離子電推進(jìn)系統(tǒng)中的陰極配電與控制

崔鐵民，唐?？?/p>

（蘭州物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

國(guó)外離子電推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)成熟，形成目前地球靜止軌道衛(wèi)星位保應(yīng)用發(fā)展的主流[1～3]，而HS601HP衛(wèi)星平臺(tái)和HS702衛(wèi)星平臺(tái)就是其中的典型[1,2]。我國(guó)的離子電推進(jìn)系統(tǒng)研究也已基本成熟，并開(kāi)展了離子電推進(jìn)系統(tǒng)在地球靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用研究工作[4,5]，即將進(jìn)入實(shí)用階段。在離子電推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，離子電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命是影響其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，而制約離子電推進(jìn)系統(tǒng)壽命的主要因素之一是陰極的工作壽命。因此，研制長(zhǎng)壽命陰極就成為必然，與研制長(zhǎng)壽命陰極相輔相成的另一個(gè)方面是研究使陰極能夠長(zhǎng)壽命工作的條件和方法，以延長(zhǎng)離子電推進(jìn)系統(tǒng)的工作壽命，這2個(gè)方面構(gòu)成了離子電推進(jìn)系統(tǒng)研究工作的主線之一。作者以目前較為成熟的陰極為基礎(chǔ)，以延長(zhǎng)陰極工作壽命為主要目標(biāo)，提出了陰極配電方案和控制策略，為離子電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

2 離子電推進(jìn)系統(tǒng)所用陰極的工作特性

在離子電推進(jìn)系統(tǒng)中，每臺(tái)離子推力器中裝有放電室陰極和中和器陰極，2個(gè)陰極都為空心陰極，其性能和工作特性基本相同，甚至完全相同，在下面的論述中不再區(qū)分。

2.1 空心陰極的結(jié)構(gòu)

空心陰極的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。陰極整體為一個(gè)管狀空腔結(jié)構(gòu)，發(fā)射體只有在較高溫度下才具有很強(qiáng)的發(fā)射能力，工作時(shí)先由加熱器將發(fā)射體加熱到一定溫度，再給空腔通入氙氣，并在觸持極與發(fā)射體之間施加一定的電壓，發(fā)射體發(fā)出的電子在電場(chǎng)的作用下與氙氣分子碰撞，使氙氣電離形成等離子體，在外加電場(chǎng)的作用下，電子從陰極頂端小孔噴出。在陰極空腔內(nèi)，因離子在電場(chǎng)作用下轟擊發(fā)射體而對(duì)發(fā)射體具有加熱作用，若停止加熱器加熱，發(fā)射體也能維持在工作溫度范圍，陰極能夠持續(xù)工作。

陰極發(fā)射體是保證陰極性能和壽命的關(guān)鍵，離子電推進(jìn)所用的陰極發(fā)射體材料主要有鋁酸鹽鋇鎢和LaB6兩種，早期多用鋇鎢陰極，近年LaB6陰極應(yīng)用逐漸增多。

圖1 空心陰極結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 陰極早期失效模式及原因分析

陰極早期失效發(fā)生最多的是陰極加熱器故障，因設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，啟動(dòng)或工作時(shí)溫度過(guò)高，絕緣材料與加熱絲或外殼材料之間發(fā)生反應(yīng)而引起絕緣電阻下降，最后導(dǎo)致加熱器失效。另一類故障是在陰極加熱時(shí)，陰極各部分的溫差過(guò)大，熱應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)變形或破壞，導(dǎo)致陰極失效。LaB6陰極的工作溫度比鋇鎢陰極要高幾百度，過(guò)熱引起的失效問(wèn)題更加突出。因此，防止陰極早期失效的主要措施就是防止陰極過(guò)熱。

