LIPS-100電推進(jìn)高精度寬范圍連續(xù)可調(diào)電源測(cè)試驗(yàn)證

王成飛，楊福全，趙 勇，孫明明，張興民，施凱敏

（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.深圳航天新源科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

作為電推進(jìn)系統(tǒng)的核心單機(jī)，電推進(jìn)電源技術(shù)的發(fā)展對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)有著決定性作用。典型的離子電推進(jìn)電源由屏柵電源、加速電源、陽(yáng)極電源、陰極加熱電源、主陰極觸持電源、陰極點(diǎn)火電源、中和器加熱電源、中和器觸持電源以及中和器點(diǎn)火電源組成。部分多工作點(diǎn)和連續(xù)可調(diào)電推進(jìn)中還須采用勵(lì)磁電源對(duì)推力器工作磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)推力連續(xù)可調(diào)功能。其中屏柵電源為1 000 V以上的高壓電源與陽(yáng)極電源構(gòu)成電推進(jìn)電源輸出功率的主要電源，占整個(gè)電源輸出功率的90%以上。典型的霍爾電推進(jìn)電源包括陽(yáng)極電源、勵(lì)磁電源、中和器加熱電源、中和器觸持電源及中和器點(diǎn)火電源，其中陽(yáng)極電源為300 V以上的高壓電源，輸出功率占整個(gè)系統(tǒng)功率的90%以上。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電推進(jìn)電源滿(mǎn)足了從推力器單一工作點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)可調(diào)工作點(diǎn)的發(fā)展需求，為從LEO到深空探測(cè)等不同類(lèi)型的空間任務(wù)提供了重要的技術(shù)保障。

在連續(xù)可調(diào)電推進(jìn)領(lǐng)域，國(guó)外典型的ESA海洋環(huán)流和地球重力場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星GOCE均選用英國(guó)Qintiq公司的T5離子電推進(jìn)進(jìn)行阻力補(bǔ)償，為重力梯度儀提供無(wú)拖曳飛行環(huán)境。T5離子推力器的推力范圍為1～20 mN，推力分辨率優(yōu)于12 μN(yùn)，最大響應(yīng)速度為2.5 mN/s，推力噪聲優(yōu)于1.2 mN/＠1 mHz或0.012 mN/＠100 Hz，比沖為300～3 500 s[1-2]。作為GOCE衛(wèi)星電推進(jìn)備選方案，德國(guó)的RIT-10電推進(jìn)系統(tǒng)推力范圍為1～41 mN，推力分辨率達(dá)20 μN(yùn)[3-5]。日本SLATS任務(wù)中為實(shí)現(xiàn)精確的軌道高度控制，采用的推力為10～28 mN，比沖為2 000～2 500 s[6]。電源處理與控制單元PPCU的性能指標(biāo)直接關(guān)系到電推進(jìn)系統(tǒng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?；趩螜C(jī)技術(shù)要求的指標(biāo)體系及測(cè)試評(píng)價(jià)方法，是目前針對(duì)該類(lèi)離子電推進(jìn)研究的熱點(diǎn)之一。

針對(duì)我國(guó)低軌衛(wèi)星無(wú)拖曳任務(wù)及軌道位置對(duì)高精度寬范圍連續(xù)可調(diào)離子電推進(jìn)系統(tǒng)的需求，蘭州空間技術(shù)物理研究所開(kāi)展了LIPS-100離子電推進(jìn)系統(tǒng)的研制。本文將結(jié)合推力器試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，研究建立PPCU指標(biāo)體系及測(cè)試評(píng)價(jià)方法，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以評(píng)估方法、有效性和最終指標(biāo)的符合性為目標(biāo)。

1 關(guān)鍵指標(biāo)體系建立

LIPS-100離子推力器配套的PPCU主要為離子推力器提供運(yùn)行所需的10路電源、推力器監(jiān)測(cè)功能，并通過(guò)通信接口與星載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互。相較于LIPS-200單點(diǎn)和LIPS-300多模離子推力器采用的永磁鐵環(huán)尖場(chǎng)方案，為實(shí)現(xiàn)推力的寬范圍精細(xì)調(diào)節(jié)，LIPS-100離子推力器采用了螺線(xiàn)管電磁鐵發(fā)散場(chǎng)方案。通過(guò)陽(yáng)極推進(jìn)劑流率、放電磁場(chǎng)和電場(chǎng)三個(gè)決定離子推力器放電室中氣體放電強(qiáng)弱和等離子密度大小的因素，確定了大推力比、高精度、高分辨率的推力調(diào)節(jié)[6-8]。任務(wù)要求推力范圍為1～20.0 mN，推力分辨率優(yōu)于15 μN(yùn)。綜合考慮電源設(shè)計(jì)復(fù)雜度和推力調(diào)節(jié)方案的優(yōu)化，兼顧比沖指標(biāo)，最終選定陽(yáng)極流量、陽(yáng)極電流、勵(lì)磁電流作為控制參數(shù)，通過(guò)陽(yáng)極流量、陽(yáng)極電流的開(kāi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)推力的寬范圍調(diào)節(jié)，通過(guò)勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)推力的精細(xì)調(diào)節(jié)。其中陽(yáng)極電流和勵(lì)磁電流由PPCU供電參數(shù)決定，其精度和調(diào)節(jié)范圍對(duì)推力指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著十分重要的影響。

