M5型微波離子推力器10000h壽命實(shí)驗(yàn)*

黃文斌，周紹輝，劉 通，韓羅峰，魯 超，張辰乙，李 航

（1.上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109；2.上海航天空間技術(shù)有限公司·上海·201109）

0 引 言

微波離子推力器是一種靜電型推進(jìn)裝置，它利用微波能量擊穿氣體形成電子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance, ECR）等離子體[1-3]，其中的離子在加速柵極的作用下被高速引出產(chǎn)生推力，引出的離子束流再被電子中和。微波離子推力器具有比沖高、無(wú)熱電極燒蝕、壽命長(zhǎng)、電源系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于長(zhǎng)時(shí)間工作的空間飛行器。微波離子推力器2003年在“隼鳥(niǎo)1號(hào)”返回式深空探測(cè)器上首次得到空間應(yīng)用，2010年6月探測(cè)器成功返回地面。長(zhǎng)達(dá)7年的空間飛行歷程證明了微波離子推力器的長(zhǎng)壽命和高可靠性[4-6]。

M5型微波離子推力器是上海航天控制技術(shù)研究所研發(fā)的一款百瓦級(jí)離子推力器，目前正在開(kāi)展工程樣機(jī)轉(zhuǎn)飛行樣機(jī)的研究工作。壽命實(shí)驗(yàn)是所有電推進(jìn)產(chǎn)品在空間應(yīng)用之前必須進(jìn)行的地面實(shí)驗(yàn)之一，美國(guó)“深空一號(hào)”衛(wèi)星搭載的離子推力器在地面進(jìn)行了高達(dá)30000h的壽命驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)后才進(jìn)行了飛行應(yīng)用[7-9]。M5型微波離子電推力器目前還處于工程化研究和空間飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)其壽命還沒(méi)有進(jìn)行深入的研究，尚未取得M5型離子推力器的確切壽命指標(biāo)。因此，開(kāi)展M5型離子推力器的壽命驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是非常必要且緊迫的。目前已經(jīng)完成了M5型離子推力器10000h壽命地面驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)，記錄并研究了在10000h的壽命實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其工作性能變化、啟動(dòng)性能變化以及柵極系統(tǒng)工作情況的變化。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用氪氣作為推進(jìn)劑，質(zhì)量流率由地面微小流量控制器控制。實(shí)驗(yàn)電源采用地面實(shí)驗(yàn)電源。實(shí)驗(yàn)推力器為第四代M5型微波離子推力器，屏柵采用鉬柵極，加速柵為石墨柵極。

圖1給出了M5型微波離子推力器10000h壽命實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括真空艙、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、M5型微波離子推力器、微波傳輸系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)和柵極電源。

1）真空艙：直徑1.5m、長(zhǎng)3m，配有4臺(tái)磁懸浮分子泵機(jī)組，極限真空度可達(dá)10-4Pa，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持真空度在5×10-3Pa以下；

2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制板塊：用于控制微波和工質(zhì)供給，同時(shí)完成推力器工作參數(shù)的采集和記錄；

3）微波傳輸系統(tǒng)：由集成化固態(tài)微波源和隔直器構(gòu)成，微波源最大輸出功率35W；

4）氣體供給系統(tǒng)：由氣瓶、質(zhì)量流量控制器、氣路隔直器等構(gòu)成，氪氣通過(guò)金屬管路通入推力器，利用質(zhì)量流量控制器控制氪氣工質(zhì)的供給；

5）柵極供電系統(tǒng)：主要由屏柵電源和加速柵電源構(gòu)成，屏柵電源最大輸出電壓2000V，加速柵電源最大輸出電壓-500V。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第四代M5型微波離子推力器采用多ECR區(qū)設(shè)計(jì)以提高放電室電離效率[10-12]。針對(duì)因加速柵形變?cè)斐蓶艠O短路的故障模式，采用石墨柵極和鉬柵級(jí)組合使用的設(shè)計(jì)，即屏柵采用鉬柵級(jí)，加速柵采用變形量更少的石墨柵極。第四代M5型微波離子推力器設(shè)計(jì)推力3mN，比沖2500s，微波輸入功率35W。考慮到經(jīng)濟(jì)性，壽命實(shí)驗(yàn)采用了氪氣推進(jìn)劑，所以推力器性能較氙氣條件下有略微下降。氪氣條件下推力器額定工作參數(shù)如表1所示。

