10 cm發(fā)散磁場離子推力器地面試驗(yàn)驗(yàn)證研究

孫明明，耿 海，何 非，楊福全，胡 竟，丁國宗

（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）

0 引言

發(fā)散磁場離子推力器即Kaufman型離子推力器，是目前國際上主流的離子推力器類型之一，其特點(diǎn)是陰極磁極與放電室上游磁極之間形成具有強(qiáng)發(fā)散特征的軸向磁場，可以保護(hù)位于放電室壁面附近的圓柱筒形陽極[1-3]。在發(fā)散磁場離子推力器的放電過程中，電子向陽極壁面的運(yùn)動過程由受軸向磁場梯度影響的遷移-擴(kuò)散過程所決定。正是基于上述放電特性，可通過推進(jìn)劑供給量和陽極電流的調(diào)節(jié)及電磁鐵電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)來調(diào)整發(fā)散磁場離子推力器軸向磁場的發(fā)散特性即梯度，實(shí)現(xiàn)通過影響放電室內(nèi)部等離子體密度，連續(xù)控制推力大小的目的。

發(fā)散磁場離子推力器具有推力連續(xù)可調(diào)、高精度及推力閉環(huán)控制的特點(diǎn)，主要用于對推力連續(xù)性有需求的航天器。代表產(chǎn)品如英國QinetiQ公司研制的T5發(fā)散磁場離子推力器[4]，口徑為10 cm，可產(chǎn)生1~21 mN的連續(xù)可調(diào)推力，推力控制精度為±10μN(yùn)。2009年T5離子推力器搭載歐空局（ESA）的全球引力及海洋環(huán)流探測（GOCE）超低軌衛(wèi)星入軌，開展大氣阻尼（該軌道的大氣密度為2.37×10-11~2.08×10-10kg/m3，大氣阻力與大氣密度成正比且相差一個(gè)量級）補(bǔ)償工作[5-7]，其中T5推力器在18 mN工況點(diǎn)（在軌主工況點(diǎn)）的束流為0.329 A，比沖和總效率分別為3 200 s和55%?；赥5推力器的出色工作性能（前期開展了大量放電性能優(yōu)化工作），GOCE衛(wèi)星任務(wù)周期從原計(jì)劃的2.5年擴(kuò)展到4年，成功測繪到目前最高精度的地球引力場分布。2006年日本航天局（JAXA）發(fā)射的ETS-VIII衛(wèi)星搭載三菱公司研制的12 cm口徑Kaufman型離子推力器進(jìn)行衛(wèi)星的南北位置保持[8-10]。該推力器的推力調(diào)節(jié)范圍為20.9~23.2 mN，總效率為45.6%~49.7%，比沖為2 402~2 665 s。在工程研制階段，JAXA對推力器進(jìn)行了多輪放電過程優(yōu)化以提升其性能。2019年我國啟動了超低軌道監(jiān)測衛(wèi)星的研制任務(wù)（計(jì)劃于2022年發(fā)射），并選擇蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的10 cm口徑發(fā)散磁場離子推力器[11-12]，以抵消超低軌道（高度為200～350 km）大氣阻尼的影響。該推力器的推力調(diào)節(jié)范圍為1~25 mN，推力分辨率為±10μN(yùn)，在軌主工況點(diǎn)為20 mN，目前推力器初樣產(chǎn)品研制已基本結(jié)束。離子推力器產(chǎn)品在交付前，須完成包括鑒定級、驗(yàn)收級等一系列地面試驗(yàn)驗(yàn)證，以考核產(chǎn)品的性能、工作穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)能力等，以此作為評價(jià)其能否完成在軌任務(wù)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

本文主要介紹蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的10 cm口徑發(fā)散磁場離子推力器的地面試驗(yàn)驗(yàn)證情況，分析試驗(yàn)過程中推力器性能參數(shù)的變化并給出試驗(yàn)評價(jià)結(jié)論。

