制了1.35kW磁屏蔽霍爾推力器,并開展了800h壽命試驗。試驗證明了推力器磁屏蔽設計的有效性,并且在壽命試驗期間推力、比沖、效率等性能表現穩定。研究表明,磁屏蔽技術消除了霍爾推力器通道腐蝕的失效模式,但是引入了磁極腐蝕的失效模式。因此,磁極防護是保證磁屏蔽霍爾推力器壽命和可靠性的關鍵。此外,壽命試驗累計到500h后會發生非預期熄火現象,這是由于地面真空模擬設備引入的濺射返流沉積效應,導致推力器通道壁面和磁極表面沉積膜層厚度積累,如圖 8所示。沉積膜發生脫落并穿越通道會破壞霍爾漂移,從而誘發了電流沖擊并導致推力器熄火。雖然推力器實際在軌應用時不存在地面真空設備引入的返流沉積效應導致的沉積膜問題,但是該效應導致長壽命試驗環境與在軌環境不一致,引入了不確定性。因此,對于磁屏蔽霍爾推力器的地面試驗,還應解決真空設備引入的沉積效應問題。

圖8 推力器壽命試驗后表面沉積Fig.8 Deposition on the surface after thruster lifetime test

在推力器的結構穩定性方面,應用磁屏蔽技術能夠有效解決霍爾推力器陶瓷壁面的腐蝕問題,使推進系統在長期運行過程中保持推力的穩定輸出。磁屏蔽霍爾推力器的物理本質是通過磁場分布與陶瓷通道形貌優化結合設計以達到零侵蝕的效果。雖然JPL已發表的文獻中對通道內的電勢分布給出了定性的結論,但是對于具體的磁場分布以及磁場與通道形狀的匹配關系等問題,仍需進一步結合推力器結構與磁場設計開展研究。對于地面實驗引起的濺射反流,應通過罐壁的防護降低真空艙壁面的沉積效應,同時通過合理的內磁極防護設計降低內磁極濺射的自污染效應,消除地面試驗環境和在軌環境不一致引入的不確定性。

3.1.3 熱穩定性

由于推力器工作的空間環境溫度變化范圍大,因此推力器工作過程易受到溫度變化的影響,難以維持穩定的工作狀態。

北京控制工程研究所開展的1.35kW磁屏蔽霍爾推力器的點火試驗結果表明,推力器放電特性會受到溫度變化的影響。如圖 9所示,第一次點火時,推力器初始溫度為50℃,在工作約120min后溫度趨于穩定。如圖 10所示,推力器第一次點火時,溫度變化過程中放電電流從5.14A降至4.5A,發生了較大幅度的變化;同時,推力也隨點火時間和工作溫度發生波動(如圖 11)。在上述現象中,電推力器經歷了從非熱平衡態向熱平衡態的過渡,過渡時磁場在溫度變化的條件下對電子傳導等過程產生影響,使放電參數發生波動并影響推力輸出的精度。由圖 9～11中第二至第六次點火的溫度、電流和歸一化推力隨工作時間變化的曲線可以看出,在推力器起始溫度較高的條件下,電流的變化和推力的波動顯著減小。由以上試驗結果可知,溫度影響

圖9 推力器溫度隨工作時間的變化(功率P=1.35kW,放電電壓Ud=300V)Fig.9 The thruster temperature varying with the operation time(P=1.35kW,Ud=300V)

圖10 推力器放電電流隨時間的變化(功率P=1.35kW,放電電壓Ud=300V)Fig.10 The discharge current varying with the operation time(P=1.35kW,Ud=300V)

圖11 推力隨時間的變化(功率P=1.35kW,放電電壓Ud=300V)Fig.11 The thrust varying with the operation time(P=1.35kW,Ud=300V)

了推力器工作的穩定性,在溫度大范圍變化的空間環境中,保障推力器熱穩定性是高精度電推進系統發展中尤為重要的一環。

解決熱穩定性問題的技術發展思路可以從推力器啟動和工作過程兩方面考慮。一方面,制定啟動策略,在推力器啟動點火時增加預熱環節,縮短向熱平衡態過渡的時間;另一方面,針對工作過程中由于空間環境溫度變化導致的推力器溫度波動問題,對推力器采取熱補償策略,使其維持在熱穩定狀態。