表1 M5型微波離子推力器額定工作參數(shù)

M5型離子推力器壽命實(shí)驗(yàn)從2020年1月開(kāi)始一直進(jìn)行到2021年7月，累計(jì)工作10000h，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中推力器狀態(tài)穩(wěn)定，定期開(kāi)艙檢查推力器狀態(tài)。M5型推力器的全壽命周期的性能參數(shù)如表2所示。在壽命實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了重復(fù)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了推力器在全壽命周期內(nèi)的啟動(dòng)性能變化。

表2 M5型微波離子推力器全壽命周期內(nèi)參數(shù)變化

2.1 M5型微波離子推力器性能變化

推力器的推力、比沖和放電損壞等性能參數(shù)可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

推力F

（1）

其中，Ib為離子源的引出束流；Us為加速電壓；e為電子電荷量；M為氙氣的分子質(zhì)量。

比沖Isp

（2）

其中，t為時(shí)間；mp為氣體質(zhì)量流量。

放電損耗ε

（3）

其中，Pi為微波輸入功率。

圖2給出了推力器推力和比沖的變化趨勢(shì)。由圖2（a）可知，在全壽命周期內(nèi)推力呈下降趨勢(shì)，通過(guò)推進(jìn)劑流量和微波輸入功率的調(diào)節(jié)，推力變化很小，基本保持穩(wěn)定。由圖2（b）可知，比沖隨著工作時(shí)間的增大而減小，當(dāng)推力器工作10000h后，比沖由2460s降低為1844s。

放電損耗的變化反映了推力器的電離性能。由圖3可知，推力器放電損耗隨工作時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢下降，說(shuō)明放電室性能有所下降。由于推力器效率下降，產(chǎn)生相同推力所需的微波功率和推進(jìn)劑流量隨之增加。雖然推力器工作全壽命10000h內(nèi)效率是下降的，但下降速率較小，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整微波功率和推進(jìn)劑流量,仍然可以使推力器在滿足性能指標(biāo)的前提下正常工作。M5型離子推力器天線直接暴露在等離子體環(huán)境中，隨著工作時(shí)間的增加，天線在等離子體作用下會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電性下降的趨勢(shì)，從而影響微波能量傳輸效率，降低放電室內(nèi)的電離效率，最終導(dǎo)致推力器效率和比沖的下降。

（a） 推力

（b） 比沖圖2 M5型離子推力器推力和比沖變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of thrust and specific impulse of M5 ion thruster

圖3 M5型離子推力器放電損耗變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of discharge loss of M5 ion thruster

2.2 M5型微波離子推力器啟動(dòng)性能變化

M5型微波離子推力器的啟動(dòng)過(guò)程如圖4所示，紅線代表微波和工質(zhì)輸入信號(hào)，黑線代表加速柵上收集電流的變化。從圖4中可以看出，收集電流的變化略微滯后于微波和工質(zhì)的輸入，因?yàn)橥屏ζ鲀?nèi)等離子體產(chǎn)生到達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要一定的時(shí)間。推力器點(diǎn)火信號(hào)發(fā)出后5s內(nèi)可以在柵極處收集到電流，因此M5型離子推力器點(diǎn)火時(shí)間小于5s。

圖4 推力器工作過(guò)程收集電流變化Fig.4 Collecting current changes during the working process of the thruster

圖5給出了壽命實(shí)驗(yàn)不同階段M5型推力器啟動(dòng)性能的測(cè)試記錄。由圖5可知，在10000h壽命實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，推力器狀態(tài)穩(wěn)定，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段重復(fù)點(diǎn)火性能一致，并未出現(xiàn)點(diǎn)火性能明顯下降的趨勢(shì)。

