面向空間無拖曳飛行任務(wù)的連續(xù)變推力離子推力器研制

胡 竟，王東升，楊福全，耿 海，賈艷輝 ，張?zhí)炱?，郭德洲，谷增?/p>

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

為降低航天器的加速度殘余擾動，滿足空間科學(xué)任務(wù)對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的需求，20世紀(jì)60年代Lange[1]提出了實(shí)現(xiàn)航天器無拖曳飛行的技術(shù)方案，其基本思想是利用高分辨率、高精度的微小推力實(shí)時抵消作用在航天器上除重力外的所有空間環(huán)境擾動和衛(wèi)星自身擾動，確保航天器沿著純重力的軌道飛行?；趯?shí)時抵消干擾力和力矩的無拖曳飛行技術(shù)已在Triad I實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星[2]、GP-B衛(wèi)星[3-4]、GOCE衛(wèi)星[5-12]和LISA Pathfinder衛(wèi)星[13]空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中得到驗(yàn)證和進(jìn)一步完善。

針對無拖曳飛行阻尼補(bǔ)償任務(wù)提出的推力寬范圍、高精度、連續(xù)可調(diào)和快速響應(yīng)需求，傳統(tǒng)的化學(xué)推力器存在點(diǎn)火啟動擾動大、推力變化范圍窄、工作壽命短的問題。以離子推力器為代表的電推進(jìn)產(chǎn)品具有比沖高、壽命長、推力精確可調(diào)的突出優(yōu)勢[14]，成為航天器實(shí)施無拖曳飛行任務(wù)的唯一選擇。得益于離子推力器的固有工作原理，放電室內(nèi)等離子體的產(chǎn)生過程與離子束流的引出過程之間耦合性較弱，因此可在偏離最佳工作點(diǎn)的功率區(qū)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的工作穩(wěn)定性，效率、比沖等關(guān)鍵性能指標(biāo)能夠保持在較優(yōu)狀態(tài)，使得離子推力器在實(shí)現(xiàn)輸出推力寬范圍、高精度、連續(xù)調(diào)節(jié)的同時，確保推力分辨率、推力噪聲及調(diào)節(jié)精度與速率達(dá)到較高水平[15]。因此，離子推力器成為完成航天器無拖曳飛行任務(wù)的最佳選擇。

本文以滿足重力梯度測量衛(wèi)星無拖曳飛行任務(wù)及近地軌道觀測衛(wèi)星精確維軌任務(wù)為目標(biāo)，介紹面向空間無拖曳飛行任務(wù)的連續(xù)變推力離子推力器設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證情況，為重力梯度測量衛(wèi)星及近地軌道觀測衛(wèi)星開展無拖曳空間飛行提供技術(shù)支持。

1 連續(xù)變推力離子推力器工作原理及特點(diǎn)

1.1 離子推力器的變推力原理

如圖1所示，在給推力器放電室、主陰極和中和器提供所需流量的推進(jìn)劑氙氣后，主陰極產(chǎn)生的電子受電場力作用進(jìn)入放電室。在放電室中，電子在電磁場的耦合作用下，以磁感應(yīng)線為導(dǎo)軸，以螺旋振蕩運(yùn)動的方式向陽極運(yùn)動。電子的螺旋式運(yùn)動大幅增加了其運(yùn)動路程，提高了氙原子被碰撞和電離的概率，增大了氙離子濃度，形成了由電子、氙離子和氙原子組成的等離子體云。等離子體中的電子最終被陽極吸收，離子在電場力作用下，被柵極組件聚焦、加速、引出，并產(chǎn)生反作用的推力。在推力器放電室外部，引出的離子與中和器發(fā)射的電子相互中和，形成電中性的粒子束流，確保航天器整體的電中性狀態(tài)。在此過程中，氙氣作為介質(zhì)完成了電能向動能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了所需的推力。

圖1 連續(xù)變推力離子推力器工作原理及配電關(guān)系Fig.1 Working principle and power connection relationship of continuous variable-thrust ion thruster

基于上述工作原理可知，為實(shí)現(xiàn)高精度、寬范 圍連續(xù)推力調(diào)節(jié)，推力器必須具有連續(xù)、穩(wěn)定的等離子體密度調(diào)節(jié)能力。只有放電室內(nèi)等離子體密度的連續(xù)穩(wěn)定可調(diào)，方可實(shí)現(xiàn)柵極組件引出離子密度的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出推力的連續(xù)調(diào)節(jié)。