1 推力器結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)

10 cm口徑發(fā)散磁場離子推力器外形如圖1所示，推力器主體結(jié)構(gòu)為圓柱形，由安裝環(huán)隔成前后兩段，前段為放電室，后段用于布置供氣管路及供電電纜。圖2為推力器放電室結(jié)構(gòu)示意圖。放電室由6根按照60°角均布的螺線管電磁鐵組件固定，起到中心承力的作用，以提高推力器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。陰極位于放電室?guī)缀沃行牟⑻峁┓烹娝璧某跫夒娮?。在發(fā)散磁場構(gòu)型下，為使陰極發(fā)射的初級電子受到磁場強(qiáng)約束并向最佳放電區(qū)域擴(kuò)散，以提高電離率、改善束流均勻性，參考英國T5離子推力器設(shè)計(jì)[10]，在下游磁極端面增加陰極擋板，以控制陰極發(fā)射電子的分布（陰極擋板和主陰極為同一電位，幾乎不會造成電子損失）。陽極為筒狀結(jié)構(gòu)，距離放電室壁面約7 mm，上游磁極為電磁鐵的延伸段，沿磁極方向并深入放電室約10 mm，與放電室壁面呈40°夾角。離子光學(xué)系統(tǒng)為雙柵極、凹面柵極結(jié)構(gòu)，可以降低熱形變對柵極性能的影響。

圖1 10 cm離子推力器外形圖Fig.1 Outline of 10 cm diameter ion thruster

圖2 推力器放電室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the discharge chamber

推力器在20 mN主工況點(diǎn)（束流及陽極電流額定值分別為0.376 mA和3.1 A）的電氣參數(shù)如表1所列，其中屏柵電勢為放電室內(nèi)部的電勢參考點(diǎn)，上游和下游磁極與陰極擋板的電勢均與屏柵電勢相同，主陰極觸持極和陽極電勢相對屏柵電勢分別高12 V和35 V，根據(jù)推力器供電關(guān)系，推力器整體電勢參考點(diǎn)為中和器觸持回線電勢。

表1 10 cm推力器在20 mN工況點(diǎn)的工作參數(shù)Tab.1 Parameters of 10 cm diameter ion thruster under 20 mN working point

2 試驗(yàn)裝置及測試方法

10 cm口徑離子推力器的地面測試試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所的TS-6S設(shè)備上完成，該設(shè)備專用于500 W以內(nèi)的小功率電推進(jìn)系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)。設(shè)備尺寸為D1.5 m×4 m，配置的低溫抽氣系統(tǒng)可保證設(shè)備的極限壓力低于5×10-5Pa，當(dāng)氣體流量為15 cm3/min時(shí)，工作壓力低于4×10-4Pa。設(shè)備主艙底部安裝有百葉窗型鈦合金防濺射靶，以防止高能粒子對設(shè)備壁面的直接轟擊。TS-6S設(shè)備如圖3所示。

圖3 TS-6S離子推力器地面真空試驗(yàn)測試設(shè)備Fig.3 TS-6S Vacuum facility for ground test of ion thruster

推力器供電電源包括主陰極和中和器的加熱以及點(diǎn)火電源、主陰極和中和器的觸持電源、陽極電源、屏柵電源、加速柵電源和勵(lì)磁線圈電源共計(jì)9組電源。除點(diǎn)火電源為12 V開關(guān)信號控制的定制脈沖電源外（脈沖電壓900～1 100 V），其余電源均為電壓、電流精確調(diào)節(jié)的可編程直流電源，電源精度為±0.1%。推力器供氣系統(tǒng)包括主陰極、中和器和陽極三路，采用ALICAT流量計(jì)調(diào)節(jié)和控制供氣流量，范圍為0~5 cm3/min，可覆蓋10 cm離子推力器1~25 mN工況點(diǎn)的所有供氣需求，供氣精度為±1%。試驗(yàn)過程中進(jìn)行推力器工況調(diào)節(jié)時(shí)，首先調(diào)節(jié)對應(yīng)工況的陽極供氣，待供氣穩(wěn)定后調(diào)節(jié)陽極電流，最后調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)工況額定參數(shù)的粗調(diào)和閉環(huán)調(diào)節(jié)。