2.3 陰極的點(diǎn)火特性

陰極發(fā)射體在一定的溫度下才具有較強(qiáng)的發(fā)射能力。首先要對(duì)發(fā)射體進(jìn)行加熱，當(dāng)發(fā)射體達(dá)到工作溫度時(shí)，提供陰極工作需要的供氣和電氣條件，通過(guò)施加點(diǎn)火電壓使其進(jìn)入放電工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[6]給出了一個(gè)陰極在整個(gè)壽命期間的點(diǎn)火特性，陰極工作初期，發(fā)射體發(fā)射能力強(qiáng)，點(diǎn)火電壓可以很低，一般小于40 V。隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，陰極性能逐漸衰減，需要的點(diǎn)火電壓逐漸增高，壽命末期點(diǎn)火電壓高達(dá)1 000 V以上。點(diǎn)火電壓與工作時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 陰極點(diǎn)火電壓與累計(jì)工作時(shí)間之間的關(guān)系

2.4 影響陰極壽命的主要因素分析

陰極壽命主要取決于在工作溫度下，發(fā)射體材料的蒸發(fā)速率，蒸發(fā)率隨發(fā)射體電流密度的增大而增大，隨發(fā)射體溫度的升高而增大，隨發(fā)射表面積的增大而增大。文獻(xiàn)[7]給出了離子推力器用直徑1.5 cm陰極的壽命計(jì)算結(jié)果，如圖3所示，為L(zhǎng)aB6和幾種不同厚度的鋇鎢發(fā)射體的計(jì)算壽命。計(jì)算中假定發(fā)射材料全部蒸發(fā)完為壽命中止，因此，圖中的陰極計(jì)算壽命是陰極壽命的上限值。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)發(fā)射材料蒸發(fā)到一定程度時(shí)，推力器性能參數(shù)已偏離較大，就認(rèn)為陰極壽終，取其極限值的1/10作為陰極壽命的估計(jì)值可滿足工程要求。

從圖3可以看出，陰極放電電流越小，壽命越長(zhǎng)，在發(fā)射體發(fā)射表面積不變的情況下，放電電流小反映的是發(fā)射密度小，發(fā)射密度小就可以使發(fā)射體工作溫度較低。因此，降低發(fā)射體的工作溫度是延長(zhǎng)陰極壽命的根本。

陰極工作的一個(gè)重要步驟是陰極點(diǎn)火，陰極的點(diǎn)火過(guò)程由高壓擊穿開(kāi)始，在觸持極和發(fā)射體之間產(chǎn)生放電。放電過(guò)程由輝光放電開(kāi)始，很快過(guò)渡到弧光放電狀態(tài)，進(jìn)入持續(xù)放電的工作模式，一旦持續(xù)放電，立即關(guān)掉點(diǎn)火高壓。由于輝光放電電壓較高，輝光放電時(shí)發(fā)射材料的蒸發(fā)很快，對(duì)陰極的壽命影響很大。要減少陰極點(diǎn)火過(guò)程中發(fā)射材料的蒸發(fā)，除了要加快放電模式的過(guò)渡外，要盡量降低點(diǎn)火電壓，但當(dāng)點(diǎn)火電壓太低時(shí)，又會(huì)加長(zhǎng)放電模式的過(guò)渡時(shí)間，反而會(huì)縮短陰極的壽命。

由于陰極阻抗本身是不穩(wěn)定的，會(huì)隨陰極性能的衰減而增大，在要求發(fā)射電流不變的情況下，發(fā)射體的溫度會(huì)升高，發(fā)射材料的蒸發(fā)率提高，將縮短陰極的工作壽命。為延長(zhǎng)陰極壽命，必須設(shè)法降低陰極阻抗，適當(dāng)增加陰極的氣體流率可以達(dá)到降低陰極阻抗的目的。

3 陰極配電方案

由于各自陰極性能不同，使用時(shí)的條件和具體參數(shù)不同，實(shí)際工程應(yīng)用中的配電電源也互不相同，但都有相同的配電思想，形成了陰極的基本配電方案。以基本配電方案為基礎(chǔ)，針對(duì)影響陰極壽命的主要因素，提出具體的解決方案，達(dá)到能使陰極長(zhǎng)壽命工作的目的。