3.2 高精度流量控制技術

氙氣貯供系統是電推進系統的關鍵子系統,其核心控制指標為氙氣流量控制精度。氙氣供給系統流量控制精度不僅影響電推力器的推力精度,還會影響其在軌工作的可靠性和壽命。

國外針對氙氣貯供系統的研究始于20世紀80～90年代,隨著關鍵部件的技術狀態的發展變化,形成了三代貯供系統。貯供系統由推進劑貯存模塊(高壓氣瓶)、壓力控制模塊和流量調節模塊組成[32]。第一代氙氣貯供系統的特點是以Bang-Bang電子減壓器為核心構成壓力調節模塊,以采用金屬多孔燒結材料的流量控制器為核心構成流量控制模塊。第一代氙氣貯供系統已發展成熟并得到應用,例如美國NASA的深空一號探測器(Deep Space 1,DS1)。然而,Bang-Bang控制會導致壓力和流量呈“鋸齒”狀波動,金屬多孔燒結材料制成的節流元件也存在多余物敏感等問題,使流量控制精度和產品的可靠性受限。

第二代氙氣貯供系統是在總結第一代產品已有問題的基礎上,以提高性能和優化系統為目的進行研制的,其特點是用比例電磁閥取代Bang-Bang電子減壓器構成壓力調節模塊,采用“迷宮”型流量控制器取代金屬多孔燒結材料流量控制器構成流量控制模塊。相對于第一代產品,第二代產品不僅降低了系統的復雜程度、質量和體積,還消除了壓力和流量的波動,提高了流量控制的精度和穩定度,提升了產品的可靠性。第二代氙氣貯供技術已較為成熟,在軌應用于TechSat-21和AEHF等衛星[33]。

第三代氙氣貯供系統在第二代的基礎上進一步提高性能,同時降低質量和減小體積,其主要特點是將比例閥進一步擴展應用到流量調節中。目前使用比例貯供系統的衛星主要有歐洲的重力梯度測量衛星(GOCE)以及試驗性質的衛星,如美國的TACSAT-2衛星、韓國的STSAT-3衛星等。GOCE衛星的推進系統所采用的比例氙氣供給組件如圖 12所示,包含陽極、陰極和中和器供氣。其壓力控制部分包含自鎖閥、高壓傳感器和機械減壓器,屬于機械減壓型壓力控制模式;流量控制單元中,陽極支路通過比例流量控制閥和質量流量傳感器實現變節流閉環控制,陰極和中和器通過固定節流孔來實現流量控制,屬于變節流和固定節流的混合流量控制模式[34-36]。

國內對氙氣貯供系統的研究始于20世紀90年代后,目前已具備Bang-Bang和比例壓力兩種貯供技術。2017年發射的中星十六號衛星是中國首顆采用電推進系統執行軌道控制任務的衛星,其氙氣供給系統采用Bang-Bang電磁閥和下游緩沖罐進行壓力控制;流量控制模塊采用帶熱控的迷宮型流量控制器進行流量控制,在0.2～10mg/s的流量范圍內調節精度為5%[37]。

為了適應未來大型通信衛星平臺的需求,提升電推進系統的推力調節能力,北京控制工程研究所研制了比例型氙氣供給系統。該系統采用一級Bang-Bang減壓與二級比例減壓的兩級減壓設計,屬于開關控制和比例控制的混合壓力控制模式;流量控制模塊沿用串聯切向孔型流量控制器。該氙氣供給系統流量控制精度優于2%。

推力大小與推進劑的流量大小成比例關系,因此推進劑供給精度直接決定了推力的精度。為了達到高精度的推力輸出精度,其流量控制精度必須優于推力輸出精度。盡管目前貯供系統正朝著高精度的方向發展,但是尚難以達到如此高的精度。國際上采用的基于比例閥和流量傳感器的比例貯供方案能夠通過反饋閉環控制比例閥的開度,實現流量的高精度調節,然而能達到的精度僅為小于3%[38],與高精度電推進系統對流量控制精度的要求存在較大差距。

