離子電推進非預期電擊穿的工程防護技術(shù)研究①

張雪兒，張?zhí)炱?，李得天，?宏

(蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，甘肅省空間電推進技術(shù)重點實驗室，蘭州 730000)

0 引言

離子電推進在具有比沖高、性能調(diào)節(jié)便利、適用范圍廣、技術(shù)成熟度好等顯著優(yōu)點的同時[1-2]，一直存在非預期電擊穿(打火)問題[3-4]。已有研究表明離子推力器的非預期電擊穿(本文簡稱擊穿)現(xiàn)象具有普遍性和復雜性[3-10]。我國離子電推進經(jīng)過長達40多年的發(fā)展，正在步入航天器推廣應用的關鍵時期[11]，正確認識離子電推進非預期電擊穿問題，不斷深化理解擊穿機理及規(guī)律，有效采取工程控制與防護技術(shù)措施，具有非常重要的意義。

在已有初步機理研究和對比研究的基礎上[3-4]，本文結(jié)合實例對擊穿的工程隱患基本問題進行簡要介紹，對基于推力器及其環(huán)境、電推進系統(tǒng)及其航天工程的擊穿控制與防護技術(shù)進行全面系統(tǒng)的討論，以期對保障我國離子電推進的成功應用提供技術(shù)及工程借鑒。

1 工程基本問題

1.1 離子推力器的非預期電擊穿

離子推力器與電源處理單元(power processing unit, PPU)各輸出電源之間的典型連接關系如圖1所示[12]，離子推力器加電工作時，其陽極、屏柵極等電極在屏柵電源1000 V以上的(正)高電位，外殼在零電位、加速柵極處于加速電源-200 V以下(負)低電位，而離子推力器的高電位電極與低電位電極之間的間距一般小于4 mm，特別是屏柵極和加速柵極間距小于1 mm。在推力器設計時電極間電位差和間距都是性能與可靠性折中優(yōu)化的結(jié)果，但離子推力器的研制和應用經(jīng)驗均表明，無論地面條件還是空間環(huán)境下，在離子推力器正常工作過程中都會發(fā)生擊穿事件[2-13]，這種擊穿被定義為離子推力器的非預期電擊穿，其影響因素及誘發(fā)機理非常復雜[3]。

圖1 離子推力器與PPU配套關系

離子推力器非預期電擊穿的現(xiàn)象包括：

(1)電極間發(fā)生瞬態(tài)或暫態(tài)短路，電流顯著增大、電壓明顯降低；

(2)常伴隨有肉眼可見的光閃爍；

(3)嚴重的擊穿可引起推力器工作失穩(wěn)。

離子推力器的非預期電擊穿主要包括屏柵與加速柵之間擊穿、屏柵與外殼之間擊穿、陽極與外殼之間擊穿、加速柵與外殼之間擊穿等。由于屏柵極和加速柵極之間電位差最大、間距最小，因此兩柵極之間的擊穿(簡稱柵間擊穿)成為最容易發(fā)生和工程中最需要解決的難題之一。

1.2 擊穿事件的基本處理方法

各國離子推力器在實際應用工程中發(fā)生擊穿事件的判別，采取的保護措施和恢復正常工作的程序基本上大同小異，幾種典型處理方法分別為：

(1)美國NSTAR離子推力器在深空一號(DS-1)和黎明號(Dawn)航天器應用中[5-6]，利用電源處理單元連續(xù)監(jiān)測束電流或加速電流，當監(jiān)測值超過設置閾值時判定為發(fā)生擊穿，此時立即自動關閉屏柵電源和加速電源(統(tǒng)稱為高壓電源)且將放電電流下調(diào)到4 A，停留秒級時間后，重新加載高壓電源，如果引發(fā)擊穿的因素已經(jīng)消除(消失)，則能穩(wěn)定引出束流，然后調(diào)高放電電流到額定值，推力器恢復正常工作狀態(tài)。

(2)英國T5離子推力器在地球重力場和海洋環(huán)流探測(GOCE)衛(wèi)星上完成的無拖曳控制任務中[7]，其擊穿分為束流和加速兩類，一旦監(jiān)測到這兩類電流超出閾值，判定為發(fā)生擊穿，并立即重啟推力器，整個恢復周期在2 s內(nèi)，如果重啟失敗，則給出故障信息及遙測數(shù)據(jù)。