3.1 陰極電源的基本配置

陰極基本配電如圖4所示，由3個(gè)電源組成。在陰極點(diǎn)火前，先要加熱發(fā)射體，為此設(shè)置一個(gè)加熱電源為加熱絲供電，在需要加熱時(shí)打開(kāi)電源，加熱到達(dá)要求溫度時(shí)關(guān)斷。另一方面，陰極點(diǎn)火時(shí)需要在較高的電壓下才能氣體擊穿而放電，設(shè)置一個(gè)點(diǎn)火電源，加在觸持極與發(fā)射體之間，要求在氣體沒(méi)有擊穿以前能夠輸出較高的電壓，氣體一旦被擊穿，電源立即降低輸出電壓。實(shí)際使用的點(diǎn)火電源在氣體擊穿前能夠輸出1 000 V左右的點(diǎn)火電壓，一旦氣體被擊穿，點(diǎn)火電源的輸出電壓降到30 V以下。在陰極的工作環(huán)境中，通常由系統(tǒng)配有陽(yáng)極電源或提供等效的陽(yáng)極電源，在陽(yáng)極電源打開(kāi)的狀態(tài)下，陰極點(diǎn)火成功以后，即可進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，陰極的負(fù)載通常不夠穩(wěn)定，而負(fù)載的變化會(huì)影響陰極的工作穩(wěn)定，甚至?xí)l(fā)生熄弧現(xiàn)象。為了減小負(fù)載變化對(duì)陰極工作狀態(tài)的影響，維持放電的穩(wěn)定，需要設(shè)置一個(gè)觸持電源加在觸持極和發(fā)射體之間，為陰極提供一個(gè)維持放電狀態(tài)的穩(wěn)定電流，消除負(fù)載變化引起的熄弧現(xiàn)象，使推力器能夠連續(xù)工作而不間斷。

圖4 陰極電源的基本配置

3.2 陰極電源的改進(jìn)配置

改進(jìn)后的配電如圖5所示，共由5個(gè)電源組成。在基本配電方案的基礎(chǔ)上，將加熱電源分成2個(gè)，一個(gè)大功率加熱電源，一個(gè)小功率加熱電源，2個(gè)電源不同時(shí)工作，加熱開(kāi)始時(shí)用小功率電源加熱，工作大約1 min后，改用大功率電源加熱，加熱時(shí)間總共約3～5 min。這樣做的目的是在陰極加熱過(guò)程中，減小陰極各部分之間的溫差，避免因熱應(yīng)力過(guò)大而造成陰極早期失效。另一方面，將點(diǎn)火電源也分為2個(gè)，一個(gè)為高壓點(diǎn)火電源，另一個(gè)為低壓點(diǎn)火電源。若以圖2特性的陰極為例，在陰極工作的前25 000 h用低壓點(diǎn)火電源點(diǎn)火，以減小點(diǎn)火對(duì)陰極的損傷，從而延長(zhǎng)壽命。在陰極壽命末期，陰極性能已經(jīng)衰減很多，低電壓已不能啟動(dòng)陰極進(jìn)入放電時(shí)，改用高電壓點(diǎn)火電源進(jìn)行點(diǎn)火。改進(jìn)后的配電方案可使陰極壽命明顯得到延長(zhǎng)。