為了提升流量控制精度,仍需探索新的驅動和傳感方式和設計新的流量控制方案。下面針對限制貯供系統流量控制精度的因素開展技術分析。首先,對于傳統的電磁驅動方式,由于其自身原理的限制,已不能滿足高分辨率流量控制的要求,因此必須探索新的高精度閥門驅動方式;其次,溫度變化引起結構發生10nm級的應變也會給流量控制精度帶來影響;高可靠的亞毫克級流量測試技術也是評估流量供給模塊性能需要攻克的難點。此外,對于甚高精度推進劑貯供技術而言,壓電驅動材料蠕變、溫度變化都會影響閥芯開啟,這些變化對流量的影響達到了微克量級。此時,必須采用溫度、位移傳感器對推進劑溫度、結構溫度、閥芯開啟狀態進行反饋,才能實現高精度的流量控制。在以上技術分析的指導下,總結高精度流量控制技術發展的思路如下。

1)從測量和標定的角度提升壓電驅動器自身精度。研究閥芯位移的高精度測量方法,從而準確反饋壓電驅動器行程;研究高精度的壓電驅動器位移標定方法。

2)降低流體控制部組件的內漏率。由于高精度電推進系統對推力的精度和分辨率有很高的要求,因此流體控制部組件存在的內漏率問題所產生的流量變化不可忽略。為實現推進系統高精度的推力調節能力,必須降低流體控制組件漏率對流量的影響,可以考慮研究將驅動器隔離在流體之外等相關技術,切斷這一流量誤差來源。

3)提升微流量測量的精度。高精度微流量測量技術是高精度流量控制的基礎,發展用于微小流量測量的MEMS熱溫差型質量流量傳感器技術以及基于相敏檢測的噪聲抑制技術等將能夠有效提升微流量測量的精度。

3.3 高精高穩數字化電源及控制技術

電推進系統的電源處理單元(PPU)用于將星載母線變換為電推力器所需的各路電源[32]。針對霍爾推力器而言,其PPU不僅需要為陽極、陰極和電磁線圈供電,推進劑貯供系統的閥門等部件也需要電源驅動,因此PPU是電推進系統的重要組成部分。目前,國外從事霍爾推力器PPU研制的機構主要有Thale Alenia Space Belgium(ETCA)、Airbus Defense &Space(Airbus DS)、SITAEL、Aerojet Rocketdyne、NASA GRC等[39]。

ETCA是最早從事霍爾推力器PPU產品研制的機構之一,開發了MK1、MK2、MK3三大系列的PPU產品(如圖 13所示),并完成了多次在軌飛行。MK1的功率等級為1.35kW,已應用于SPT-100和PPS1350推力器,母線電壓有50V和100V兩種狀態。MK2為MK1的升級產品,其功率擴展到2.5kW,母線電壓為100V。MK3功率等級為5kW,可用于SPT-140D、PPS-5000以及XR-5霍爾推力器,其母線電壓為100V,產品同時具備推力器的熱節流流量調節控制功能。

Airbus DS公司針對5kW霍爾推力器研制了PPU產品Elektro,該產品與MK3一樣可適用于PPS-5000、SPT140-D以及XR-5推力器,母線電壓為100V[40-41]。Airbus DS公司研制的Topaz PPU產品輸出功率為300W,適用于SPT-50M推力器,母線電壓為100V;目前該產品隨推力器搭載于Oneweb公司的多顆衛星,在軌運行狀態良好;該產品采用工業級器件,縮減了聯試測試成本,預計壽命為10年。

為滿足國內電推進系統對PPU的需求,北京控制工程研究所、蘭州空間技術物理研究所、西安微電子技術研究所、航天科技集團八院811所、新源公司等單位先后開展了研發工作。北京控制工程研究所研制的1.5kW霍爾推力器PPU產品于2016年搭載衛星并成功開展了飛行驗證,同時針對銀河航天、鴻雁星座等衛星應用需求研制百瓦級霍爾推力器PPU并已開展在軌應用。蘭州空間技術物理研究所研制的5kW離子推力器PPU于2020年在東方紅五號衛星平臺上開展在軌飛行驗證。