離子推力器的推力計(jì)算式為[9]：

式中：k為推力計(jì)算系數(shù)，由二價(jià)離子比例和束流發(fā)散角決定，通常取1.57；Vb為屏柵電壓，取1 200.00 V；Ib為屏柵電流。

對(duì)式（1）微分可得：

式中：p為屏柵電流相對(duì)分辨率；q為屏柵電壓相對(duì)分辨率；令dT=15 μN(yùn)，T=20 mN可得到滿(mǎn)足推力分辨率需求時(shí)的屏柵電壓、電流的最小相對(duì)分辨率為p=q=0.5%。

根據(jù)推力器試驗(yàn)結(jié)果，勵(lì)磁電流Im不變時(shí)，陽(yáng)極電流IA與屏柵電流Ib成比例關(guān)系，即：

根據(jù)式（1）可計(jì)算出1～20 mN對(duì)應(yīng)的屏柵電流為18.0～367.0 mA，代入式（3）可得陽(yáng)極電流范圍。對(duì)式（3）求偏導(dǎo)，結(jié)合式（1）可得推力變化15 μN(yùn)時(shí)陽(yáng)極電流的分辨率。

陽(yáng)極電流IA不變時(shí)，勵(lì)磁電流Im與屏柵電流Ib成二次方關(guān)系，即：

勵(lì)磁電流的范圍與分辨率計(jì)算與陽(yáng)極電流相同。利用地面電源試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出式（3）中的kba，式（4）中a、b、c。最終確定PPCU屏柵電源、陽(yáng)極電源、勵(lì)磁電源的指標(biāo)要求如表1所列。

表1 PPCU高精度電源指標(biāo)要求Tab.1 The requirements of PPCU high-precision power

2 PPCU驗(yàn)證方法

PPCU對(duì)LIPS-100離子推力器的供電電源可分為三類(lèi)：穩(wěn)壓源、穩(wěn)流源和脈沖電源[10-12]。其中穩(wěn)壓源中的屏柵電源、穩(wěn)流源中的陽(yáng)極電源、勵(lì)磁電源對(duì)推力的寬范圍調(diào)節(jié)和高推力精度的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。除常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目外[13-14]，考慮到推力調(diào)節(jié)速度和精度的要求，須對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、輸出精度和采集精度等進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的PPCU測(cè)試驗(yàn)證流程為：

（1）采用等效電阻負(fù)載或電子負(fù)載對(duì)PPCU各電源模塊進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證輸出精度、采集精度等指標(biāo)的滿(mǎn)足性；

（2）模擬推力器工作方式，驗(yàn)證PPCU各電源之間的耦合特性；

（3）與推力器聯(lián)試，驗(yàn)證PPCU與實(shí)際離子電推進(jìn)工作的匹配性及最終指標(biāo)的滿(mǎn)足性。

PPCU流程如圖1所示。PPCU常規(guī)項(xiàng)測(cè)試沿用電源常規(guī)測(cè)試方法，關(guān)鍵指標(biāo)中的屏柵電源、勵(lì)磁電源、陽(yáng)極電源重點(diǎn)項(xiàng)測(cè)試方法為[15]：

（1）屏柵電源接高精度電子負(fù)載，采用VITREK4700高精度電壓表測(cè)試輸出電源，利用電子負(fù)載獲取輸出電流，依據(jù)設(shè)定輸出、實(shí)際輸出和采集值得到輸出精度和采集精度；

（2）陽(yáng)極電源和勵(lì)磁電源接高精度電阻負(fù)載，采用KEITHLEY DMM6500高精度萬(wàn)用表測(cè)試它們的輸出電流和電壓；設(shè)置輸出為1～20.0 mN對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)參數(shù)，評(píng)估它們的寬范圍調(diào)節(jié)能力；在每個(gè)工況點(diǎn)處按照最小調(diào)節(jié)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)輸出，測(cè)試輸出分辨率；依據(jù)設(shè)定輸出、實(shí)際輸出和采集值得到輸出精度和采集精度。

