電推進系統(tǒng)空心陰極產(chǎn)品試驗技術(shù)

張?zhí)炱?，劉樂柱，賈艷輝

（蘭州物理研究所，甘肅蘭州730000）

0 引言

空心陰極是離子和霍爾電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。電推進技術(shù)發(fā)展和電推進系統(tǒng)應(yīng)用的實踐證明，空心陰極不僅對電推進系統(tǒng)的工作效率和可靠性具有重要影響，而且也是電推進系統(tǒng)長壽命和高可靠的最主要限制因素[1～5]。最近10多年，美國在千瓦級電推進空心陰極技術(shù)方面獲得了突破性進展，深空一號離子推力器空心陰極在空間飛行累計工作達到16kh以上[6]，其備份推力器陰極地面試驗累計壽命達到30kh以上[7,8]。

電推進空心陰極的研制仍然未能擺脫對試驗技術(shù)的強烈依賴[9]，空心陰極產(chǎn)品更是要通過一系列嚴格的鑒定試驗和驗收試驗，才能被應(yīng)用于空間飛行航天器電推進系統(tǒng)。從空心陰極的試驗分類、試驗設(shè)備及產(chǎn)品試驗技術(shù)等三個方面介紹電推進系統(tǒng)應(yīng)用空心陰極產(chǎn)品的試驗技術(shù)。

1 試驗分類與試驗設(shè)備

1.1 試驗分類

電推進空心陰極一般都帶觸持極，主要目的是降低陰極部件腐蝕和點火電壓（功率）。模擬電推進系統(tǒng)空心陰極工作情況的試驗系統(tǒng)基本組成如圖1，試驗需要加熱器、觸持極、點火及陽極4個電源，陽極可以是對實際推力器上陽極的模擬，也可以是對中和器情況等離子體電位虛擬表面的模擬。

從結(jié)構(gòu)形式上，可以把空心陰極試驗分為三種類型：

(1)二極結(jié)構(gòu)類型試驗。二極結(jié)構(gòu)類型試驗就是陰極只對觸持極放電。這種類型試驗不是對電推進陰極正常工作情況的模擬，而是對電推進旁路工作和點火工作情況的模擬，其中的旁路工作情況包括無束流引出的點火中和器、無陽極放電的點火放電陰極。二極試驗類型非常適合陰極點火啟動可靠性和點火啟動循環(huán)壽命的驗證；

(2)三極結(jié)構(gòu)類型試驗。三極結(jié)構(gòu)類型試驗就是陰極同時對觸持極和陽極放電。這種類型試驗是對電推進陰極實際工作情況的近似模擬。有時候為了研究實際推力器放電室對陰極工作性能的影響，往往采用模擬推力器放電室磁場、真空度、屏柵、陽極形狀及距離的三極試驗方法，這種試驗具有很高的仿真能力；

(3)陽極結(jié)構(gòu)類型試驗。陽極結(jié)構(gòu)類型試驗就是陰極只對陽極放電，觸持極處于浮電位。陽極試驗比二極試驗更接近陰極實際工況，因為電推進陰極正常工作時的陽極電流遠大于觸持極電流，早期的有些霍爾推力器應(yīng)用甚至采用無觸持極陰極。

從電推進空心陰極工程產(chǎn)品研制的角度，可以把空心陰極試驗分為研制試驗、驗收和鑒定試驗及壽命驗證試驗等類別。這種試驗分類和其他航天產(chǎn)品研制的試驗分類沒有本質(zhì)的差別。需要特別指出，對電推進空心陰極的最真實試驗還是推力器配套試驗，但由于試驗成本費用昂貴和對配套試驗設(shè)備系統(tǒng)的高要求，一般僅限于陰極工程產(chǎn)品的鑒定試驗或壽命驗證試驗，并且與推力器甚至整個電推進系統(tǒng)的鑒定試驗或壽命驗證試驗同步安排實施，如深空一號飛行備份推力器的30kh壽命驗證試驗[7,8]。

1.2 試驗設(shè)備

相對完整的電推進空心陰極試驗設(shè)備系統(tǒng)的組成包括：真空艙設(shè)備、推進劑氣體供應(yīng)系統(tǒng)、陰極電源、陰極組件 (含觸持極)、測量與診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、模擬陽極（放電室）及真實推力器等。其中的測量與診斷系統(tǒng)包括內(nèi)診斷設(shè)備、外診斷設(shè)備及數(shù)據(jù)獲取與貯存等組成部分。圖2給出了各部分之間的相互關(guān)聯(lián)。