(3)德國RIT-10射頻離子推力器在Artemis衛(wèi)星應用中[8]，以實測束電源電壓低于額定值80%以下作為擊穿判據(jù)，發(fā)生擊穿后6 ms內(nèi)關閉柵極高壓電源，數(shù)秒后重新加載高壓電源，推力器恢復正常工作。

(4)日本μ10微波離子推力器在Hayabusa-1航天器應用中[9]，一旦發(fā)現(xiàn)擊穿引起的熄滅，在30 s后自動重啟系統(tǒng)。

1.3 非預期電擊穿的工程隱患

離子推力器非預期電擊穿的工程隱患典型實例：

(1)日本星際微衛(wèi)星南河三(PROCYON)原計劃完成深空探測任務，但由于其作為主推進的微型離子推力器于2015年3月10日發(fā)生柵極之間擊穿導致的短路且無法消除[1,13]，航天器錯失原計劃的地球引力輔助和飛掠探測目標的機會，最后只能放棄。

(2)最早應用XIPS-13離子推力器的波音公司BSS-601HP平臺，曾在早期多顆衛(wèi)星上發(fā)生了因推力器擊穿與PPU耦合導致的電推進系統(tǒng)失效[1,12]，并顯著縮短衛(wèi)星服役壽命。

(3)日本Hayabusa-1航天器的離子電推進，入軌后進行2臺推力器同時工作在軌測試時，出現(xiàn)了由出氣引發(fā)的頻繁擊穿，隨后3臺推力器進行長時間工作時，又由于高頻次擊穿導致工作中斷[1,14]。

(4)在地面離子推力器壽命試驗中，發(fā)生過多次因非預期電擊穿而導致推力器放電室熄弧的事件，包括NEXT推力器[15]和NSTAR推力器[16]。

(5)日本14 cm離子推力器用C/C柵試驗時擊穿頻次明顯比鉬柵高得多，且最終因出現(xiàn)連續(xù)擊穿，高壓無法加載，導致試驗被迫終止[17]。

由此可見，擊穿對航天工程的影響甚至危害是多方面的[3]。對離子推力器自身而言，除了受控和可恢復的束流(推力)中斷外，嚴重的擊穿可導致中和器或放電室陰極熄滅、柵極表面損傷、甚至柵極之間永久短路等情況；對離子電推進系統(tǒng)而言，擊穿可導致系統(tǒng)工作中斷、推力器或PPU單機失效、系統(tǒng)工作可靠性降低等后果；對航天任務而言，擊穿將導致實際輸出推力(沖量)小于預期水平、預定正常工作被臨時中斷、連續(xù)穩(wěn)定推力輸出被破壞、電推進系統(tǒng)失效等情況。

1.4 中國SJ-20衛(wèi)星LIPS-300離子電推進在軌工作初期的非預期電擊穿

基于東方紅五號(DFH-5)平臺的第一顆衛(wèi)星實踐二十(SJ-20)于2019年12月27日發(fā)射，衛(wèi)星配置了4臺LIPS-300離子推力器組成的電推進系統(tǒng)承擔全位保任務，衛(wèi)星入軌后從2020年4月4日到29日，電推進依次完成了系統(tǒng)預處理、首次額定工況工作、推力標定、兩臺同時工作驗證、正式位保等預定工作。在軌監(jiān)測到的各工作段內(nèi)柵間擊穿次數(shù)N和推力器工作時間t如表1所示，其中SE、SW、NE、NW分別代表東南、西南、東北、西北四個方位的推力器,表中括號內(nèi)數(shù)字代表連續(xù)擊穿導致的系統(tǒng)重啟次數(shù)。

表1 SJ-20離子推力器初始階段擊穿次數(shù)和工作時間統(tǒng)計

LIPS-300推力器在SJ-20衛(wèi)星應用中工作初期的擊穿特性存在幾個特點：

(1)擊穿頻次相對較高，特別是NW推力器；

(2)擊穿頻次隨工作時間累計呈現(xiàn)逐漸降低趨勢；

(3)考慮LIPS-300的三柵極因素后，擊穿頻次與國外航天器應用的雙柵離子推力器相當[4]；

(4)采用了不同于國外的連續(xù)擊穿事件工程處理方法(見3.2)，出現(xiàn)了4次連續(xù)擊穿導致的系統(tǒng)重啟，包括SE推力器的3次和NW推力器的1次。