當前霍爾推力器PPU的主要研制目標為保證電源輸出的功率、電壓或電流以及保障工作壽命,而電源輸出精度的指標較低。日本的EM2 PPU輸出電壓為100V±3V,該電壓輸出誤差已超過高精度電推進系統的推力輸出精度[42]。應用MK3 PPU的XR-5霍爾推進系統推力測量偏差為±5.4%[43]。為了進一步提升推進系統的推力輸出精度,需要保證驅動控制以及供電電源均具備高精高穩輸出能力,這對驅動控制技術和電源處理技術提出了極高的要求。

(1)高精高穩數字化驅動控制技術

為了實現高精度高穩定度的驅動和控制,需要從驅動控制技術、功率放大技術和控制算法等方面開展研究。

首先,需要開展高精度驅動放大電路技術研究。線性放大電路是壓電陶瓷驅動電路設計工作中的關鍵環節。為了實現高精度的線性放大和功率放大,線性放大電路可以采用兩級放大器組成的復合式負反饋放大電路。前級可采用低壓精密運放,以獲得較小的輸入失調電壓和較高的帶寬;后級采用高壓大功率運放可以獲得較高輸出電壓和持續輸出的電流,然而高壓大功率運放輸出電流范圍較寬,分辨率較低,因此可采用高壓小功率運放,后端逐級電流放大,能夠在提高驅動能力的同時保證驅動輸出的控制精度。

其次,開展高精度驅動控制補償技術研究。在壓電陶瓷驅動電路中,壓電陶瓷的遲滯特性會導致系統下一時刻的輸出受到歷史輸入的影響,具有較強的非線性。因此,對壓電陶瓷進行遲滯建模并進行控制算法設計是減小遲滯非線性影響的重要措施。所采用的控制方法原理如圖14所示,前饋控制方法能夠提高推力器的響應速度,PID反饋控制方法能夠實現對誤差信號的精密修正。此外,由于驅動電路元器件和壓電陶瓷等器件對溫度變化較為敏感,因此還需研究高精度全溫度補償控制方法,引入溫度補償控制技術,進一步提高溫度變化范圍內驅動控制的精度。

圖14 前饋與反饋的混合控制方法原理框圖Fig.14 Schematic of mixed control algorithm with feedforward and feedback

最后,提高驅動控制電路最終輸出精度要求比例閥能夠進行精準的微小位移調節,因此還需引入高精度電容式位移測量等技術,實現高精度驅動控制。

(2)高精高穩數字化電源處理技術

為了確保數字化電源的高精度和高穩定度輸出,需要從高精高穩大功率數字電源拓撲結構、高壓電源整流等方面開展技術研究。

首先,開展高精高穩大功率數字電源技術研究。與非隔離電源變換器相比,宇航隔離型電源變換器拓撲結構更加復雜,由于功率變壓器的存在,使得隔離型電源變換器在高精度驅動等方面實現難度更大。采用數字化電源拓撲結構能夠滿足高精度、高穩定度電源自主管理和控制能力。高精度數字化電源的技術方案為:在大功率拓撲選型的基礎上,建立系統控制模型,并根據控制對象高精度和高穩定度的特點,優化控制參數,選取控制量,設計高頻電源數字化控制電路。電源拓撲發展至今種類繁多,目前在大功率宇航電源中,隔離變換器一般采用單端正激變換器、雙管正激變換器和全橋變換器,其中全橋變換適用于大功率變換場合。

其次,開展高精高壓電源技術研究。針對電源高電壓、高精度輸出的需求,要求電源具有低噪聲的性能。羅耶諧振轉換電路基于正弦波諧振進行功率傳送,能夠使電源輸出的噪聲最小化[44]。因此,有必要開展羅耶諧振轉換電路的研究和設計工作,構建羅耶諧振型隔離恒壓輸出電源。

高壓電源系統采用的整流方法是,經高頻變壓器升壓后,通過倍壓電路再次升壓并整流得到直流高壓,采用兩級升壓大幅降低了變壓器的匝數比。倍壓整流電路對電容和二極管所需的耐壓能力要求低。同時,該方法還解決了變壓器匝數比過高的問題,降低了輸出直流高壓的紋波[45]。傳統的倍壓整流電路具有結構簡單的優點,然而其輸出電壓的紋波較大。綜合紋波、體積和輸出電壓等多方面考慮,可采用正負雙向倍壓整流電路。