3.3 陰極電源的優(yōu)化配置

圖5給出的配電方案確有長(zhǎng)處，但還可以再行優(yōu)化，形成如圖6所示的優(yōu)化配置，加熱電源被設(shè)計(jì)成一個(gè)輸出功率可調(diào)的電源，能夠在比較大的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整電源的輸出功率。在控制單元的控制下，通過(guò)測(cè)量加在加熱絲兩端的電壓和電流，得到加熱絲的溫度，進(jìn)而推知發(fā)射體的溫度，可以根據(jù)陰極的冷熱程度和不同的加熱任務(wù)隨時(shí)調(diào)節(jié)加熱功率，把陰極加熱過(guò)程始終控制在優(yōu)化狀態(tài)，徹底消除了陰極加熱過(guò)程中過(guò)熱情況的出現(xiàn)。在陰極正常工作狀態(tài)下，加熱電源應(yīng)處于非加熱狀態(tài)，可以將加熱電源輸出功率調(diào)到很小以至對(duì)陰極的加熱影響可以忽略，并以脈沖方式工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。點(diǎn)火電源輸出的空載電壓可調(diào)，為簡(jiǎn)化工程實(shí)現(xiàn)，將點(diǎn)火電源輸出分為三檔，使用時(shí)可選擇不同的檔位。第一檔為低電壓輸出，在陰極壽命初期使用；第二檔為高電壓輸出，在陰極壽命末期使用；第三檔為大功率輸出檔，輸出電壓與第二檔相同，電源內(nèi)阻比第二檔小，可以輸出較大功率，實(shí)現(xiàn)陰極加熱部分故障時(shí)的應(yīng)急點(diǎn)火。觸持電源一般都設(shè)計(jì)成恒流工作方式，短期內(nèi)工作點(diǎn)穩(wěn)定，長(zhǎng)期工作，需要根據(jù)陰極衰減情況進(jìn)行調(diào)整，因此，把電源設(shè)計(jì)成為可設(shè)定電流值的恒流電源，恒流值在給定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

圖5 陰極電源的改進(jìn)配置

圖6 陰極電源的優(yōu)化配置

4 陰極控制

以圖6給出的陰極配電方案為基礎(chǔ)，以長(zhǎng)壽命工作為目的，提出陰極工作過(guò)程中的控制策略，分別從加熱、點(diǎn)火和陰極阻抗調(diào)節(jié)三方面作以說(shuō)明。

4.1 加熱控制

對(duì)鋇鎢陰極而言，首次工作之前，需要對(duì)發(fā)射體進(jìn)行激活處理，使發(fā)射體具有強(qiáng)的發(fā)射能力。激活是通過(guò)對(duì)發(fā)射體進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜醽?lái)完成的。陰極激活加熱過(guò)程較長(zhǎng)，典型加熱過(guò)程分為三段，分別稱為低溫除氣、高溫除氣、高溫激活階段。低溫除氣時(shí)，用較小的功率進(jìn)行加熱，將發(fā)射體的溫度控制在攝氏幾十度量級(jí)，靠在空間真空環(huán)境下發(fā)射體表面的自然放氣來(lái)完成。而高溫除氣則需要對(duì)發(fā)射體溫度控制在幾百度，通過(guò)高溫烘烤，釋放出吸附在發(fā)射體內(nèi)的有害氣體，并使陰極制造過(guò)程中的一些輔助材料汽化揮發(fā)。發(fā)射體激活時(shí)，要將發(fā)射體溫度控制在1 000℃以上。激活加熱過(guò)程在衛(wèi)星上只執(zhí)行一次，在衛(wèi)星入軌以后，離子電推進(jìn)系統(tǒng)首次工作前，陰極狀態(tài)比較確定，采用程序控制較為合適。每個(gè)加熱段都可多次循環(huán)執(zhí)行加熱一定時(shí)間、停止一定時(shí)間這樣的工作程序。每個(gè)加熱段的加熱功率設(shè)定、加熱與停止時(shí)間、循環(huán)次數(shù)不同。在加熱過(guò)程中，可不間斷地檢測(cè)溫度，防止發(fā)射體過(guò)熱。

對(duì)陰極正常啟動(dòng)的加熱過(guò)程來(lái)說(shuō)，陰極加熱開(kāi)始時(shí)，整個(gè)陰極處于冷態(tài)，開(kāi)始加熱功率要小一些，隨著溫度的升高，散熱逐漸加大，加熱功率也需要逐漸加大。如果陰極加熱不是從冷態(tài)開(kāi)始，可以用適當(dāng)大的功率進(jìn)行加熱。稱這一段加熱過(guò)程為啟動(dòng)加熱的前段，以測(cè)量的陰極溫度為依據(jù)，控制加熱功率。電源輸出功率與陰極溫度之間的控制規(guī)律如圖7所示。當(dāng)溫度升高到接近點(diǎn)火溫度，達(dá)到控制方式切換溫度點(diǎn)時(shí)，改變溫度控制方式，轉(zhuǎn)入以發(fā)射體溫度為控制目標(biāo)，實(shí)施加熱回路的閉環(huán)控制，直到點(diǎn)火成功并停止加熱，稱這段加熱過(guò)程為啟動(dòng)加熱后段。后段加熱期間，閉環(huán)控制執(zhí)行PID控制算法，但必須嚴(yán)格控制超調(diào)量，防止發(fā)射體過(guò)熱。