2 推力器及其環(huán)境的非預期電擊穿控制與防護技術(shù)

2.1 推力器自身的非預期電擊穿控制與防護技術(shù)

2.1.1 柵極材料的選擇

離子推力器柵極材料的選擇取決于性能和壽命需求，除了導熱性、對高溫和離子濺射的耐受性、加工性等方面的考慮外，還要顧及其抗擊穿能力。材料的抗擊穿能力一般通過經(jīng)典球-平板電極真空條件下測得的擊穿場強來表征。目前應用較多的是鉬和碳基材料[18-19]，其中鉬材料的抗擊穿性能優(yōu)于碳基材料[4]，而鈦材料具有比鉬和碳更高的擊穿電場強度，因此從抑制擊穿的角度看，鈦是更好的選擇[20]。

2.1.2 柵間最大工作電場強度及安全裕度

柵極間電場強度是影響擊穿的主要因素之一[3-4]，場強越小擊穿頻次越低，這與推力器的高性能要求矛盾：柵極工作電壓越大比沖性能越高，柵間距越小離子引出效率越高?？傮w上，離子推力器的推力密度與電場的關系為[21]

(1)

式中f為推力密度；E為電場強度；ηu為推進劑利用率；Vb為束電壓；Va為加速電壓；ε0為真空介電常數(shù)。

為此工程上采用柵極工作場強最大設計值及安全裕度控制方法。定義柵極額定工作場強安全系數(shù)為

K=Em0/Em

(2)

式中K為柵極額定工作場強安全系數(shù)；Em0為真空電擊穿最小場強，由柵極組件材料和幾何形狀決定，可通過測試與試驗獲得；Em為額定工況下柵間最大場強。

考慮到電極邊緣、非理想表面狀態(tài)、柵極間距熱形變等相關因素后，最小安全系數(shù)一般取6以上。表2列出了離子推力器產(chǎn)品額定工況下的場強及最小安全系數(shù)Kmin，包括計算場強所需的柵間距、最大總電壓等參數(shù)，表中推力器均采用鉬柵，其Em0=18 kV/mm[22]。

表2 典型鉬柵離子推力器的柵極最小場強安全系數(shù)

2.1.3 最大工作束流密度及安全裕度

擊穿頻次不僅與平均束流密度大小有關，還受束流密度分布均勻性和變化范圍的影響。其主要影響機理與柵極的離子過聚焦或欠聚焦直接相關[19]，與柵極熱狀態(tài)變化間接相關[4]。束流均勻性常用平直度(束流密度平均值與最大值之比)來度量，通過放電室設計和變孔徑柵極設計等途徑提高，目前最好水平為NEXT離子推力器已達到的0.85左右[23]。柵極極限束流密度受空間電荷效應影響并滿足查理德定理[18-19]：

(3)

式中jmax為柵極極限束流密度；VT為總加速電壓；lg為有效柵間距；m為離子質(zhì)量；e為電子電荷。

極限束流密度與最大工作束流密度之比定義為束流密度安全系數(shù)，目前工程上常用的束流密度安全系數(shù)一般都大于2[24]。表3列出了離子推力器產(chǎn)品的束流密度安全系數(shù)，其中平均束流密度由束流除以柵極截面積得到，最大束流密度由平均束流密度除以平直度得到。由于LIPS-200的束流平直度較低，導致束流密度安全系數(shù)低于2.0。

表3 典型離子推力器的束流密度安全系數(shù)

2.1.4 柵極表面狀態(tài)和非均勻熱形變控制

柵極表面狀態(tài)直接影響柵極表面局部場強，微凸、尖端或毛刺都會產(chǎn)生場增強效應，并通過場增強電子發(fā)射機制誘發(fā)擊穿[3]。邊緣鈍化、表面電拋光或研磨處理等措施都能夠有效抑制局部場增強。但對離子推力器來說，由于柵極在工作過程中不可避免地要一直承受交換電荷離子的濺射腐蝕，表面刻蝕及其濺射沉積物使得初始光滑的表面狀態(tài)難以持續(xù)維持。所幸工程上可以利用擊穿的自清潔效應，能夠在很大程度上解決這一難題，將在3.2節(jié)中討論。柵極在工作循環(huán)過程中存在熱形變，如果熱形變不一致不僅會導致柵間距不均勻、局部電場增強，而且會使得柵孔中心偏離、離子聚焦性能變差，這兩種情況都容易引起擊穿?？刂茻嵝巫円恢滦缘姆椒òú捎们鏂艠O、采用熱應力可釋放組裝結(jié)構(gòu)、選用熱膨脹系數(shù)小或一致的材料等[2,19,25]。