圖1 PPCU測(cè)試驗(yàn)證流程Fig.1 The test and validation diagram of PPCU

3 結(jié)果及分析

按照流程建立PPCU指標(biāo)體系，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，最終通過(guò)PPCU與推力器的聯(lián)試驗(yàn)證指標(biāo)的符合性。試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所的TS-6S電推進(jìn)試驗(yàn)真空設(shè)備中進(jìn)行，設(shè)備真空室直徑為1.5 m，長(zhǎng)度為4 m；主泵為2臺(tái)外置式氮?dú)獬樗贋?×104L/s的低溫泵和2臺(tái)內(nèi)置式氙氣抽速為1.49×104L/s的低溫泵，設(shè)備注入10 cm2/min流量的氙氣，可獲得低于1×10-3Pa的壓力；供氣設(shè)備采用TS-6S專(zhuān)用供氣柜，可提供精度為0.4%讀數(shù)+0.2%滿(mǎn)量程的陽(yáng)極流量及0.8%讀數(shù)+0.2%滿(mǎn)量程的中和器和陰極流量。

不同的負(fù)載下PPCU高精度電源的部分測(cè)試點(diǎn)輸出情況如表2所列。其中屏柵電源在負(fù)載為15.1 mA、390 mA時(shí)可實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，電壓、電流穩(wěn)定度在0.1%；陽(yáng)極電源輸出可實(shí)現(xiàn)0.100 0 A、1.000 A、3.000 A，大范圍輸出，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的電流分辨率優(yōu)于1.0 mA，輸出勵(lì)磁電源可實(shí)現(xiàn)0.015 0 A、0.500 0 A、1.000 0 A范圍輸出，分辨率優(yōu)于0.5 mA。

表2 PPCU與模擬負(fù)載聯(lián)試結(jié)果Tab.2 The results of test PPCU with load simulator

不同工況點(diǎn)陽(yáng)極電流、勵(lì)磁電流與推力的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中中和器觸持電流、主陰極觸持電流、屏柵電壓、加速電壓保持恒定。從圖2（a）（b）可以看出，PPCU在各工況點(diǎn)與推力器匹配良好，陽(yáng)極電流、勵(lì)磁電流可實(shí)現(xiàn)1.0～20.0 mN工況點(diǎn)的大范圍調(diào)節(jié)。

圖2 不同工況點(diǎn)推力調(diào)節(jié)結(jié)果Fig.2 The result of thrust adjustment at different operating points

圖2（b）為在1.0～20.0 mN調(diào)節(jié)推力，當(dāng)推力變化較大時(shí)，存在“下凹”情況，主要原因是推力從小到大調(diào)節(jié)時(shí)，須先調(diào)節(jié)陽(yáng)極流量，再調(diào)節(jié)陽(yáng)極電流到推力對(duì)應(yīng)值，最后通過(guò)勵(lì)磁電流進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，當(dāng)陽(yáng)極流量增大，未調(diào)節(jié)電參數(shù)時(shí)，放電室中的離子比例降低，引出束流減小，推力減小，從圖2（d）陽(yáng)極電壓的變化中也可以證明該現(xiàn)象。當(dāng)將陽(yáng)極電流、勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)到位時(shí)，陽(yáng)極電壓恢復(fù)至期望值。圖2（c）表明，調(diào)節(jié)時(shí)中和器觸持電流、主陰極觸電流保持恒定，而圖2（d）中電壓隨著推力的增大而減小，表明調(diào)節(jié)過(guò)程中中和器和主陰極中的等離子體負(fù)載隨著陽(yáng)極流量的增大而減小。

圖3（a）為20.0 mN工況點(diǎn)處陽(yáng)極電流不變，勵(lì)磁電流按照0.50 mA分辨率調(diào)節(jié)結(jié)果，圖3（b）為對(duì)應(yīng)的推力變化情況。在20.0 mN工況點(diǎn)增大勵(lì)磁電流時(shí)，推力呈先減小后增大趨勢(shì)。離子推力器采用氙工質(zhì)的最大離子束電流密度J計(jì)算公式為：

圖3 勵(lì)磁電流和陽(yáng)極電流分辨率測(cè)試結(jié)果Fig.3 The results of magnet current and anode current resolution