采用電參數(shù)測量法測量離子推力器的推力，即利用推力器在不同工況下的電參數(shù)，結(jié)合束流發(fā)散角和雙荷離子比例的測量結(jié)果對推力進(jìn)行修正。采用法拉第探針陣列測量束流發(fā)散角，如圖4所示。法拉第探針陣列被安裝于D 1 m的圓環(huán)形支撐機(jī)構(gòu)上，支撐機(jī)構(gòu)上有4根過圓心與直徑等長的探針安裝桿，每根安裝桿裝有20只法拉第探針。測量時(shí)，離子推力器前外殼距離法拉第陣列500 mm。測試方法為在要求工況點(diǎn)的束流范圍內(nèi)穩(wěn)定5 min后開始測量，每種工況下測3次，之后根據(jù)測量結(jié)果分別計(jì)算每次的束流發(fā)散角和推力偏角，取3次測量的平均值作為最終結(jié)果。

圖4 用法拉第探針陣列測量束流發(fā)散角Fig.4 Measurement of beam divergence angle with Faraday probe array

采用E×B探針測量雙荷離子比例。試驗(yàn)所用E×B探針掃描電壓范圍為0～500 V，探針內(nèi)部磁場由扁平型鐵氧體永磁鐵產(chǎn)生，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.16 T。

環(huán)境試驗(yàn)前后分別進(jìn)行1~25 mN內(nèi)共計(jì)25個(gè)工況點(diǎn)（步長為1 mN）的寬范圍性能調(diào)節(jié)測試（各工況點(diǎn)分別引束流工作3 min）、推力分辨率測試和短期考核驗(yàn)證（3、8、10、20 mN四種工況下各工作3 h）。短期考核試驗(yàn)是測試推力器在較長時(shí)間內(nèi)的工作穩(wěn)定性，同時(shí)也是對在軌固定周期內(nèi)的推力器最長連續(xù)工作時(shí)間的驗(yàn)證。完成短期考核驗(yàn)證后，推力器出艙并進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。

環(huán)境試驗(yàn)包括力學(xué)試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)，主要目的是模擬星載產(chǎn)品在火箭發(fā)射時(shí)經(jīng)受的各類振動（正弦、隨機(jī)和沖擊等）以及在軌高低溫變化（太陽輻射引起的溫度變化）。圖5為安裝在專用力學(xué)試驗(yàn)臺上，準(zhǔn)備開展正弦、隨機(jī)和沖擊試驗(yàn)的推力器。其他測量儀器包括高斯計(jì)、示波器，絕緣測試儀等。

圖5 安裝就緒準(zhǔn)備進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)的推力器Fig.5 The thruster for mechanical testing

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2021年6月，蘭州空間技術(shù)物理研究所對10 cm口徑離子推力器進(jìn)行了鑒定級測試，試驗(yàn)過程為（力學(xué)試驗(yàn)前）性能測試、力學(xué)試驗(yàn)、（力學(xué)試驗(yàn)后）性能測試、熱真空試驗(yàn)、（熱真空試驗(yàn)后）性能測試、推力特性測試。其中，力學(xué)試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)均屬于環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證，環(huán)境試驗(yàn)前后的性能測試主要是對推力器的性能變化進(jìn)行驗(yàn)證和分析。推力特性測試包括推力、束流發(fā)散角（束流全角要求小于等于30°）、偏角測量（束流偏角要求小于等于1°）和二價(jià)離子比例測量，主要對推力器的推力特性、羽流特性進(jìn)行針對性測試，以獲得推力修正參數(shù)和實(shí)測推力等。