2.2 推力器環(huán)境的非預期電擊穿控制與防護技術(shù)

2.2.1 內(nèi)部低氣壓環(huán)境控制與防護

低氣壓誘發(fā)的擊穿在空間工作初期和地面試驗暴露大氣等情況下占據(jù)主導地位[3-4]。離子推力器內(nèi)的低氣壓主要來自工作介質(zhì)氣體、外部環(huán)境(背景)氣體、表面或材料釋放氣體等三方面。工作介質(zhì)氣體(推進劑)的控制包括：(1)防止工質(zhì)氣體漏入真空區(qū)(如陽極和外殼之間的區(qū)域)產(chǎn)生低氣壓環(huán)境，主要通過結(jié)構(gòu)密封性設計和防止產(chǎn)生裂縫來保證；(2)防止柵極間產(chǎn)生低氣壓，主要通過放電室高效率電離減少流向下游的氣體分子和柵極組件小流導(大流阻)阻止放電室氣體進入柵極來控制。實踐證明合理設計放電室和柵極組件完全可以避免柵間低氣壓導致的擊穿。

無論是地面試驗中的環(huán)境氣體，還是空間應用中的出氣(解析)，都是通過吸附氣體的解析或自含材料的出氣產(chǎn)生低氣壓，除了盡可能用金屬材料(裸線)而不用有機材料外，在推力器工作前進行有效的出氣處理是關鍵，加熱和抽氣的組合成為最常用手段。

2.2.2 等離子體環(huán)境控制與防護

等離子環(huán)境是誘發(fā)或增強非預期電擊穿的最重要因素[3-4]，離子推力器應用和試驗的等離子體環(huán)境包括了放電室及柵極組件內(nèi)部等離子體、中和器及束流外部等離子體、空間或地面真空艙彌散環(huán)境等離子體。其中內(nèi)部等離子體的控制重點包括柵極的束流聚焦性能、柵間交換電荷離子密度、放電室雙荷離子比例等方面，理想的束流聚焦性能和盡可能少的交換電荷離子密度都有利于降低擊穿概率，而雙荷離子比例還與放電室濺射腐蝕相關。另外，通過機械密封設計或等離子體屏蔽設計來防止放電室等離子體的泄漏也非常重要，該泄漏是導致陽極與外殼、屏柵與外殼等電極間非預期電擊穿的主導因素。

控制外部等離子的重點是防止中和器電子反流進入柵極組件，電子反流會導致束電流快速增大，等效于柵極擊穿效應[3]。防止電子反流通過兩方面的控制措施實現(xiàn)：一是與加速柵孔徑和束流密度相匹配的加速極電壓及安全裕度設計[19-26]；二是合理的柵極高壓電源開啟及關閉程序，以確保始終有足夠大的加速電壓能阻止電子反流發(fā)生[5]。

2.2.3 內(nèi)部多余物及表面污染物控制與防護

離子推力器內(nèi)部多余物及表面污染是引發(fā)擊穿的重要因素[3,4,6-7]，多余物及污染來源包括生產(chǎn)制造過程中的殘留物、試驗和應用過程中的外來物、推力器工作過程中的自產(chǎn)物等方面。生產(chǎn)制造過程中的殘留物采用常規(guī)方法即可有效控制。

地面試驗中的外來物控制與防護措施主要包括：

(1)貯存、搬運等非工作狀態(tài)下的外來物，包括環(huán)境顆粒物和氣體，通過柵極孔、管路等進入推力器內(nèi)部；防護措施包括采用堵頭、罩蓋，保持潔凈氣氛等。

(2)試驗中的外來物包括真空艙及束流靶的背濺射物、抽真空系統(tǒng)工作介質(zhì)污染、設備維修暴露環(huán)境污染等，分別采取大尺寸和低濺射真空艙、抑制背濺射沉積、低溫泵等潔凈無油抽氣系統(tǒng)、艙內(nèi)隔離真空艙、真空艙受控緩慢放氣等對應措施進行控制和防護。