通常離子推力器可通過以下參數(shù)的單獨(dú)調(diào)節(jié)或組合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)等離子體密度的寬范圍、高分辨率連續(xù)可調(diào)：

（1）放電室流量：改變工質(zhì)氣體流量可改變放電室中性氣體密度，進(jìn)而改變放電室等離子體密度，使得引出的束流密度大小隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)推力的調(diào)節(jié)；

（2）陽極電流：陽極電流大小代表了陰極發(fā)射電子的多少，陰極發(fā)射電子增多后會有更多的電子與推進(jìn)劑原子碰撞，使其電離。因此調(diào)節(jié)陽極電流大小可改變放電室等離子體密度，實(shí)現(xiàn)推力的調(diào)節(jié)；

（3）磁場強(qiáng)度：磁場可約束放電區(qū)域中的電子，使電子與中性氣體的碰撞概率提高。改變放電室磁場強(qiáng)度，可以在較大范圍內(nèi)改變氣體電離率，從而改變放電等離子體密度，最終改變推力大??；

（4）加速電壓：在柵極結(jié)構(gòu)一定的條件下，柵極與引出束流密度直接相關(guān)，因此在放電室等離子體參數(shù)不變的情況下，調(diào)節(jié)加速電壓可改變引出束流的密度和速度，實(shí)現(xiàn)推力的調(diào)節(jié)。

1.2 變推力離子推力器特點(diǎn)

執(zhí)行常規(guī)推進(jìn)任務(wù)的離子推力器均設(shè)計(jì)為單點(diǎn)和多點(diǎn)工作模式。為了使結(jié)構(gòu)簡單并簡化電源系統(tǒng)，由永磁體提供磁場，通過調(diào)節(jié)工質(zhì)流量、陽極電流和加速電壓改變工作點(diǎn)。這種模式對推力的調(diào)節(jié)范圍有限，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)精細(xì)調(diào)節(jié)，無法滿足推力寬范圍連續(xù)調(diào)節(jié)任務(wù)需求。針對無拖曳飛行任務(wù)的推力寬范圍、高精度、連續(xù)可調(diào)和快速響應(yīng)需求，采用陽極流量、陽極電流和磁場強(qiáng)度三個參數(shù)的組合調(diào)節(jié)方法進(jìn)行寬范圍連續(xù)變推力調(diào)節(jié)。由于螺線管電磁體負(fù)載不會受到等離子體擾動的影響，因此通過調(diào)節(jié)勵磁電流即可調(diào)節(jié)磁場從而穩(wěn)定精確地調(diào)節(jié)推力。采用該組合調(diào)節(jié)方式的變推力離子推力器具有以下特點(diǎn)：

（1）在實(shí)現(xiàn)寬范圍推力調(diào)節(jié)的同時能保持相對較高的比沖；

（2）推力調(diào)節(jié)控制關(guān)系簡單，控制精度高；

（3）可避免高電壓的實(shí)時連續(xù)調(diào)節(jié)，降低電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理與控制單元的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)工作的可靠性與安全性；

（4）采用勵磁電流可實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

2 連續(xù)變推力離子推力器關(guān)鍵因素設(shè)計(jì)

2.1 放電室

放電室作為直接包絡(luò)等離子體的部件，具有支撐穩(wěn)定放電的功能。本文主要從放電室磁場構(gòu)型、放電室發(fā)散場長徑比、磁場特性及擋板等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)選。

（1）放電室磁場構(gòu)型優(yōu)選

磁場構(gòu)型是離子推力器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，放電室方案的選擇本質(zhì)上是磁場構(gòu)型的選擇。選擇合適的磁場使進(jìn)入放電室中的工質(zhì)氙氣電離，必須考慮陽極供氣、放電電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度等放電室工作輸入?yún)?shù)調(diào)節(jié)的需求。目前國際上離子推力器采用的放電室磁場構(gòu)型有環(huán)尖場和發(fā)散場兩種，一般從功能性能的可實(shí)現(xiàn)性、研制經(jīng)驗(yàn)的可借鑒性和應(yīng)用任務(wù)的滿足性等角度進(jìn)行優(yōu)選。