寬范圍調(diào)節(jié)測試結(jié)果如圖6所示，圖中的X和Y分別為工況點(diǎn)和與之對應(yīng)的性能參數(shù)值。圖6（a）（b）和（c）分別為25個(gè)工況點(diǎn)的比沖、推力和功率計(jì)算值，其中20 mN主工況點(diǎn)的推力值為19.92 mN，功率為577.3 W，比沖為3 077 s。在寬范圍性能調(diào)節(jié)試驗(yàn)中，供氣量和陽極電流調(diào)節(jié)為粗調(diào)，最終通過精確調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來確保束流值在要求的范圍內(nèi)（即束流閉環(huán)特性），這是發(fā)散場推力器不同于環(huán)形會切場推力器的最大特點(diǎn)。

圖6 工況點(diǎn)寬范圍調(diào)節(jié)過程離子推力器性能測試結(jié)果Fig.6 Performance test rezults of the 10 cm diameter ion thruster during operating conditions point wide range adjustment

從圖6（a）看出，由于比沖Is主要由供氣量m?和推力值F決定，即Is=F/m?g（g為重力加速度），因而，在推力線性變化的條件下，各工況點(diǎn)供氣量的不同造成比沖均不相同。如圖6（b）所示，1~25 mN工況點(diǎn)的推力變化呈現(xiàn)出較好的線性特征。雖然各點(diǎn)的陽極電流和勵(lì)磁電流不相同，但功率變化基本都呈線性，如圖6（c）所示。

在離子推力器的推力分辨率測試過程中，針對1、3、5、8 mN工況，在額定的陽極電流和勵(lì)磁電流下引束流工作5 min后，用1 mA步長上調(diào)勵(lì)磁電流。當(dāng)束流在額定基礎(chǔ)上分別增加1、2、3 mA時(shí)（陽極電流、供氣等均保持不變），對應(yīng)的推力值為50μN(yùn)。依此方法，下調(diào)勵(lì)磁電流，當(dāng)束流在額定值上減少1、2、3 mA時(shí)，即達(dá)到推力要求的分辨率。對于10、15、20、25 mN工況，束流在額定基礎(chǔ)上分別增加和減少2、4、6 mA時(shí)，對應(yīng)的推力值為100μN(yùn)，達(dá)到推力在10~25 mN范圍內(nèi)的分辨率要求。試驗(yàn)過程中，所有工況點(diǎn)均順利調(diào)節(jié)出束流在額定值基礎(chǔ)上的步長變化，滿足推力分辨率要求。

力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示，推力器三個(gè)正交方向的基頻分別為601、583、736 Hz，均滿足星載產(chǎn)品（質(zhì)量為1~10 kg）基頻大于150 Hz的要求。經(jīng)過1 600g量級的沖擊試驗(yàn)后，推力器無變形，柵極無破損、標(biāo)準(zhǔn)件無松動。力學(xué)試驗(yàn)前后，進(jìn)行了3、8、10、20 mN四個(gè)工況的各180 min短期考核驗(yàn)證，得到推力器的性能參數(shù)比對結(jié)果，如表2和表3所列，可以看出，試驗(yàn)前后推力器性能無明顯變化。

表2 力學(xué)試驗(yàn)前的性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters before mechanical test

表3 力學(xué)試驗(yàn)后的性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters after mechanical test

由于磁場分布對發(fā)散場離子推力器的性能具有重要影響，因此試驗(yàn)前后的磁場性能變化同樣是需重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)之一。10 cm離子推力器發(fā)散磁場采用電磁鐵，下游和上游磁極所用磁芯均為4J29導(dǎo)磁材料，用勵(lì)磁線圈繞制而成，區(qū)別主要在于線圈匝數(shù)不同。環(huán)境試驗(yàn)前后，推力器置于測量工裝上，在僅對勵(lì)磁線圈通電后，采用高斯計(jì)在距離下游磁極和上游磁極1 mm處（磁極端面垂直方向），測得上述兩處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為6.2×10-3、6.4×10-3T和3.5×10-3、3.2×10-3T，變化均很小，可以認(rèn)為，環(huán)境對推力器磁場的影響可忽略不計(jì)。

