真空微弧推進系統(tǒng)試驗及在軌測試

趙 楊，鄧永鋒，魏建國，方吉漢，谷振宇，楊煒平，韓先偉，譚 暢，周偉靜

(1.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100；2.北京千乘科技有限公司，北京 100190； 3.航天工程大學，北京 100094)

0 引言

在通信、觀測、遙感等各種軍事、經(jīng)濟和社會需求的牽引下，許多國家已經(jīng)注意到小衛(wèi)星具有的重要戰(zhàn)略意義、巨大的潛在市場及廣泛的應用前景，紛紛將微小衛(wèi)星列入重點發(fā)展方向。微小衛(wèi)星具有功能密集度高以及成本低、發(fā)射方式靈活、研制周期短、質(zhì)量小、體積小等優(yōu)點，可以以單星廉價快速布置到位并完成偵查、通信等任務，是提升作戰(zhàn)快速響應能力的重要選擇。另一方面，軍用衛(wèi)星小型化也是重要的發(fā)展趨勢，采用化整為零策略，由多顆小衛(wèi)星組網(wǎng)共同實現(xiàn)大衛(wèi)星的功能將是未來的發(fā)展趨勢。

本文著重介紹了一款可應用于微小衛(wèi)星平臺的新型推進系統(tǒng)——真空微弧推進系統(tǒng)，功率僅為6 W，系統(tǒng)簡單，結構緊湊，具有質(zhì)量低、尺寸小、易于實現(xiàn)模塊化等特點，應用前景廣闊。首次采用石墨涂覆工藝在絕緣材料上實現(xiàn)電流橋路建立及低功耗啟動，并利用磁場控制電弧實現(xiàn)陰極的均勻燒蝕，提升推力器的長時間工作可靠性。

本文針對真空微弧推進系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成及試驗測試結果進行了重點的研究，采用自研的探針對推力器羽流進行診斷，測試磁場對電弧的控制效果，同時采用扭擺式測量系統(tǒng)對推力進行測試，獲取推力參數(shù)。最后，對真空微弧推進系統(tǒng)的在軌工作狀態(tài)及推力測試情況進行了詳細介紹，重點介紹了在軌微推力標定的方法，該方法為海創(chuàng)千乘衛(wèi)星平臺首次提出，對后續(xù)衛(wèi)星平臺微推力標定具有重要的研究意義。

1 微小衛(wèi)星電推進系統(tǒng)

微推進系統(tǒng)是目前電推進領域的發(fā)展熱點，其主要特點是推力量級小，而且變化范圍寬，尺寸小、質(zhì)量輕。目前，國內(nèi)外涌現(xiàn)出了一大批新型的微推進系統(tǒng)，如場發(fā)射微推進系統(tǒng)、真空微電弧推進系統(tǒng)、離子微推進系統(tǒng)和真空固體微推進系統(tǒng)等。

針對微納衛(wèi)星平臺的各類小功率電推進系統(tǒng)，真空微弧推進系統(tǒng)的優(yōu)勢較為明顯。真空微弧推進系統(tǒng)(見圖1)主要采用真空放電電弧燒蝕陰極材料產(chǎn)生較高電離度等離子體，并利用外加磁場聚焦、加速等離子體以產(chǎn)生推力。真空微弧推進系統(tǒng)結構簡單緊湊，無活動部件，質(zhì)量小，推質(zhì)比高，易于實現(xiàn)集成化和模塊化。

圖1 真空微弧推進系統(tǒng)

圖2 BRICSat-P衛(wèi)星微推進系統(tǒng)

2 真空微弧推進系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

真空微弧推進系統(tǒng)由推力器、功率處理單元(power processing unit，PPU)等組成，如圖3所示。其中推力器由陰極、陽極、電磁線圈等組成，且安裝在真空艙中，如圖4所示；功率處理單元分為高壓脈沖模塊及線圈供電模塊。

圖3 真空微弧推力器系統(tǒng)

圖4 推力器安裝在真空艙內(nèi)

真空微弧推進系統(tǒng)的原理為：功率處理單元的電感儲能模塊觸發(fā)電極放電后，燒蝕陰極材料，產(chǎn)生等離子體團，并利用電磁線圈產(chǎn)生外加磁場，磁場以一定角度穿過放電通道，置于電磁線圈陰極一側的磁芯用于約束磁感線方向；在電場力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道噴出產(chǎn)生推力。