此外,針對電源工作過程中輸入條件或外部環境變化導致的電源輸出不穩定問題,還需進一步開展高壓直流電源的閉環反饋穩壓方法研究。

3.4 高精度電推進驗證技術

高精度的技術要求為電推進系統的測試和驗證工作帶來了極大的挑戰。目前電推進測試過程中存在真空艙內氣體參與放電、材料放氣、真空艙壁面材料濺射返流以及電磁干擾等一系列問題,這些問題擴大了天地環境的差異,同時增加了高精度電推進地面驗證工作的難度。下面從試驗測試環境(真空背壓)和推力測試兩方面分析高精度電推進驗證技術的發展思路。

3.4.1 高精度電推進系統集成試驗環境

霍爾推力器的等離子體放電過程需要在真空環境中進行,高抽速真空泵組是維持推力器放電過程不可缺少的組件。目前多數霍爾推力器使用氙氣作為工質。由于氙具有原子量大、冷凝溫度低的特點,因此無論是分子泵、擴散泵還是低溫泵,它們對氙氣的有效抽速都較低;加之安裝產生的流阻,真空泵對氙氣的有效抽速不及其額定抽速的一半。因此,維持霍爾推力器放電所需真空條件的成本很高。以尺寸為Φ4.2m×9m的真空模擬艙為例,其極限真空度為4×10-5Pa,在5mg/s的氙氣流量條件下能達到1×10-3Pa,在15mg/s的氙氣流量條件下能達到3.1×10-3Pa。然而,地面模擬的真空環境與霍爾推力器實際工作時所處同步軌道上的壓強(10-8Pa)相比,仍差4～5個數量級。如此大的環境差異,將不可避免地影響推力器內的物理過程及宏觀性能。此外,真空艙壁面材料濺射返流會引發推力器上的沉積污染問題,真空艙內的背景氣體參與放電以及材料放氣還會引起測試推力偏高。

包括HiVHAc[46]、BHT-600[47]、H6MS[20]、SPT-100[48]、SPT-ATON等在內的不同型號霍爾推力器在不同背壓下的實驗研究結果表明,真空背壓的變化對放電過程產生影響,背壓變化幅度越大,其放電電流差異越大[49-50]。背壓的變化對推力器的推力、比沖及效率也有顯著的影響。在不同壓強工況條件下,HiVHAc推力器的推力、比沖和效率性能也產生了顯著的差異[46]。由此可知,在空間環境10-8Pa的背壓條件下,推力器的放電電流及性能參數將發生更大的變化。SPT-100推力器在不同真空背壓條件下(2.3×10-4～9.5×10-3Pa)推力器性能隨背壓變化的測試曲線如圖 15所示[51],隨著真空背壓的減小,推力呈指數下降,而推進劑質量流率則呈線性增長。

圖15 SPT-100推力器性能隨真空背壓變化曲線[51]Fig.15 The performance varying with vacuum pressure of SPT-100 thruster[51]

由于真空環境對推力器的放電過程及性能產生顯著的影響,建成高精度電推進系統的集成演示驗證環境需要進一步減小天地不一致性。為了實現大尺寸、高真空、低返流、超靜、控溫的模擬環境需求,還需在以下4個方面開展進一步研究:

1)以大尺寸真空艙為基礎,研究多組氙泵、低溫泵、分子泵的配置,適應不同組分氣體的抽氣需求,提高系統抽氣速率以實現超高真空,降低天地真空度差異引起的推力偏差。

2)真空背壓影響霍爾推力器性能的根本原因是真空艙內背景氣體向放電通道內擴散,改變了通道內放電的物理過程。不同真空背壓條件下氣體向通道內擴散程度的差異,導致了放電性能的變化。為此,仍需進一步深入研究背景氣體進入放電通道后對放電過程的影響機理,掌握工質電離和加速過程受背壓變化影響的規律。

3)針對本文3.1.2節提到的濺射返流沉積污染問題,關注真空艙內壁受羽流離子轟擊區域的防護問題。選用抗濺射的石墨防護材料作為防護結構能夠減少高能離子對罐壁轟擊產生的濺射產物,避免返流沉積對推力器的污染,消除天地環境差異引起的推力器工作不穩定問題。