對10 cm離子推力器進(jìn)行了共計(jì)25.5次循環(huán)的熱真空試驗(yàn)，溫度變化范圍為-90~120℃。在25.5次循環(huán)首、末兩次的高溫和低溫端分別進(jìn)行1、5、25、20 mN工況點(diǎn)的啟動，驗(yàn)證推力器在高溫和低溫環(huán)境下的啟動能力。中間所有循環(huán)的高溫和低溫端只進(jìn)行20 mN工況的啟動，并在啟動成功后持續(xù)點(diǎn)火4 h，以模擬推力器在軌運(yùn)行周期內(nèi)單次點(diǎn)火時(shí)長。圖7為熱真空試驗(yàn)前后不同工況點(diǎn)推力器的性能測試結(jié)果。

圖7 熱真空試驗(yàn)前后不同工況點(diǎn)推力器的性能測試結(jié)果Fig.7 Performance test results of the ion thruster at different operating condition point before and after the thermal vacuum test

從圖7（a）（b）和（c）所示結(jié)果來看，推力器熱真空前、后的比沖、推力和功率均無明顯變化。熱真空試驗(yàn)后部分工況點(diǎn)的功率值略低于熱真空試驗(yàn)前，這是由于環(huán)境溫度的改變對推力器柵極間距的微小影響所致。從試驗(yàn)前后的柵極間距測量結(jié)果來看，試驗(yàn)后的屏柵-加速柵間距為0.55~0.57 mm，試驗(yàn)前為0.57~0.59 mm，與Goebel等[13]的研究結(jié)論一致，即柵極引出的束流密度與柵間距成反比，柵極間距變小導(dǎo)致引出離子數(shù)增多，陽極電流隨之減小，因此放電室功率降低。

采用法拉第探針陣列測得的10 cm離子推力器在90%束流條件下的發(fā)散角及推力偏角多次測試平均值如表4所列。

表4 不同工況下推力器束流發(fā)散角及推力偏角測量結(jié)果Tab.4 Divergence angle and thrust deflection angle of the ion thruster at different operating condition point

從測試結(jié)果來看，所有工況點(diǎn)的束流發(fā)散角（全角）均小于30°，推力偏斜角度（推力矢量與安裝面軸線的偏角）不超過1°。

推力器的電參數(shù)計(jì)算方法基于等離子體中離子類型均為一價(jià)Xe離子的預(yù)設(shè)條件，而推力器束流中實(shí)際含有大量二價(jià)Xe離子，因此，須對束流測量值進(jìn)行一價(jià)和二價(jià)離子比例修正，該值才具有高的可信度。圖8為推力器處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的引束流狀態(tài)?？梢钥闯觯诎济鏂诺挠绊懴?，羽流區(qū)束流呈現(xiàn)明顯的先聚焦后發(fā)散特點(diǎn)，說明發(fā)散場推力器在羽流近場區(qū)域具有更高的推力密度。圖9為推力器在20 mN工況下，采用E×B探針，在1~300 V掃描電壓下測得的一價(jià)和二價(jià)Xe離子的分布特性。圖中橫坐標(biāo)是E×B探針加載的掃描電壓，用來在探針內(nèi)部形成靜電場，當(dāng)（一價(jià)或二價(jià)）帶電離子進(jìn)入探測區(qū)后，在電場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于帶電量不同離子的偏轉(zhuǎn)距離不同，由此可分辨出不同帶電粒子的電流值。由圖9可見，一價(jià)Xe離子電流波峰為37.26μA，1/2峰寬為23.15 V，二價(jià)Xe離子電流波峰為10.05μA，1/2峰寬為13.99 V。采用三角擬合法[14]將不同價(jià)態(tài)的離子電流以三角形面積，即波峰與1/2峰寬的乘積表示，由此計(jì)算得到二價(jià)和一價(jià)離子比例為16.3%，二價(jià)離子占總束流離子比例為14.1%。扣除二價(jià)離子占比后，得到20 mN工況下的一價(jià)離子束流為0.323 mA。同理，得到1、3、15 mN工況下的二價(jià)離子占總束流離子比例分別為6.2%、7.3%和9.7%。