圖7 啟動(dòng)加熱前段控制函數(shù)示意圖

4.2 點(diǎn)火控制

點(diǎn)火過(guò)程的控制，本質(zhì)上是控制點(diǎn)火過(guò)程中點(diǎn)火電源輸出的總能量，消耗的能量越少，對(duì)陰極引起的濺射也越少，陰極的工作壽命就會(huì)越長(zhǎng)。為減少點(diǎn)火過(guò)程消耗的能量，首先要盡量縮短輝光模式下的放電時(shí)間，使其盡量短，第二是降低點(diǎn)火電壓。點(diǎn)火時(shí)，以上次點(diǎn)火參數(shù)或前段時(shí)間點(diǎn)火參數(shù)為依據(jù)，首先對(duì)陰極的點(diǎn)火性能作一個(gè)初步判斷，在設(shè)定的三檔中選定一個(gè)合適的檔位。與檔位配合的是點(diǎn)火時(shí)發(fā)射體的最佳溫度。在對(duì)陰極實(shí)施加熱時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)射體的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到最佳點(diǎn)火溫度時(shí)，啟動(dòng)點(diǎn)火電源發(fā)出一個(gè)點(diǎn)火脈沖。若該脈沖點(diǎn)火未成功，可延遲一小段時(shí)間（幾秒到幾十秒）后再行點(diǎn)火，三次點(diǎn)火不成功判為點(diǎn)火失敗。最佳溫度的工程定義為以選定的點(diǎn)火電源檔位輸出一個(gè)點(diǎn)火脈沖，以一次點(diǎn)火90%的概率成功點(diǎn)火時(shí)的發(fā)射體溫度。

4.3 觸持電流控制

觸持電流的作用是穩(wěn)定放電，消除意外熄弧，電流值的大小可以調(diào)節(jié)。調(diào)大觸持電流，對(duì)放電穩(wěn)定有利，但對(duì)陰極壽命不利，因此，觸持電流的選定是在放電穩(wěn)定與延長(zhǎng)壽命之間權(quán)衡的結(jié)果。如果負(fù)載穩(wěn)定，可以關(guān)斷觸持電源以延長(zhǎng)壽命；如果負(fù)載不夠穩(wěn)定，可適當(dāng)增加觸持電流。另一方面，可通過(guò)調(diào)節(jié)觸持電流微調(diào)發(fā)射體的溫度，使發(fā)射體工作在最佳溫度上。

4.4 供氣控制

陰極的供氣控制與觸持電源的控制一起實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極性能衰減的補(bǔ)償，是一個(gè)長(zhǎng)周期的緩慢調(diào)整過(guò)程，正常情況下，陰極累計(jì)工作上千小時(shí)可能才需要調(diào)整一次，在配電與控制上提供調(diào)整氣體流率和觸持恒流值的功能，其設(shè)定值由衛(wèi)星運(yùn)行管理系統(tǒng)提供。

5 結(jié)論

作者提出的配電與控制方式，在陰極的地面試驗(yàn)中得到了采用，取得了較好的效果，既減少了陰極早期失效的幾率，又延長(zhǎng)了陰極的工作壽命，但要在工程上實(shí)用，還需要針對(duì)具體的陰極做細(xì)致的工作，確定具體的工作和控制參數(shù)，使陰極工作在最佳狀態(tài)，與陰極一起進(jìn)行壽命試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

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