4)此外,羽流高能離子的能量在真空艙壁不斷沉積,還會導致艙壁和推力器工作環境溫度上升,引起推力器性能和推力測量設備的熱漂移。因此,需對真空艙和推力測量設備采取主動冷卻、隔熱散熱、溫控等措施,使推力器的模擬工作環境溫度與在軌工作環境溫度一致,保證推力測量的精度。

3.4.2 高精度推力測試

電推進系統較低的推重比為高精度的推力測試帶來困難。對于10mN級的推力器,推力測試平臺所承載的推力器及測試設備的質量遠大于測試推力。此外,環境噪聲、電磁干擾、真空泵氣流擾動等因素的存在均為微小推力的高精度測量帶來極大的挑戰。目前國內外研究者針對電推進的微小推力測試已開發了基于多種原理和結構的測量裝置。

目前高精度推力測量方法主要有基于杠桿原理的天平測力法、扭擺測力法和單擺測力法等[52-53],推力測量精度為1%～2.5%,還難以達到高精度電推進系統對于推力測試精度的要求。推力測量系統涉及標定、位移、響應、隔振等多組部件,系統性的綜合設計是提升測量精度的有效途徑和重要發展方向[54]。為了進一步提升推力測試精度,從以下5個方面開展研究。

1)抑制環境噪聲干擾。環境噪聲干擾是引起系統響應測量誤差的主要原因[54],該干擾會增大系統參數的標定誤差,導致無法獲得準確的推力測量系統振動微分方程,進而間接增大推力測量誤差。為此,需要有效抑制環境噪聲干擾、實現高信噪比測試環境。

2)推力測量系統動態響應特性。霍爾推力器具有復雜的推力構成,包括恒力、周期力、非周期力、隨機力等分量。這些推力分量的振幅呈寬頻譜分布,對推力測量提出了寬頻譜測量要求;此外,環境噪聲所引起的系統響應測量誤差對推力分辨率的影響規律尚不明晰。為此,需明確推力測量系統的動態響應特性,為高分辨寬頻譜推力測試提供分析方法。

3)參數標定方法。推力測量系統的運動規律由振動微分方程表示,其系統參數是未知的,需要標定出來。然而,系統響應測量誤差和標定力誤差會帶來較大的系統參數標定誤差,進而影響推力測量精度。為此,需提出高精度的標定方法,如基于電磁恒力的系統參數標定方法,獲得測量系統的準確振動微分方程。

4)推力測量系統綜合設計。推力測量系統高精度高分辨測試與寬頻譜測試相互制約。高精度高分辨測試要求高靈敏度的設計,高靈敏度又需要低剛度系數設計。然而,推力器搭載測試產生的轉動慣量很大,低剛度系數和大轉動慣量使得測量系統的固有頻率減小,導致所能測量的推力頻率帶寬較小,為此,還需提出推力測量系統綜合設計方法。

4 發展建議

高精度霍爾推進技術作為一個系統工程,對組成系統的電推力器、流量控制和電源處理單元提出全新的技術要求,也對地面試驗系統和推力測量設備性能提出了更高的要求。為了推動高精度電推進系統的建設,提出以下發展建議:

1)進一步加強高精度電推進技術與通信、導航衛星應用的論證工作,建立推力輸出與可控參量之間的定量關系,從而牽引高精度電推進技術的研究與應用。

2)在推力器穩定性方面,重點研究放電模式轉換機理、陰極中置技術、磁屏蔽技術以及熱啟動技術。

3)在流量控制方面,比例式流量控制技術是高精度電推進的關鍵支撐技術,比例閥和流量傳感器是實現電推進系統寬范圍、高精度流量輸出的關鍵設備。

4)作為高精度電推進系統的供電設備,電源處理單元主要向高精度數字電源控制技術方向發展,以提高電推力器和比例閥驅動等子系統的供電精度為目標。

5)在高精度霍爾電推進驗證技術中,重點研究大尺寸、高真空、低返流、超靜、控溫的環境模擬設備,并且從環境噪聲、系統動態響應、參數標定方法以及推力測量系統的綜合設計方面對推力測試技術開展研究,為電推進系統建立高精度推力模型提供測試技術支撐。