圖8 穩(wěn)態(tài)工作下的束流引出Fig.8 Ion beam extraction under steady operation

圖9 一價(jià)、二價(jià)離子比例測試結(jié)果Fig.9 Monovalent and divalent ions ratio test results

獲得推力器電參數(shù)和推力修正系數(shù)后，采用電參數(shù)測量法進(jìn)行推力計(jì)算，推力修正系數(shù)γ表述為：

式中：Kα和Kβ分別為推力的束流發(fā)散角和二價(jià)離子比例修正系數(shù)。

Goebel等[13]給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。修正后推力FC的計(jì)算公式為：

式中：Ib和Vb分別為推力器束流和屏柵電壓。

根據(jù)式（1）和式（2），計(jì)算得到Kα、Kβ和γ，如表5所列?？梢钥闯?，推力修正系數(shù)γ的計(jì)算工況覆蓋了最低工況點(diǎn)1 mN和主工況點(diǎn)20 mN，γ值在0.951~0.954范圍內(nèi)，取平均值0.952 7作為1~20 mN工況的推力修正系數(shù)γ值，計(jì)算得到γ誤差在0.2%左右。

表5 推力修正系數(shù)Tab.5 Thrust correction factors

根據(jù)測量儀器自身精度及誤差，二價(jià)離子比例的測量誤差為5%，Kβ的誤差約為0.5%；束流發(fā)散角的測試誤差約為5%，Kα的誤差約為0.1%；束流Ib和束電壓Vb的測量誤差均為0.1%，γ的誤差在0.2%左右，得到電參數(shù)法的推力整體測量誤差為0.95%。

采用電參數(shù)測量法分別測量工況為1、3、5、8、10、15、20 mN工況點(diǎn)的推力，每個(gè)工況下計(jì)算推力值三次并取平均值，測試結(jié)果如表6所列?？梢钥闯?，計(jì)算得到的推力值能夠真實(shí)反映實(shí)際推力。

表6 基于電參數(shù)法的推力測量結(jié)果Tab.6 Thrust measurement results based on electrical parameters methods

4 結(jié)論

本文介紹了我國研制的10 cm口徑發(fā)散磁場離子推力器的地面試驗(yàn)驗(yàn)證情況，給出試驗(yàn)測試結(jié)果并進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果表明：國產(chǎn)10 cm口徑離子推力器三個(gè)正交方向的基頻均滿足星載產(chǎn)品的基頻要求；經(jīng)過1 600g量級的沖擊試驗(yàn)后，推力器無變形，柵極無破損、標(biāo)準(zhǔn)件無松動；經(jīng)過力學(xué)試驗(yàn)以及25.5個(gè)循環(huán)的熱真空試驗(yàn)后，推力器的推力、比沖和功耗基本無變化，磁場也無明顯變化；推力器各工況點(diǎn)的束流發(fā)散全角均小于30°，推力偏斜角度不超過1°；基于推力電參數(shù)測量方法得到的推力值整體誤差為0.95%。地面測試驗(yàn)證結(jié)果證明，目前國產(chǎn)發(fā)散磁場離子推力器各項(xiàng)性能參數(shù)均可滿足超低軌道監(jiān)測衛(wèi)星的任務(wù)需求。