空間應用中的外來物及污染以星箭分離和矢量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)解鎖產(chǎn)生的多余物、化學推進羽流污染、航天器其他排放物等為主，控制和防護措施應從源頭做起，并在布局上考慮相互位置關系。

2.2.4 內(nèi)部濺射沉積物控制與防護

離子推力器工作時，陽極(極靴)、陰極觸持極、屏柵極和加速極等主要電極不斷受到離子的濺射，濺射產(chǎn)物在各電極表面沉積成膜，積累到一定厚度后在熱冷循環(huán)條件下出現(xiàn)膜層的開裂或脫落，由此形成的電極間多余物或電極表面微凸結(jié)構(gòu)成為誘發(fā)擊穿的重要因素[3-4]。在空間微重力環(huán)境下，剝離物處于漂浮狀態(tài)且運動很隨機，需要特別重視并進行有效控制。

首先從源頭控制做起，包括減少濺射離子密度和降低濺射離子能量。對陽極極靴、陰極觸持極、屏柵上游面等放電室電極產(chǎn)生濺射的離子來自放電室等離子體，控制措施包括降低放電電壓及其交流波動峰值、減小二次電荷離子比例、采用耐濺射材料等。對柵極孔壁、加速柵面、屏柵下游面等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生濺射的離子來自柵間及下游交換電荷離子，控制措施包括保持良好離子聚焦(避免過聚焦和欠聚焦)、降低加速極工作電壓、減小電荷交換離子產(chǎn)生、減小二次電荷離子比例、采用耐濺射材料等。

其次，提高沉積物蓄留能力可以延長濺射沉積膜開裂或脫落的時間，甚至防止剝離或開裂的發(fā)生；最后是控制脫落或剝離沉積物的尺寸，以避免產(chǎn)生大尺寸多余物，因為大尺寸多余物可導致?lián)舸顟B(tài)難以消除或直接誘發(fā)柵極間短路。這兩個方面的工程控制措施都在易產(chǎn)生較大尺寸多余物并且空間足夠的放電室內(nèi)實施，主要方法是沉積表面的紋理化或蓄留層覆蓋；例如基于篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的陽極表面蓄留層，其蓄留能力提升是通過沉積面坑槽和膜附著力增強來實現(xiàn)的，剝離物尺寸主要取決于紋理化或篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)周期尺寸。地面長壽命試驗和航天器應用都證明了控制措施的有效性[6,16]，最典型的控制效果為NEXT離子推力器完成50 000 h地面壽命試驗后，在放電室收集到的72 000多濺射沉積剝離物中尺寸大于柵間距的比例只有0.5%[27]。

3 電推進系統(tǒng)及航天工程的非預期電擊穿控制與防護技術(shù)

3.1 電推進系統(tǒng)的非預期電擊穿控制與防護技術(shù)

3.1.1 電源處理單元的擊穿健壯性設計及驗證

離子推力器非預期電擊穿近似于電極間短路，脈沖大電流輸出及動態(tài)過程對PPU的束流和加速等高壓電源有直接影響，甚至反饋到電源的輸入級。由此PPU設計應具有適應非預期電擊穿的健壯性，否則單次嚴重擊穿或多次擊穿累計容易造成電源故障甚至失效，如日本工程試驗8號(ETS-8)衛(wèi)星[10,28]和早期BSS-601HP衛(wèi)星[10,12]。

對PPU的擊穿健壯性設計，不僅需要PPU與電阻負載、模擬短路電路、短路棒等進行人為模擬短路驗證[5,29]，更需要PPU與離子推力器實際工況聯(lián)試的充分驗證[29-30]。

3.1.2 系統(tǒng)對擊穿事件的持續(xù)監(jiān)測與快速響應

柵間擊穿事件對應于柵極表面的電弧放電，如果不進行沉積能量的限制控制，容易導致柵極表面損傷甚至燒穿，表面損傷產(chǎn)生更容易誘發(fā)擊穿的微凸或尖端，燒穿嚴重影響束流引出特性或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。為此需要對柵間擊穿事件進行連續(xù)監(jiān)測、一旦發(fā)生要迅速消除電弧持續(xù)條件。由于PPU與推力器之間關系最密切、監(jiān)測擊穿電流或電壓信號最直接、在內(nèi)部電路上采取措施最方便，由此最高效工程措施是PPU具有擊穿快速響應電路及束流循環(huán)程序(Recycle sequence)。