陰極試驗真空艙設(shè)備一般為不銹鋼材料結(jié)構(gòu)真空室，采用低溫泵抽氣系統(tǒng)而不用擴散泵，以防止油擴散對陰極發(fā)射體及表面的污染。真空室尺寸根據(jù)內(nèi)部診斷設(shè)備、模擬推力器、陰極試驗流率范圍、真空度要求等具體情況確定。陰極試驗對真空度的要求一般在1×10-3～3×10-2Pa范圍，對壽命驗證試驗，真空度應(yīng)當盡可能高些。

推進劑氣體供應(yīng)系統(tǒng)為陰極提供流率范圍、穩(wěn)定度和氣體純度滿足試驗要求的氙氣及其他推進劑氣體。對鋇鎢陰極，要求的氙氣純度應(yīng)達到99.999%的研究級或99.9995%的推進級。對六硼化鑭陰極純度要求可降低一個量級。陰極試驗推進劑供應(yīng)系統(tǒng)的組成包括氙氣瓶、管路、機械調(diào)壓閥、開關(guān)閥、壓力傳感器、氣體純化器、流量傳感器及流量控制調(diào)節(jié)器等。氣體純化器的作用是吸收水和氧等對陰極發(fā)射體具有化學(xué)中毒作用的雜質(zhì)，這點對鋇鎢陰極的長壽命試驗非常重要。氣體流率調(diào)節(jié)對絕大多數(shù)陰極試驗都是必要的，常用的流量調(diào)節(jié)功能元件包括針閥、多孔節(jié)流器及磁致伸縮節(jié)流器等。因為陰極試驗的流率非常低（mg/s量級），流量傳感器都是特殊研制的。管路一般為電拋光不銹鋼管，內(nèi)表面粗糙度均方根要達到38μm，使用前要進行10多小時的烘烤出氣處理，以清除吸附的有害氣體雜質(zhì)。供應(yīng)系統(tǒng)中相對大氣處于負壓（真空）的下游部分的密封性要很好，防止大氣中的氧和水等分子滲入到管路內(nèi)，必要時可以把負壓部分放在輔助真空室中。

陰極電源共4個，分別為加熱器電源、觸持極電源、點火電源及陽極電源。加熱器、觸持及陽極電源均為穩(wěn)流電源，加熱器電源穩(wěn)流要求是由加熱絲電阻特性決定的，開始加熱時的低電阻不允許通過大電流，否則會燒損電阻絲。觸持和陽極電源的穩(wěn)流特性是電推進穩(wěn)定工作的必要條件。點火電源在早期采用過高壓直流，現(xiàn)在全采用高壓直流脈沖。試驗時4個電源與陰極發(fā)射體共地，并直接接于真空艙設(shè)備的地。

陰極試驗的測量與診斷系統(tǒng)的組成對不同試驗差別較大。安裝在真空艙內(nèi)部的常用診斷設(shè)備包括測量陰極等離子體參數(shù)的朗謬耳探針、測量陰極表面不同位置溫度的溫度傳感器等。安裝在真空艙外部的常用診斷設(shè)備包括測量溫度及分布的光學(xué)高溫計、熱成像輻射計等。陰極試驗測量的參數(shù)較多，包括加熱器電流和電壓、觸持極電流和電壓、陽極電流和電壓、推進劑流率、真空艙壓力、陰極溫度及等離子參數(shù)等。直流電流大小通過電源輸出讀數(shù)測量，直流電壓用多道電壓表測量，交流電流和電壓成分用數(shù)字示波器測量。推進劑流率及其穩(wěn)定性測量用流量計和壓力傳感器，等離子體參數(shù)測量用L探針，陰極溫度測量用熱偶、高溫光學(xué)溫度計及熱成象輻射計等。常用的熱偶溫度傳感器包括鉑-鉑銠熱偶和鎢錸（5%）-鎢錸（26%）熱偶等。

控制系統(tǒng)對試驗過程進行控制和監(jiān)測，實施試驗系統(tǒng)保護和故障中斷，記錄各種測量參數(shù)。對壽命驗證試驗，應(yīng)用控制系統(tǒng)是節(jié)省試驗成本的必要選擇。模擬推力器陽極從最簡單的陽極模擬，到比較復(fù)雜的磁場和陽極形狀模擬，一直到實際的推力器。另外，對進行高低溫點火鑒定試驗的陰極，還需要配置高低溫環(huán)境條件控制裝置。