本系統(tǒng)采用真空電弧無觸發(fā)式點火技術，成功將真空電弧起弧電壓降至300 V以內(nèi)，從而簡化電源設計，減輕系統(tǒng)質(zhì)量，減小系統(tǒng)體積，并將推進系統(tǒng)功耗降低至瓦級(小于10 W)。另一方面，首次采用石墨涂層工藝技術，大幅度降低加工成本。

2.2 關鍵技術

2.2.1 磁場設計

磁場線圈是推力器中非常重要的組成部分，用于產(chǎn)生所需要的磁場。其主要作用如下：

1)控制陰極燒蝕發(fā)生在陰極與絕緣層交界處，且受-×作用而旋轉，使得陰極均勻地被燒蝕；

2)當?shù)入x子體在推進系統(tǒng)通道外時，磁場控制推力器等離子體羽流沿磁力線呈向外擴散方式。

因此，磁場設計十分關鍵，需要對磁場產(chǎn)生方式，磁場大小、方向以及空間分布進行研究，從而形成滿足真空微弧推力器穩(wěn)定可靠工作的磁場位形。針對該關鍵技術，對磁場產(chǎn)生方式進行了研究，開展了電磁線圈與永磁鐵磁場的對比研究，經(jīng)分析認為電磁線圈的均勻性較好，適合推力器使用。圖5所示為磁場的仿真結果。

圖5 磁場位形

2.2.2 無觸發(fā)點火技術

真空微弧推進系統(tǒng)采用無觸發(fā)式放電方式，陰陽極之間的絕緣材料上有一層導電材料，當陰陽極加載較高的電壓時，該表面通過的電流迅速產(chǎn)生大量的焦耳熱，使產(chǎn)生閃絡電弧的概率大幅度增加，可以有效降低起弧電壓。

無觸發(fā)式點火的關鍵在于陰陽極之間的電阻要合適，但由于推力器工作過程中陰陽極之間的電阻不斷變化，因此必須動態(tài)保證阻值始終處于一定范圍之內(nèi)，否則會導致推力器嚴重失效。

陰陽極之間的絕緣材料選用氧化鋁材料，絕緣性能好，加工工藝成熟度高。隔離陶瓷頭部的導電涂層是推力器首次點火的重要環(huán)節(jié)。對于陰陽極表面涂覆的半導體材料，設計初期擬采用兩種方案：石墨或鎳鈷鉬。

但經(jīng)過實際工藝處理后發(fā)現(xiàn)，將沉積有鎳鈷鉬材料的隔離陶瓷置于陰陽極之間，測量出兩極之間的阻值過大，導致陰陽極之間的點火電壓較高。而石墨沉積形成的導電涂層，可將陰陽極之間的測量電阻控制在合適范圍內(nèi)，將點火電壓降至百伏量級，滿足低功耗設計。

目前，本文采用某特殊工藝在絕緣材料頭部涂覆一定厚度的石墨層，保證厚度在10～800 μm之間，可保證電阻在合適范圍，起弧功率可控制在10 W以內(nèi)。

2.2.3 功率處理單元小型化設計

功率處理單元為推力器提供能量，由于微小衛(wèi)星的空間非常有限，故功率處理單元的輕質(zhì)化小型化是關鍵技術。電源主電路采用電感儲能方式，利用耐壓較高的IGBT半導體開關作為脈沖控制元件，當開關閉合時，電感通過IGBT形成閉合充電回路，電感電流上升，在開關斷開瞬間，電感存儲的能量通過負載釋放，形成電壓脈沖尖峰信號。在恒流部分，控制電路采用大功率MOSFET實現(xiàn)大電流脈沖恒流輸出。該工作模式結構簡單，可靠性高，且極大程度減小了電源的功耗和尺寸質(zhì)量。

線圈電源主電路采用穩(wěn)壓直流電給線圈充電使線圈電流上升，控制電路采用大功率MOSFET實現(xiàn)大電流脈沖恒流輸出，通過運算放大器PID閉環(huán)控制將MOSFET作為可調(diào)電阻調(diào)整輸出電流大小。模擬開關選擇高速數(shù)字模擬開關，峰值電流可達到100 mA，通過觸發(fā)器輸出脈沖信號到模擬開關控制端，控制模擬開關導通，基準電壓通過模擬開關，輸出脈沖基準電壓，驅動MOS管輸出恒流信號。