式中：VT為屏柵極和加速柵極電壓絕對(duì)值之和；lg為熱態(tài)柵間距；ts為柵極厚度；ds為柵極小孔直徑。

20.0 mN工況點(diǎn)為推力器發(fā)熱量最大的點(diǎn)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)推力器未達(dá)到熱平衡，導(dǎo)致柵間距l(xiāng)g逐漸增大，使離子束電流密度降低，進(jìn)而使推力減?。浑S著勵(lì)磁電流的增大，推力器內(nèi)部磁場(chǎng)變強(qiáng)，工質(zhì)利用率增大，逐漸抵消柵極距變化的影響，推力隨之增大。

圖3（c）為20.0 mN工況點(diǎn)處陽(yáng)極電流不變，勵(lì)磁電流按照0.50 mA分辨率調(diào)節(jié)結(jié)果，圖3（d）為對(duì)應(yīng)的推力變化情況。對(duì)比陽(yáng)極電流和勵(lì)磁電流測(cè)試結(jié)果：勵(lì)磁電流設(shè)定值與采集值吻合良好，陽(yáng)極電流設(shè)定值與采集值存在固定差值，主要原因是陽(yáng)極電源采集電路介入等離子體負(fù)載時(shí)受到干擾影響，導(dǎo)致設(shè)定值與采集值存在固定差值；而勵(lì)磁電源負(fù)載為阻性負(fù)載，不存在該現(xiàn)象。

表3為不同工況點(diǎn)陽(yáng)極電流和勵(lì)磁電流分辨率計(jì)算結(jié)果。采用式（5）計(jì)算分辨率Re：

式中：m為測(cè)量次數(shù)；N為每次測(cè)量的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；Ai為測(cè)量值；mmedium為m次結(jié)果的中位數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明：陽(yáng)極電流分辨率可達(dá)1.0 mA，勵(lì)磁電流分辨率可達(dá)0.50 mA。在1～20.0 mN各工況點(diǎn)處，通過(guò)陽(yáng)極電流、勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)可使推力分辨率優(yōu)于15 μN(yùn)。

表3 不同推力設(shè)定值下PPCU陽(yáng)極電流和勵(lì)磁電流分辨率測(cè)試結(jié)果Tab.3 The results of PPCU anode current and magnet current resolution at different thrust settings

綜合上述分析，PPCU關(guān)鍵電源指標(biāo)——屏柵電壓實(shí)測(cè)輸出為1 200.76～1 201.35 V，穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1%，帶載能力覆蓋1.0～20.0 mN（束電流18.0～367.0 mA）需求；陽(yáng)極電流可實(shí)現(xiàn)0.100 0～3.000 A，分辨率為1.0 mA的調(diào)節(jié)要求；勵(lì)磁電流可實(shí)現(xiàn)0.015 0～1.000 0 A，分辨率為0.5 mA高精度寬范圍調(diào)節(jié)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示，指標(biāo)體系的建立與電源的設(shè)計(jì)方案能夠滿(mǎn)足任務(wù)需求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)高精度寬范圍離子推力器的推力調(diào)節(jié)應(yīng)用需求，分析了配套PPCU的關(guān)鍵電源指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了實(shí)施方案，并對(duì)電源原理樣機(jī)的輸出性能和與推力器的匹配性進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證測(cè)試，得到以下結(jié)論：

（1）PPCU陽(yáng)極、勵(lì)磁、屏柵關(guān)鍵電源的指標(biāo)滿(mǎn)足要求，與推力器實(shí)際聯(lián)試可實(shí)現(xiàn)推力1.0～20 mN，分辨率優(yōu)于15 μN(yùn)的推力寬范圍高精度調(diào)節(jié)，表明了測(cè)試驗(yàn)證方法的有效性；

（2）根據(jù)指標(biāo)體系建立過(guò)程確定的PPCU關(guān)鍵指標(biāo)，能夠達(dá)到最終期望的推力范圍和推力精度，表明該指標(biāo)體系建立方法的合理性；

（3）通過(guò)陽(yáng)極流量、陽(yáng)極電流、勵(lì)磁電流三個(gè)參數(shù)的配合，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍高精度的推力調(diào)節(jié)，證明了所制定的推力調(diào)節(jié)策略的有效性。

后續(xù)研究中，將根據(jù)LIPS-100離子推力器的推力調(diào)節(jié)特性，開(kāi)展氙氣供給單元的研制，通過(guò)建立數(shù)學(xué)分析模型，設(shè)計(jì)控制算法，實(shí)現(xiàn)PPCU與推力器的高精度寬范圍推力閉環(huán)控制。