在整個(gè)壽命實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，推力器累計(jì)成功重復(fù)點(diǎn)火10000次，存在47次點(diǎn)火失敗，點(diǎn)火失敗在壽命末期出現(xiàn)的概率大于壽命初期，原因在于壽命末期微波天線受等離子體濺射影響，微波傳輸效率下降。所有點(diǎn)火失敗發(fā)生后，推力器在下一個(gè)點(diǎn)火周期內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了成功啟動(dòng)，并未出現(xiàn)連續(xù)性的點(diǎn)火失敗。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，M5型離子推力器一次點(diǎn)火成功的概率達(dá)到了99.6%，二次點(diǎn)火成功率為100%。

（a） 壽命實(shí)驗(yàn)0h

（b） 壽命實(shí)驗(yàn)5000h

（c） 壽命實(shí)驗(yàn)10000h圖5 重復(fù)啟動(dòng)性能測(cè)試Fig.5 Repeated start performance test

2.3 柵極系統(tǒng)變化

柵極系統(tǒng)是離子推力器的重要組成部分，在軌運(yùn)行的離子推力器中柵極失效是主要的失效模式之一，因此提高柵極可靠性是離子推力器長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵。M5型離子推力器采用雙柵極設(shè)計(jì)，加速柵在推力器工作過(guò)程中受到上游截獲離子濺射腐蝕，以及下游交換電荷（Charge Exchange, CEX）碰撞產(chǎn)生的慢離子反流引起的濺射作用是加速柵腐蝕的重要原因，加速柵腐蝕速度隨離子濺射能量的增加而加快，從而減少柵極系統(tǒng)的壽命。此外，加速柵的熱變形也是造成柵極失效的重要原因之一。

為了提高柵極系統(tǒng)的可靠性，M5型離子推力器采用了鉬屏柵和石墨加速柵組合使用的設(shè)計(jì)。石墨具有抗濺射能力強(qiáng)、熱變形小的優(yōu)點(diǎn)，是加速柵材料的理想選擇之一。在整個(gè)10000h實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，柵極系統(tǒng)并未出現(xiàn)短路故障，證明了石墨柵極可靠性滿足M5型推力器使用需求。

圖6所示為加速柵在實(shí)驗(yàn)前和10000h壽命實(shí)驗(yàn)后的照片。從圖6中可以看出，10000h壽命實(shí)驗(yàn)后，加速柵極下游表面存在明顯的被濺射腐蝕痕跡，加速柵下游圓形孔被腐蝕成六邊形，并有明顯的深槽臺(tái)階，這一現(xiàn)象反映出羽流區(qū)電荷交換碰撞后離子反流對(duì)加速柵產(chǎn)生侵蝕，柵極孔腐蝕現(xiàn)象隨時(shí)間推移而加重。加速柵上游表面的腐蝕情況較輕，用游標(biāo)卡尺測(cè)量極孔徑?jīng)]有明顯變化。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加速柵截獲電流并未發(fā)生明顯變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了M5型離子推力器的柵極系統(tǒng)壽命大于10000h。

（a） 實(shí)驗(yàn)前下游

（b） 實(shí)驗(yàn)后下游

（c） 實(shí)驗(yàn)前上游

（d）實(shí)驗(yàn)后上游

3 結(jié) 論

通過(guò)M5型離子推力器的10000h壽命實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析，可以得到如下結(jié)論：

1）M5型離子推力器的壽命已超過(guò)10000h，在10000h的壽命實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，推力器推力、比沖和放電損耗發(fā)生略微下降，性能指標(biāo)在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

2）10000h壽命實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了10000次重復(fù)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，充分證明了全壽命周期內(nèi)M5型微波離子推力器具有重復(fù)點(diǎn)火可靠、啟動(dòng)響應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)、工作參數(shù)穩(wěn)定的特點(diǎn)。整個(gè)壽命周期內(nèi)推力器的啟動(dòng)性能未出現(xiàn)明顯下降。

3）M5型離子推力器的柵極系統(tǒng)通過(guò)了10000h壽命考驗(yàn)。加速柵上游柵極孔腐蝕較輕，直徑還沒(méi)有明顯擴(kuò)大。加速柵下游被離子反流腐蝕出深槽，孔型變成六邊形。全壽命周期內(nèi)柵極截獲電流未發(fā)生明顯變化。實(shí)驗(yàn)證明了M5型離子推力器的鉬柵極和石墨柵極組合系統(tǒng)壽命已超過(guò)了10000h。