3 真空微弧推進系統(tǒng)試驗研究

采用研制的真空微弧推進系統(tǒng)開展了地面試驗研究，獲取推進系統(tǒng)的相關參數(shù)。試驗系統(tǒng)框圖如圖6所示，試驗系統(tǒng)包括真空艙、真空測試系統(tǒng)(真空規(guī)、真空計)、抽氣單元、推力器、功率處理單元、高壓探頭、電流探頭和示波器等。微弧推力器安裝在真空艙內(nèi)，通過真空艙壁法蘭接插件與艙外的功率處理單元連接，推力器的試驗真空環(huán)境可達到10Pa量級。

圖6 真空微弧推進試驗系統(tǒng)

針對真空微弧推進系統(tǒng)，開展了以下3個部分的試驗研究：①性能試驗；②推力測試；③磁場對陰極斑運動軌跡的作用。

3.1 性能試驗

針對真空微弧推進系統(tǒng)開展了性能試驗，驗證其點火啟動及穩(wěn)定工作特性。推進系統(tǒng)按時序啟動，正常點火工作，轉入穩(wěn)定工作階段。點火圖像如圖7所示，圖像顯示推力器噴口產(chǎn)生藍色等離子體，羽流以一定的擴散角向外擴張。

圖7 真空微弧推進系統(tǒng)點火圖像

利用示波器對推進系統(tǒng)的電流電壓參數(shù)進行了測試，測試結果如圖8所示。推進系統(tǒng)采用脈沖工作模式，一個脈沖寬度約為30～800 μs，弧電流在起弧后逐漸下降至0 A，起弧電壓100～900 V，放電電壓為10～50 V，試驗參數(shù)與設計值相符，推進系統(tǒng)各項工作參數(shù)正常。

圖8 真空微弧推進系統(tǒng)工作時的電流電壓波形

3.2 推力測試

為獲得真空微弧推進系統(tǒng)推力參數(shù)，考核推力器性能，對真空微弧推進系統(tǒng)進行了推力測試。該推力測試平臺由扭擺式推力架、電容位移傳感器、電磁阻尼器、數(shù)據(jù)采集單元等組成，測量范圍為1 μN～1 mN，測試平臺及測試儀器如圖9所示。

圖9 真空微弧推進系統(tǒng)推力測試臺架

扭擺式測量方法是利用樞軸承載動架并提供恢復扭矩，在推力器工作時，利用位移傳感器測量動架的偏轉位移，通過標定的位移量，將偏轉位移轉化為推力器的推力。

由于推進系統(tǒng)推力僅為幾十μN，該測量裝置測量精度需達0.1 μN，對于測試系統(tǒng)的精度要求非常高。

推力測試主要分為推力性能變化及推力穩(wěn)定性評價兩部分。推力性能變化主要考量推力隨電流及頻率的變化:完成固定頻率、不同電流工況下的推力測試；隨后完成固定電流、不同頻率工況下的推力測試。推力穩(wěn)定性測試則是在某一工況下進行3 h長程推力測試。

在測試時，首先通過推力臺架輸入標定力，用于對比推力器推力測試結果。隨后啟動真空微弧推進系統(tǒng)，測試一般持續(xù)百秒左右。圖10所示為真空微弧推進系統(tǒng)的推力測試曲線，結果表明推進系統(tǒng)在設定的工作參數(shù)下產(chǎn)生了期望的推力，范圍為10～16 μN。經(jīng)分析，測試中推力的變化可能與推進系統(tǒng)陰極初始狀態(tài)有關，隨著推進系統(tǒng)轉入穩(wěn)態(tài)工作階段，陰極狀態(tài)趨于均勻，有利于產(chǎn)生恒定的推力。

圖10 真空微弧推進系統(tǒng)推力測試曲線

采用推力臺架，開展了不同放電電流、頻率等工況下的推力測試。測試前，首先設置推進系統(tǒng)參數(shù)，隨后啟動推進系統(tǒng)，并穩(wěn)定工作百秒左右。對不同工況的推力評估，采用測試時間段的平均值。經(jīng)過測試，多種工況的推力測試結果如圖11所示。