一個具體的束流循環(huán)程序為[5]：在線實時監(jiān)測柵極擊穿的電流特征量，一旦檢測到大的束電流或加速電流，延遲100 ms后關閉屏柵電源，同時調(diào)低放電電流到預設值，再過100 ms后，關閉加速柵電源；接著等待300 ms柵極電弧自動熄滅，重啟加速柵電源，延遲100 ms后重啟屏柵電源引出束流；再過400 ms后調(diào)高放電電流到額定值，推力器恢復正常工作。整個擊穿循環(huán)周期為1 s。

3.1.3 擊穿過程沉積能量的控制技術(shù)

系統(tǒng)對擊穿事件快速響應并啟動束流循環(huán)程序，還不能充分保證柵極表面不受電弧沉積能量的損傷。PPU高壓電源一般為開關電源，發(fā)生擊穿時，即使通過束流循環(huán)程序中斷變壓器的能量傳輸，輸出濾波電容貯存的能量還是要繼續(xù)泄放到擊穿電極表面。為此，工程中擊穿電弧沉積總能量的控制要基于不造成表面損傷的總電荷轉(zhuǎn)移量閾值，該閾值可以通過柵極擊穿及損傷實驗獲得[21,31]，例如對鉬材料柵極電荷轉(zhuǎn)移上限約為1 mC。其中，沉積能量與轉(zhuǎn)移電荷量之間的對應關系如式(4)所示：

(4)

式中ε為沉積能量；I為電弧電流；t為電弧持續(xù)時間；Q為傳輸總電荷。

由此可見，要防止擊穿對柵極造成損傷，應采取打火循環(huán)程序和與之匹配的PPU高壓電源輸出能量貯存限制聯(lián)合措施才能實現(xiàn)。實際應用中，電弧自維持都存在最小電流閾值(稱為截斷電流)，截斷電流主要取決于電極材料特性和間距，一旦電弧電流小于截斷電流就導致熄弧。

3.2 工程應用中的非預期電擊穿控制與防護技術(shù)

3.2.1 入軌預處理程序

離子推力器在發(fā)射入軌后進行預處理是非常必要的程序。一方面經(jīng)過AIT(Assembly, Integration and Test)、貯存、運輸、發(fā)射等過程后，離子推力器各電極表面吸附了環(huán)境氣體、微塵和水汽等污染物；另一方面地面試驗中產(chǎn)生的離子濺射沉積物在吸濕和熱循環(huán)條件下可能出現(xiàn)開裂或翹起。預處理程序可以消除這兩方面的影響，對于保證產(chǎn)品首次工作時具有較低的擊穿頻次非常關鍵[6,9,28,32-33]。

預處理程序一般由管路排氣、陰極點火、放電室點火、束流引出等程序及其適當循環(huán)組成。其中管路排氣主要以消除管路及推力器中殘留雜質(zhì)氣體為目的，陰極點火主要以消除發(fā)射體表面污染為目的，放電室點火主要以消除放電室電極表面吸附氣體和柵極部分吸附氣體為目標，引出束流主要以完全消除柵極吸附氣體和基本消除柵極表面沉積膜開裂或翹起微凸結(jié)構(gòu)、發(fā)射過程中的外來污染物等為目標。其中表面污染物的清除，是加熱蒸發(fā)和離子濺射的雙重作用效應。

預處理過程以擊穿頻次快速降低且趨于穩(wěn)定為特征，其目標實現(xiàn)以擊穿頻次較低、推力器及系統(tǒng)啟動和穩(wěn)態(tài)工作正常為判據(jù)。入軌后實施的相對保守的預處理具體程序，是建立于地面試驗的經(jīng)驗積累和基本程序的充分驗證。

3.2.2 連續(xù)擊穿循環(huán)控制程序

運行擊穿循環(huán)程序后，如果引起擊穿的因素并未消除，電推進系統(tǒng)將再次進入擊穿循環(huán)程序。為此在航天工程中設置了連續(xù)擊穿控制程序或連續(xù)擊穿工作模式[6,28,32]，以防止連續(xù)擊穿對柵極和電源的損傷并防止故障的擴展。國外一個具體的連續(xù)循環(huán)故障模式設置為[6]：控制單元連續(xù)監(jiān)測擊穿頻次，如果在90 s內(nèi)束流恢復次數(shù)到達25次或更多，則電推進系統(tǒng)關機并給出連續(xù)循環(huán)故障信息。

