面向空间无拖曳飞行任务的连续变推力离子推力器研制

胡 竟，王东升，杨福全，耿 海，贾艳辉 ，张天平，郭德洲，谷增杰

（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000；2.北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191）

0 引言

为降低航天器的加速度残余扰动，满足空间科学任务对卫星结构稳定性的需求，20世纪60年代Lange[1]提出了实现航天器无拖曳飞行的技术方案，其基本思想是利用高分辨率、高精度的微小推力实时抵消作用在航天器上除重力外的所有空间环境扰动和卫星自身扰动，确保航天器沿着纯重力的轨道飞行。基于实时抵消干扰力和力矩的无拖曳飞行技术已在Triad I实验卫星[2]、GP-B卫星[3-4]、GOCE卫星[5-12]和LISA Pathfinder卫星[13]空间科学实验任务中得到验证和进一步完善。

针对无拖曳飞行阻尼补偿任务提出的推力宽范围、高精度、连续可调和快速响应需求，传统的化学推力器存在点火启动扰动大、推力变化范围窄、工作寿命短的问题。以离子推力器为代表的电推进产品具有比冲高、寿命长、推力精确可调的突出优势[14]，成为航天器实施无拖曳飞行任务的唯一选择。得益于离子推力器的固有工作原理，放电室内等离子体的产生过程与离子束流的引出过程之间耦合性较弱，因此可在偏离最佳工作点的功率区间范围内实现良好的工作稳定性，效率、比冲等关键性能指标能够保持在较优状态，使得离子推力器在实现输出推力宽范围、高精度、连续调节的同时，确保推力分辨率、推力噪声及调节精度与速率达到较高水平[15]。因此，离子推力器成为完成航天器无拖曳飞行任务的最佳选择。

本文以满足重力梯度测量卫星无拖曳飞行任务及近地轨道观测卫星精确维轨任务为目标，介绍面向空间无拖曳飞行任务的连续变推力离子推力器设计及性能验证情况，为重力梯度测量卫星及近地轨道观测卫星开展无拖曳空间飞行提供技术支持。

1 连续变推力离子推力器工作原理及特点

1.1 离子推力器的变推力原理

如图1所示，在给推力器放电室、主阴极和中和器提供所需流量的推进剂氙气后，主阴极产生的电子受电场力作用进入放电室。在放电室中，电子在电磁场的耦合作用下，以磁感应线为导轴，以螺旋振荡运动的方式向阳极运动。电子的螺旋式运动大幅增加了其运动路程，提高了氙原子被碰撞和电离的概率，增大了氙离子浓度，形成了由电子、氙离子和氙原子组成的等离子体云。等离子体中的电子最终被阳极吸收，离子在电场力作用下，被栅极组件聚焦、加速、引出，并产生反作用的推力。在推力器放电室外部，引出的离子与中和器发射的电子相互中和，形成电中性的粒子束流，确保航天器整体的电中性状态。在此过程中，氙气作为介质完成了电能向动能的转换，产生了所需的推力。

图1 连续变推力离子推力器工作原理及配电关系Fig.1 Working principle and power connection relationship of continuous variable-thrust ion thruster

基于上述工作原理可知，为实现高精度、宽范 围连续推力调节，推力器必须具有连续、稳定的等离子体密度调节能力。只有放电室内等离子体密度的连续稳定可调，方可实现栅极组件引出离子密度的变化，进而实现输出推力的连续调节。

通常离子推力器可通过以下参数的单独调节或组合调节实现等离子体密度的宽范围、高分辨率连续可调：

（1）放电室流量：改变工质气体流量可改变放电室中性气体密度，进而改变放电室等离子体密度，使得引出的束流密度大小随之变化，从而实现推力的调节；

（2）阳极电流：阳极电流大小代表了阴极发射电子的多少，阴极发射电子增多后会有更多的电子与推进剂原子碰撞，使其电离。因此调节阳极电流大小可改变放电室等离子体密度，实现推力的调节；

（3）磁场强度：磁场可约束放电区域中的电子，使电子与中性气体的碰撞概率提高。改变放电室磁场强度，可以在较大范围内改变气体电离率，从而改变放电等离子体密度，最终改变推力大小；

（4）加速电压：在栅极结构一定的条件下，栅极与引出束流密度直接相关，因此在放电室等离子体参数不变的情况下，调节加速电压可改变引出束流的密度和速度，实现推力的调节。

1.2 变推力离子推力器特点

执行常规推进任务的离子推力器均设计为单点和多点工作模式。为了使结构简单并简化电源系统，由永磁体提供磁场，通过调节工质流量、阳极电流和加速电压改变工作点。这种模式对推力的调节范围有限，很难实现连续精细调节，无法满足推力宽范围连续调节任务需求。针对无拖曳飞行任务的推力宽范围、高精度、连续可调和快速响应需求，采用阳极流量、阳极电流和磁场强度三个参数的组合调节方法进行宽范围连续变推力调节。由于螺线管电磁体负载不会受到等离子体扰动的影响，因此通过调节励磁电流即可调节磁场从而稳定精确地调节推力。采用该组合调节方式的变推力离子推力器具有以下特点：