連續(xù)變推力離子推力器采用的基于螺線管電磁鐵的發(fā)散場磁場構(gòu)型具有結(jié)構(gòu)簡單、外形緊湊的顯著優(yōu)勢。

（2）放電室發(fā)散場長徑比設(shè)計(jì)

放電室發(fā)射場長徑比是指有效放電室長度Ld與放電室口徑Dd之比，是影響放電室性能的重要參數(shù)之一，對每一種口徑的發(fā)散場離子推力器都存在最佳值。當(dāng)放電室口徑Dd確定后，長度Ld就是影響該放電室性能的重要參數(shù)。對于發(fā)散場放電室，利用放電室內(nèi)原初電子區(qū)的特征長度Lc，可以獲得發(fā)散場離子推力器最佳工作性能狀態(tài)下有效放電室長度Ld與放電室直徑Dd之間的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[16]：

式中：Ωp、Ap分別為放電室內(nèi)原初電子區(qū)的體積及包圍面積。

（3）磁場特性設(shè)計(jì)

磁場特性設(shè)計(jì)重點(diǎn)是特征點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場發(fā)散度計(jì)算選擇。

（4）擋板設(shè)計(jì)

在發(fā)散場放電室磁場構(gòu)型條件下，為使空心陰極發(fā)射的電子受到磁場約束向最佳放電區(qū)域擴(kuò)散，提高電離率和改善束流均勻性，最有效的措施是在陰極極靴端面增加擋板，將放電室分成主放電區(qū)和等離子體耦合區(qū)。

以發(fā)散場放電室內(nèi)部等離子體的運(yùn)動方程和擴(kuò)散方程為理論基礎(chǔ)，通過等離子體參數(shù)與離子推力器宏觀工作參數(shù)之間的關(guān)系，可以推導(dǎo)出擋板直徑的理論計(jì)算模型，如式（2）所示[16]

式中：DB為玻姆（Bohm）擴(kuò)散修正系數(shù)；Bˉ為通道內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度；d2為陰極極靴內(nèi)徑；d1為擋板直徑；Ianode、Vanode分別為陽極電流、陽極電壓；Ibeam為束流；Vkeeper為觸持電壓；nm、nc分別為放電室內(nèi)陽極、主陰極的中性氣體密度。

2.2 空心陰極

空心陰極作為自持放電的電子源組件，為實(shí)現(xiàn)放電室內(nèi)等離子體密度的寬范圍、快速調(diào)節(jié)，應(yīng)具備在較寬的放電強(qiáng)度下高效、穩(wěn)定發(fā)射電子的能力。由此，在空心陰極設(shè)計(jì)過程中，必須確保其放電空腔中溫度和推進(jìn)劑氣壓的穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

以滿足重力梯度測量衛(wèi)星無拖曳飛行任務(wù)及近地軌道觀測衛(wèi)星精確維軌任務(wù)為目標(biāo)，我國開展了10 cm口徑連續(xù)變推力離子推力器的工程產(chǎn)品研制[17-18]。針對推力器的連續(xù)變推力特性及整星的高可靠、長壽命應(yīng)用需求，對推力器的寬范圍高精度推力調(diào)節(jié)特性、空間環(huán)境適應(yīng)性及壽命特性進(jìn)行了研究分析。

3.1 寬范圍高精度推力調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所TS-6S離子推力器性能測試試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行。設(shè)備真空室的內(nèi)徑為1.5 m、長度為4 m，空載抽氣24 h后壓力低于5×10-5Pa，加載10 cm3/min氙氣后，壓力低于1×10-3Pa。采用地面供電及供氣系統(tǒng)為推力器供電、供氣。其中，地面供電系統(tǒng)的屏柵電源電流穩(wěn)定度在15～480 mA內(nèi)優(yōu)于0.3%；陽極電源的電流分辨率優(yōu)于8 mA，在0.3～4.0 A內(nèi)電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.5%；勵磁電源的電流分辨率優(yōu)于3 mA，在0.015～0.850 A內(nèi)電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.5%；陽極流量的供氣精度為±3%。