2 產(chǎn)品試驗技術(shù)

2.1 性能試驗

陰極性能試驗的目的是為了表征當前狀態(tài)陰極在額定工作條件下的工作性能，所以陰極性能試驗經(jīng)常在磨損試驗、驗收試驗、鑒定試驗及壽命驗證試驗中出現(xiàn)，作為確認陰極工作性能是否正?；蚬ぷ餍阅茏兓笮〉挠行侄?。性能試驗一般采用三極結(jié)構(gòu)類型，有時候也采用二極結(jié)構(gòu)或陽極結(jié)構(gòu)類型。

以三極結(jié)構(gòu)類型試驗為例，進行陰極性能試驗時，觸持極電流和陽極電流始終處在額定值點，具體的試驗步驟為：(1)首先在額定推進劑流率下測量陰極穩(wěn)定工作后的觸持極電壓、陽極電壓；(2)小增量調(diào)高流率，測量新流率下穩(wěn)定工作后的觸持極電壓、陽極電壓；(3)相對額定流率對稱減小調(diào)節(jié)流率，再次測量新流率下穩(wěn)定工作后的觸持極電壓、陽極電壓；(4)繪制流率與觸持極電壓和陽極電壓的試驗曲線。

2.2 驗收試驗和鑒定試驗

所有陰極在交付和裝配前應(yīng)進行組件級驗收試驗。試驗項目、試驗次序及試驗方法包括：(1)加熱器確信試驗。進行150次加熱器加熱循環(huán)試驗，確認加熱器功能和加熱規(guī)程，沒有發(fā)現(xiàn)加熱器電阻特性的可觀測變化為通過試驗； (2)在二極結(jié)構(gòu)類型下進行工作試驗，在額定流率下測量觸持極電壓與電流關(guān)系，并確認其重復(fù)性；(3)在三極結(jié)構(gòu)類型下進行工作試驗，在額定流率下同時測量觸持極和陽極電壓與電流關(guān)系，并確認重復(fù)性； (4)進行驗收級力學(xué)環(huán)境試驗； (5)重復(fù)進行 (2)中的二極結(jié)構(gòu)類型試驗，并比較振動前后電壓與電流曲線，沒有異常變化為通過。陰極組裝于推力器或推力器裝配于航天器后，還需要進行包括振動、沖擊、輻射和傳導(dǎo)電磁發(fā)射及敏感性、熱真空等驗收試驗，這里不再敘述。

空心陰極產(chǎn)品的鑒定試驗基于完成并通過驗收試驗的產(chǎn)品，主要的試驗項目包括：鑒定級力學(xué)環(huán)境試驗、高低溫點火試驗、點火循環(huán)次數(shù)壽命試驗及累計工作壽命試驗等。其中后兩項試驗將在2.3中專門介紹。鑒定級力學(xué)環(huán)境試驗包括振動和沖擊試驗，力學(xué)環(huán)境試驗前后應(yīng)分別進行陰極性能試驗，通過對比性能試驗結(jié)果來判定陰極產(chǎn)品是否通過了鑒定級試驗。陰極高低溫點火試驗的主要目的是確認陰極具有能夠在應(yīng)用環(huán)境最低溫度條件下能夠可靠點火并正常工作的能力，試驗采用二極結(jié)構(gòu)類型，點火采用實際工作點火程序和額定工作條件，陰極溫度以陰極頂板溫度或觸持極溫度為代表。具體的最低溫度條件根據(jù)航天器使命確定，從低軌道的-50°C左右到同步軌道的-90°C左右，對深空探測航天器可能達到-150°C以下。低溫點火試驗時測量點火電壓、點火時間和點火后穩(wěn)定工作的電流和電壓參數(shù)，并與室溫或更高溫度點火試驗數(shù)據(jù)進行比較。陰極高低溫點火試驗至少應(yīng)進行8次高低溫?zé)嵫h(huán)和低溫端點火啟動。