我國SJ-20衛(wèi)星上對LIPS-300離子電推進系統(tǒng)采取了局部有別與國外的擊穿循環(huán)控制程序：

(1)PPU連續(xù)監(jiān)測是否發(fā)生擊穿，一旦檢測到擊穿(屏柵電流≥3.2 A或加速電流≥1.2 A，持續(xù)時間50 μs以上)，則PPU自動啟動擊穿循環(huán)程序，在1.5 s內(nèi)完成高壓電源的關閉和重加載。

(2)針對可能的連續(xù)擊穿情況，PPU在前2 s時間內(nèi)記錄擊穿次數(shù)，依靠擊穿循環(huán)程序自動恢復，但在后2.5 s時間內(nèi)只要再檢測到一次擊穿，就立即啟動連續(xù)擊穿控制程序，具體為：關閉屏柵、加速電源輸出，降低陽極電流到7.5 A，10 s后重新程序加載高壓電源引出額定束流，增大陽極電流到額定值，推力器恢復到額定工況，該控制程序運行周期大約5 min。

(3)如果在加載高壓電源并引出額定束流過程中，連續(xù)擊穿控制程序啟動次數(shù)達到6次，則電推進系統(tǒng)關機并報故障狀態(tài)。

綜上，表1中統(tǒng)計的SJ-20衛(wèi)星電推進首次3 kW工作以后的累計擊穿次數(shù)314次是擊穿循環(huán)和連續(xù)擊穿控制兩類之和，而后者的次數(shù)為4次。

3.2.3 柵間短路清除技術(shù)

如果電推進系統(tǒng)出現(xiàn)連續(xù)擊穿循環(huán)并導致關機，往往意味著柵極之間處于短路狀態(tài)，針對這種極端情況，航天器工程中設置了柵間短路消除工作模式，一個具體實例為NSTAR推力器的短路消除程序[6]：通過PPU輸出切換開關，在柵極之間加載30 s時間的4 A電流，利用焦耳熱燒蝕(蒸發(fā))柵間短路搭橋碎削或多余物。我國LIPS-300系統(tǒng)中應用了類似的短路消除技術(shù)，切換電源為中和器加熱電源的8 A電流，且根據(jù)需要加載在屏柵與加速或者加速與減速之間。

實際工程中要慎用通過燒蝕電源消除柵間短路的措施，因為空間微重力和真空條件下，燒蝕方法存在不能消除甚至加固短路的技術(shù)風險，電流過小無法熔斷，電流過大有可能導致熔焊[34]。為此優(yōu)先推薦采用更可靠的熱循環(huán)方法，通過柵極之間熱循環(huán)引起的間距變化，拉斷或清除短路搭接物，正如DS-1航天器上針對入軌出現(xiàn)短路的處理[1,35]。

針對連續(xù)擊穿循環(huán)導致的關機，航天工程中還采用過基于擊穿本身的蒸發(fā)或燒蝕效應方法，通過遙控指令進行降額束流的多次嘗試引出，有效消除了連續(xù)擊穿循環(huán)狀態(tài)。如Hayabusa-1航天器2003年10月21日和2004年10月對推力器D頻繁擊穿的搶救處理[9,36]，日本ETS-8衛(wèi)星上對NB推力器在累計工作3400 h后出現(xiàn)的頻發(fā)擊穿而中斷工作的處理[28]。這類方法對濺射沉積物開裂或剝離的清除最有效。

4 結(jié)論

離子電推進的非預期電擊穿問題由來已久，對其誘發(fā)因素及過程機理的認識也在不斷深化。通過采取針對離子推力器、工作環(huán)境、電推進系統(tǒng)、航天器工程等多方面的抑制和防護措施，基本上保證了應用離子電推進的航天工程任務的順利實施。但隨著新的航天任務帶來的對更高比沖和更長壽命離子推力器的需求，使得擊穿再次成為航天工程面臨的重要問題。因此需要進一步深入對擊穿現(xiàn)象的研究，并在工程中采取更有航天任務針對性的防護措施。