為降低系統(tǒng)的復(fù)雜性及控制難度，試驗(yàn)過程中將陽極供氣分為10組，每組對應(yīng)1檔陽極電流，將勵磁電流作為主控參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。勵磁電流調(diào)節(jié)過程中推力器推力變化規(guī)律如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著勵磁電流的增大推力逐漸增大。同一組陽極供氣下推力器輸出推力的差值最大達(dá)到5 mN，最小約為3 mN；對比臨近兩組陽極供氣發(fā)現(xiàn)，推力器在前一組供氣下輸出推力的最大值大于在下一組供氣下輸出推力的最小值，使得不同陽極供氣狀態(tài)下可調(diào)節(jié)的推力不斷檔，從而確保推力調(diào)節(jié)的連續(xù)性。試驗(yàn)結(jié)果表明：基于地面供氣及供電系統(tǒng)，推力器可在100～730 W的功率范圍內(nèi)進(jìn)行0.75～25.02 mN的推力寬范圍調(diào)節(jié)，比沖為400～3 360 s，推力分辨率優(yōu)于50 μN(yùn)。因此，以陽極供氣和陽極電流的調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，結(jié)合勵磁電源的高精密調(diào)節(jié)，可以滿足推力器在1～25 mN內(nèi)的高精度、連續(xù)調(diào)節(jié)的需求。

圖2 推力輸出隨勵磁電流的變化規(guī)律Fig.2 Variation law of thrust with magnet current

3.2 空間環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

抗力學(xué)特性、熱環(huán)境適應(yīng)性及耐原子氧特性是空間環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證的重點(diǎn)。

（1）抗力學(xué)特性驗(yàn)證

抗力學(xué)特性驗(yàn)證包括加速度試驗(yàn)、沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)和振動試驗(yàn)，表1為連續(xù)變推力離子推力器的鑒定級沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)條件。經(jīng)測試：推力器力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)后外觀完整，工作狀態(tài)正常，連續(xù)變推力性能未發(fā)生明顯變化。結(jié)果表明，10 cm口徑連續(xù)變推力離子推力器具有良好的抗力學(xué)特性。

表1 連續(xù)變推力離子推力器的鑒定級沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)條件Tab.1 Shock response spectrum test conditions for qualification level

（2）熱環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

結(jié)合整星熱環(huán)境工作要求及離子推力器工作特性，進(jìn)行了累計(jì)循環(huán)次數(shù)為25.5次的熱真空試驗(yàn)，其中高、低溫分別為110℃和-90℃。圖3為熱真空試驗(yàn)前后工作性能計(jì)算結(jié)果的對比。

圖3 熱真空試驗(yàn)前后工作性能對比Fig.3 Comparison of working performance before and after thermal vacuum test

從圖3可以看出，熱真空試驗(yàn)前后，推力器的輸出推力、比沖及功率均保持穩(wěn)定，首末循環(huán)下的工作性能同樣保持穩(wěn)定。此外，分析首末循環(huán)時空心陰極在高低溫環(huán)境中的6次點(diǎn)火啟動時長發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷累計(jì)循環(huán)次數(shù)為25.5次的高低溫循環(huán)后空心陰極狀態(tài)正常，點(diǎn)火時長保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯異常，如圖3（d）所示。

熱真空試驗(yàn)充分證明，10 cm口徑連續(xù)變推力離子推力器具有良好的熱環(huán)境適應(yīng)性。

（3）耐原子氧特性

航天器在低軌飛行會遭受原子氧環(huán)境的影響。對于安裝在整星結(jié)構(gòu)外的離子推力器而言，原子氧主要影響推力器的空心陰極和供電組件等部組件。經(jīng)測算，為順利完成重力梯度測量衛(wèi)星及近地軌道觀測衛(wèi)星無拖曳飛行任務(wù)，上述部組件應(yīng)能承受累計(jì)通量不低于5.595×1021atoms/cm2的原子氧輻照。

為此，在蘭州空間技術(shù)物理研究所開展了試驗(yàn)總通量為5.75×1021atoms/cm2的原子氧輻照試驗(yàn)。試驗(yàn)后，空心陰極能夠正常點(diǎn)火啟動，陽極電壓、點(diǎn)火時長等性能參數(shù)穩(wěn)定，滿足篩選試驗(yàn)合格判據(jù)和設(shè)計(jì)要求；供電組件的外觀及耐壓特性均未發(fā)生變化，表明具有良好的耐原子氧能力。