2.3 壽命驗證試驗

空心陰極壽命驗證試驗應(yīng)當是鑒定試驗的內(nèi)容，但由于其高成本和長周期等特殊性，這里單獨介紹。電推進空心陰極的壽命包括累計工作時間壽命和點火啟動次數(shù)壽命兩個方面，累計工作時間壽命驗證的最低要求為電推進實際工作累計壽命的全額（1倍）驗證，一般要求為達到1.5倍。點火次數(shù)驗證以相應(yīng)的可靠度為依據(jù)，常用的可靠度分為90%、95%及99%等，點火次數(shù)壽命試驗可靠性采用威布爾分布進行統(tǒng)計分析，例如為達到99%可靠度的6000次點火要求，試驗次數(shù)要達到32000次。壽命驗證試驗中，陰極暴露大氣后必須進行激活程序處理，出現(xiàn)非陰極本身原因引起的試驗中斷后，重新開始試驗前，可安排進行一次陰極性能試驗。

累計工作時間壽命驗證試驗采用三極結(jié)構(gòu)類型，陰極工作在額定條件或最大發(fā)射電流工作條件，壽命試驗中的陰極性能通過觸持極電壓、陽極電壓、發(fā)射體溫度、點火電壓及點火時間等監(jiān)測參數(shù)判斷，點火時間增加、觸持極電壓升高、點火電壓升高及發(fā)射體溫度升高都是陰極性能出現(xiàn)衰退的表現(xiàn)，其原因包括發(fā)射體表面化學(xué)變化、浸漬源材料消耗、加熱器性能衰減、陰極孔和觸持極孔物理變化等。累計工作壽命驗證試驗中需要預(yù)先制定終止壽命試驗的準則，主要是點火電壓、點火時間、陽極電壓、觸持極電壓、發(fā)射體溫度等單個參數(shù)或幾個參數(shù)的規(guī)定值范圍。累計工作時間壽命驗證試驗結(jié)束后，往往需要進行破壞性檢測，采用的方法和檢測內(nèi)容包括：(1)陰極和發(fā)射體外觀的光學(xué)和電子顯微鏡檢查，以確認物理狀態(tài)； (2)用掃描電鏡的二次電子和背散射電子發(fā)射圖象確定陰極表面的微觀形貌特征； (3)用掃描電鏡的能量色散X射線質(zhì)譜儀確定表面沉積物基本元素； (4)用X射線微衍射分析儀確認發(fā)射體表面的化合物組成； (5)陰極頂板和陰極孔的金相分析。

點火啟動或循環(huán)壽命試驗采用二極結(jié)構(gòu)類型，可以采用加速剖面方法、實際工作剖面方法或者兩種方法的組合，實際工作剖面方法就是按照陰極實際應(yīng)用時的不工作時間（或旁路時間）和工作時間進行循環(huán)，而加速剖面方法中對陰極實際應(yīng)用工作時間和不工作時間進行適當縮減，以加快試驗進度。工作時間縮減以發(fā)射電流達到額定值、觸持極電壓達到穩(wěn)定工作電壓的90%以上為前提條件，不工作時間縮減以陰極點火必須使用點火電源而不是直接用觸持電源即可實現(xiàn)點火為條件。實際試驗中可以采用2種剖面的分段工作或交替工作。循環(huán)點火的程序與一般點火類似，循環(huán)壽命試驗中的陰極性能通過觸持極電壓、發(fā)射體溫度、點火電壓、點火時間等監(jiān)測參數(shù)判斷，終止試驗的準則也需要預(yù)先規(guī)定。

陰極壽命驗證試驗是一種高成本、長周期的試驗，與推力器一起進行壽命驗證試驗的成本更高，例如6.4mm鋇鎢陰極在深空一號飛行備份推力器上的30kh壽命試驗就歷時4年多[7]，對100kh工作壽命和1.2倍試驗驗證要求，時間將長達15年以上[2,10]，將變得非常不現(xiàn)實，因此需要發(fā)展基于試驗數(shù)據(jù)和理論模型基礎(chǔ)上的空心陰極工作壽命可靠預(yù)測技術(shù)[11,12]。

3 結(jié)論

(1)空心陰極是電推進系統(tǒng)的可靠性和工作壽命關(guān)鍵部件。

(2)空心陰極產(chǎn)品的驗收試驗和鑒定試驗正在逐步走向規(guī)范。

(3)隨著電推進功率水平和工作壽命要求的大幅增加，空心陰極試驗的高成本和長周期使得進行完全的壽命驗證試驗變得不現(xiàn)實，發(fā)展基于試驗數(shù)據(jù)和理論模型基礎(chǔ)之上的壽命預(yù)測可靠方法非常必要。

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