圖11 不同電流及頻率下的推力

由圖11可以看出，真空微弧推力器的推力隨放電電流的增大而增大，隨頻率的增加而增大。該趨勢與真空微弧推進系統(tǒng)的工作原理一致，表明其推力大小受真空電弧放電等離子體總量影響，放電電流越大說明燒蝕的等離子體越多，從而可以產(chǎn)生較大的推力。而推進系統(tǒng)工作頻率越大，也可在單位時間產(chǎn)生更多的等離子體，有利于產(chǎn)生較大推力。

推力測試的第二項內(nèi)容是推力穩(wěn)態(tài)性評估。保持試驗系統(tǒng)不變，進行推進系統(tǒng)長程穩(wěn)態(tài)工作，同時進行推力測量。推力器進行了3 h的長時間推力測試，推力符合設計指標要求。

在推力器測試過程中，存在兩個問題：

1)測試過程中，連接線纜在加電過程中存在漂移干擾現(xiàn)象，尤其是3 h長程推力測試較明顯；

2)在推力器開啟過程中，位移測量數(shù)據(jù)有壞點，分析原因是等離子體電磁場對電容位移傳感器產(chǎn)生影響。

鑒于上述問題，對源數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)濾波平滑處理解決電磁干擾的問題，取推力加載后的位移初始平穩(wěn)段評估推力值和誤差限。

3.3 磁場對陰極斑運動軌跡的影響

在真空微弧推進系統(tǒng)中，磁場作用十分關鍵，其中最主要的作用是讓真空電弧放電的陰極斑在磁場的作用下旋轉起來，不能固定在某一區(qū)域。如果陰極斑長期停留在某一區(qū)域，就會造成局部陰極的過度燒蝕，導致陰極不均勻，進而改變陰陽極之間的阻值，推力器無法正常啟動。因此，在施加磁場后，則可以讓陰極斑產(chǎn)生周向移動，達到均勻燒蝕的目的。

為驗證磁場的作用，自研了一個離子探針，用于測試放電等離子體的旋轉。4根金屬的細針作為探針主體，供給-60 V的直流偏壓，用于接收等離子體中的正離子；用4根陶瓷套筒將4根金屬細針隔離固定；用兩片銅片作為金屬翼，將陶瓷套筒固定隔離，金屬翼的中心對準推力器噴口的中心。測試的系統(tǒng)結構框圖如圖12所示。

圖12 陰極斑旋轉測試系統(tǒng)

4根探針分別連接至示波器的4個通道，即可通過分析不同通道等離子體離子電流的峰值變化，從而獲得電弧放電的主要發(fā)生區(qū)域，進而判斷電弧放電陰極斑是否在磁場的作用下發(fā)生移動。

磁場對陰極斑旋轉的測試結果如圖13所示。通過測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，如果陰極斑集中在某一探針所在的區(qū)域，那么該區(qū)域的探針會接收到大量正離子，該區(qū)域探針電流會顯著強于其他探針。

圖13 磁場對陰極斑旋轉的影響

為了研究磁場作用，首先開展了無磁場離子電流測試研究，結果如圖13(a)所示。結果表明，無磁場時，在一個脈沖的時間內(nèi)，僅有一個通道接收到大量的離子且持續(xù)存在，說明陰極斑未發(fā)生明顯移動。

保持試驗系統(tǒng)不變，開展了有磁場條件下的電流測試，結果如圖13(b)所示。結果顯示，第3通道和第4通道出現(xiàn)了離子峰的交替上升下降，表明在磁場作用下，電弧放電的陰極斑發(fā)生了移動。但在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，并不是每一次都能監(jiān)測到陰極斑的偏移，經(jīng)分析，陰極斑的偏移運動不僅受磁場影響，還受陰極表面狀態(tài)的影響，在一個非常光滑的陰極表面，陰極斑受磁場影響非常明顯，但陰極表面經(jīng)過一段時間的燒蝕后，陰極斑受磁場影響下的偏移旋轉明顯減弱，容易長時間停留在一個區(qū)域。