通過高于規(guī)定通量的原子氧暴露試驗(yàn)充分驗(yàn)證了10 cm口徑連續(xù)變推力離子推力器良好的耐原子氧特性。

3.3 壽命特性摸底

為驗(yàn)證10 cm口徑連續(xù)變推力離子推力器累計(jì)工作壽命指標(biāo)的滿足性，進(jìn)行了累計(jì)點(diǎn)火時長為500 h的短期磨損考核，以獲取壽命關(guān)鍵特征參數(shù)，為壽命預(yù)測模型校準(zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并初步確認(rèn)推力器是否存在早期隨機(jī)性失效模式。

短期磨損考核摸底在蘭州空間技術(shù)物理研究所TS-6B離子推力器試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行，采用地面供電及供氣系統(tǒng)為推力器供電和供氣。試驗(yàn)過程中以5 mA步長調(diào)節(jié)勵磁電流，確保束流控制在376 mA±3 mA范圍內(nèi)。試驗(yàn)以累積工作100 h為一小節(jié)，共計(jì)五小節(jié)，其中在第一小節(jié)試驗(yàn)前和最后一小節(jié)試驗(yàn)后分別檢測放電室、柵極組件及空心陰極的狀態(tài)。500 h短期磨損考核中推力器性能變化情況如圖4所示。

圖4 500 h短期磨損考核中推力器性能變化Fig.4 Performance change of thruster in 500 h short-term wear test

從圖4可以看出，500 h短期磨損考核中推力、比沖及功率變化情況符合預(yù)期，推力器性能未發(fā)生明顯變化，整機(jī)效率保持穩(wěn)定。圖5為試驗(yàn)前后柵極組件屏柵中心小孔外觀及孔徑變化情況。

圖5 500 h短期磨損前后屏柵中心孔外觀及孔徑變化Fig.5 Appearance and aperture change of grid center hole before and after 500 h short-term wear test

從圖5可以看出，試驗(yàn)后屏柵中心孔的孔徑基本無變化，屏柵表面出現(xiàn)離子濺射刻蝕痕跡，整體外觀情況符合預(yù)期。此外，檢查加速柵外觀發(fā)現(xiàn)，加速柵中心孔周圍出現(xiàn)輕微腐蝕形成的凹坑，最大腐蝕深度約為4.2 μm，兩個小孔之間的橋梁地帶形成了帶狀凹槽形腐蝕，最深處約為1.9 μm。500 h短期磨損后加速柵中心孔外觀如圖6所示。

圖6 500 h短期磨損后加速柵中心小孔外觀Fig.6 Appearance of accelerator grid center hole after 500 h short-term wear test

基于500 h短期磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對柵極組件PIC-MCC壽命分析模型進(jìn)行了校正，結(jié)合束流密度分布及雙核離子修正影響，預(yù)估柵極組件壽命約為15 114 h。

4 結(jié)論

針對重力梯度測量衛(wèi)星及近地軌道觀測衛(wèi)星無拖曳空間飛行任務(wù)需求，分析了離子推力器連續(xù)變推力的工作原理?；诖?，研究了推力器輸出推力寬范圍、高精度、快速連續(xù)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵要素，并通過寬范圍高精度推力調(diào)節(jié)特性、空間環(huán)境適應(yīng)性及壽命特性研究，揭示了10 cm口徑連續(xù)變推力離子推力器的工程特性，得到以下結(jié)論：

（1）可以通過陽極流量、陽極電流、磁場強(qiáng)度及加速電壓等參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)放電室內(nèi)等離子體密度的連續(xù)穩(wěn)定、寬范圍調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出推力的連續(xù)調(diào)節(jié)；

（2）基于地面供電、供氣條件，采取陽極流量、陽極電流及磁場強(qiáng)度組合調(diào)節(jié)方法，在100～730 W功率內(nèi)使10 cm口徑連續(xù)變推力離子推力器實(shí)現(xiàn)0.75～25.02 mN的推力寬范圍調(diào)節(jié)，比沖達(dá)到400～3 360 s，推力分辨率優(yōu)于50 μN(yùn)；

（3）10 cm口徑連續(xù)變推力離子推力器具有良好的空間環(huán)境適應(yīng)性，整機(jī)壽命預(yù)估達(dá)到15 114 h。