（1）在实现宽范围推力调节的同时能保持相对较高的比冲；

（2）推力调节控制关系简单，控制精度高；

（3）可避免高电压的实时连续调节，降低电推进系统电源处理与控制单元的复杂度，提高系统工作的可靠性与安全性；

（4）采用励磁电流可实现精确稳定调节。

2 连续变推力离子推力器关键因素设计

2.1 放电室

放电室作为直接包络等离子体的部件，具有支撑稳定放电的功能。本文主要从放电室磁场构型、放电室发散场长径比、磁场特性及挡板等方面进行设计优选。

（1）放电室磁场构型优选

磁场构型是离子推力器设计的关键，放电室方案的选择本质上是磁场构型的选择。选择合适的磁场使进入放电室中的工质氙气电离，必须考虑阳极供气、放电电流及磁感应强度等放电室工作输入参数调节的需求。目前国际上离子推力器采用的放电室磁场构型有环尖场和发散场两种，一般从功能性能的可实现性、研制经验的可借鉴性和应用任务的满足性等角度进行优选。

连续变推力离子推力器采用的基于螺线管电磁铁的发散场磁场构型具有结构简单、外形紧凑的显著优势。

（2）放电室发散场长径比设计

放电室发射场长径比是指有效放电室长度Ld与放电室口径Dd之比，是影响放电室性能的重要参数之一，对每一种口径的发散场离子推力器都存在最佳值。当放电室口径Dd确定后，长度Ld就是影响该放电室性能的重要参数。对于发散场放电室，利用放电室内原初电子区的特征长度Lc，可以获得发散场离子推力器最佳工作性能状态下有效放电室长度Ld与放电室直径Dd之间的半经验关系[16]：

式中：Ωp、Ap分别为放电室内原初电子区的体积及包围面积。

（3）磁场特性设计

磁场特性设计重点是特征点磁感应强度和磁场发散度计算选择。

（4）挡板设计

在发散场放电室磁场构型条件下，为使空心阴极发射的电子受到磁场约束向最佳放电区域扩散，提高电离率和改善束流均匀性，最有效的措施是在阴极极靴端面增加挡板，将放电室分成主放电区和等离子体耦合区。

以发散场放电室内部等离子体的运动方程和扩散方程为理论基础，通过等离子体参数与离子推力器宏观工作参数之间的关系，可以推导出挡板直径的理论计算模型，如式（2）所示[16]

式中：DB为玻姆（Bohm）扩散修正系数；Bˉ为通道内的平均磁感应强度；d2为阴极极靴内径；d1为挡板直径；Ianode、Vanode分别为阳极电流、阳极电压；Ibeam为束流；Vkeeper为触持电压；nm、nc分别为放电室内阳极、主阴极的中性气体密度。

2.2 空心阴极

空心阴极作为自持放电的电子源组件，为实现放电室内等离子体密度的宽范围、快速调节，应具备在较宽的放电强度下高效、稳定发射电子的能力。由此，在空心阴极设计过程中，必须确保其放电空腔中温度和推进剂气压的稳定性。

3 试验结果及讨论

以满足重力梯度测量卫星无拖曳飞行任务及近地轨道观测卫星精确维轨任务为目标，我国开展了10 cm口径连续变推力离子推力器的工程产品研制[17-18]。针对推力器的连续变推力特性及整星的高可靠、长寿命应用需求，对推力器的宽范围高精度推力调节特性、空间环境适应性及寿命特性进行了研究分析。

3.1 宽范围高精度推力调节特性试验

试验在兰州空间技术物理研究所TS-6S离子推力器性能测试试验设备中进行。设备真空室的内径为1.5 m、长度为4 m，空载抽气24 h后压力低于5×10-5Pa，加载10 cm3/min氙气后，压力低于1×10-3Pa。采用地面供电及供气系统为推力器供电、供气。其中，地面供电系统的屏栅电源电流稳定度在15～480 mA内优于0.3%；阳极电源的电流分辨率优于8 mA，在0.3～4.0 A内电流稳定度优于0.5%；励磁电源的电流分辨率优于3 mA，在0.015～0.850 A内电流稳定度优于0.5%；阳极流量的供气精度为±3%。

为降低系统的复杂性及控制难度，试验过程中将阳极供气分为10组，每组对应1档阳极电流，将励磁电流作为主控参数进行调节。励磁电流调节过程中推力器推力变化规律如图2所示。