4 真空微弧推進系統(tǒng)在軌測試

2019年8月27日，真空微弧推進系統(tǒng)工程樣機(以下簡稱電推進模塊)搭載“海創(chuàng)千乘”號衛(wèi)星乘捷龍一號火箭進入500 km左右的太陽同步軌道?！昂?chuàng)千乘”衛(wèi)星由千乘科技探索有限公司研制，是中國民營創(chuàng)業(yè)公司中自主研制的規(guī)模最大的衛(wèi)星，也是商業(yè)航天領域內(nèi)第一顆可以同時提供遙感服務和窄帶通信服務的業(yè)務衛(wèi)星。

星箭分離后，電推進模塊隨衛(wèi)星長期在軌運行，同年10月22日—10月23日開展了電推進模塊的在軌測試。測試包括兩個方面：一是在軌開機，獲取遙測數(shù)據(jù)，驗證電推模塊對發(fā)射及在軌環(huán)境適應性；二是分析獲取電推模塊推力數(shù)據(jù)，進一步考核推進系統(tǒng)性能指標。試驗流程如下：

1)衛(wèi)星進入測控弧段，測控中心發(fā)送電推模塊加電程控指令；

2)電推模塊加電，測控中心確認電推模塊健康；

3)衛(wèi)星出測控弧段；

4)衛(wèi)星在下一軌進入測控弧段，測控中心接收衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，初步確認數(shù)據(jù)有效性；

5)測控中心發(fā)送電推模塊斷電指令；

6)在軌測試結束；

7)地面處理遙測數(shù)據(jù)，獲取電推模塊性能參數(shù)。

測推力前衛(wèi)星各載荷斷電，轉入對日巡航模式，進入準備測試狀態(tài)。第1測控弧段，衛(wèi)星控制系統(tǒng)設置為推力標定狀態(tài)，電推進模塊不上電，主要進行環(huán)境干擾力矩測試。根據(jù)飛行衛(wèi)星角動量變化值，計算獲取平均環(huán)境干擾力矩參數(shù)。第2測控弧段，開展了電推進模塊的在軌測試，遙測推力器工作參數(shù)。

電推進模塊工作過程中擊穿電壓的遙測數(shù)據(jù)見圖14，結果顯示電推進模塊加電后，擊穿電壓迅速上升至約200 V左右，表明電推進模塊工作正常。此外，根據(jù)飛行一軌衛(wèi)星角動量變化值，去除環(huán)境干擾力矩造成的角動量變化，得到電推進模塊力矩造成的角動量變化，進而得到電推進模塊產(chǎn)生的力矩。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)心坐標系下的推力矢量，計算得到電推進模塊在軌平均推力為5 μN。在相同工況下，推力的設計值為5～6 μN，在軌測試的推力測量結果在設計參數(shù)的范圍內(nèi)，符合設計要求。

圖14 電推進模塊在軌工作電源遙測參數(shù)

5 結論

以微小衛(wèi)星動力需求為牽引，開展了真空微弧推進技術研究。結合關鍵技術分析，開展真空微弧推進系統(tǒng)磁場仿真，獲得了合適的磁場位型。基于研制的真空微弧推進系統(tǒng)，建立試驗系統(tǒng)，開展了地面試驗研究。搭載“海創(chuàng)千乘”衛(wèi)星，推進系統(tǒng)進行了在軌測試。獲得以下結論：

1)真空微弧推進系統(tǒng)工作脈沖寬度一般為30～800 μs，起弧電壓100～900 V，放電電壓為10～50 V；

2)在設計參數(shù)下，真空微弧推進系統(tǒng)的推力為10～16 μN，且其推力與放電電流和工作頻率成正比；

3)陰極斑離子電流分析表明磁場可以控制陰極斑旋轉，這對陰極的均勻燒蝕具有重要作用；

4)推進系統(tǒng)在軌測試工作正常，并獲得了在軌工作參數(shù)和推力，符合設計指標要求，進一步表明真空微弧推進系統(tǒng)設計方案合理可行。

真空微弧推進系統(tǒng)作為一種微小電推進系統(tǒng)，經(jīng)過地面試驗和在軌測試考核，表明已掌握推進系統(tǒng)設計方法，具備開展工程研制條件。后續(xù)將圍繞應用需求，以提高推進系統(tǒng)工作性能和可靠性為目標，開展工程化研制，為規(guī)?；瘧玫於ɑA。