从图2可以看出，随着励磁电流的增大推力逐渐增大。同一组阳极供气下推力器输出推力的差值最大达到5 mN，最小约为3 mN；对比临近两组阳极供气发现，推力器在前一组供气下输出推力的最大值大于在下一组供气下输出推力的最小值，使得不同阳极供气状态下可调节的推力不断档，从而确保推力调节的连续性。试验结果表明：基于地面供气及供电系统，推力器可在100～730 W的功率范围内进行0.75～25.02 mN的推力宽范围调节，比冲为400～3 360 s，推力分辨率优于50 μN。因此，以阳极供气和阳极电流的调节为基础，结合励磁电源的高精密调节，可以满足推力器在1～25 mN内的高精度、连续调节的需求。

图2 推力输出随励磁电流的变化规律Fig.2 Variation law of thrust with magnet current

3.2 空间环境适应性验证

抗力学特性、热环境适应性及耐原子氧特性是空间环境适应性验证的重点。

（1）抗力学特性验证

抗力学特性验证包括加速度试验、冲击响应谱试验和振动试验，表1为连续变推力离子推力器的鉴定级冲击响应谱试验条件。经测试：推力器力学环境试验后外观完整，工作状态正常，连续变推力性能未发生明显变化。结果表明，10 cm口径连续变推力离子推力器具有良好的抗力学特性。

表1 连续变推力离子推力器的鉴定级冲击响应谱试验条件Tab.1 Shock response spectrum test conditions for qualification level

（2）热环境适应性验证

结合整星热环境工作要求及离子推力器工作特性，进行了累计循环次数为25.5次的热真空试验，其中高、低温分别为110℃和-90℃。图3为热真空试验前后工作性能计算结果的对比。

图3 热真空试验前后工作性能对比Fig.3 Comparison of working performance before and after thermal vacuum test

从图3可以看出，热真空试验前后，推力器的输出推力、比冲及功率均保持稳定，首末循环下的工作性能同样保持稳定。此外，分析首末循环时空心阴极在高低温环境中的6次点火启动时长发现，经历累计循环次数为25.5次的高低温循环后空心阴极状态正常，点火时长保持稳定，未出现明显异常，如图3（d）所示。

热真空试验充分证明，10 cm口径连续变推力离子推力器具有良好的热环境适应性。

（3）耐原子氧特性

航天器在低轨飞行会遭受原子氧环境的影响。对于安装在整星结构外的离子推力器而言，原子氧主要影响推力器的空心阴极和供电组件等部组件。经测算，为顺利完成重力梯度测量卫星及近地轨道观测卫星无拖曳飞行任务，上述部组件应能承受累计通量不低于5.595×1021atoms/cm2的原子氧辐照。

为此，在兰州空间技术物理研究所开展了试验总通量为5.75×1021atoms/cm2的原子氧辐照试验。试验后，空心阴极能够正常点火启动，阳极电压、点火时长等性能参数稳定，满足筛选试验合格判据和设计要求；供电组件的外观及耐压特性均未发生变化，表明具有良好的耐原子氧能力。

通过高于规定通量的原子氧暴露试验充分验证了10 cm口径连续变推力离子推力器良好的耐原子氧特性。

3.3 寿命特性摸底

为验证10 cm口径连续变推力离子推力器累计工作寿命指标的满足性，进行了累计点火时长为500 h的短期磨损考核，以获取寿命关键特征参数，为寿命预测模型校准提供基础数据，并初步确认推力器是否存在早期随机性失效模式。

短期磨损考核摸底在兰州空间技术物理研究所TS-6B离子推力器试验设备中进行，采用地面供电及供气系统为推力器供电和供气。试验过程中以5 mA步长调节励磁电流，确保束流控制在376 mA±3 mA范围内。试验以累积工作100 h为一小节，共计五小节，其中在第一小节试验前和最后一小节试验后分别检测放电室、栅极组件及空心阴极的状态。500 h短期磨损考核中推力器性能变化情况如图4所示。

图4 500 h短期磨损考核中推力器性能变化Fig.4 Performance change of thruster in 500 h short-term wear test

从图4可以看出，500 h短期磨损考核中推力、比冲及功率变化情况符合预期，推力器性能未发生明显变化，整机效率保持稳定。图5为试验前后栅极组件屏栅中心小孔外观及孔径变化情况。

图5 500 h短期磨损前后屏栅中心孔外观及孔径变化Fig.5 Appearance and aperture change of grid center hole before and after 500 h short-term wear test

从图5可以看出，试验后屏栅中心孔的孔径基本无变化，屏栅表面出现离子溅射刻蚀痕迹，整体外观情况符合预期。此外，检查加速栅外观发现，加速栅中心孔周围出现轻微腐蚀形成的凹坑，最大腐蚀深度约为4.2 μm，两个小孔之间的桥梁地带形成了带状凹槽形腐蚀，最深处约为1.9 μm。500 h短期磨损后加速栅中心孔外观如图6所示。

图6 500 h短期磨损后加速栅中心小孔外观Fig.6 Appearance of accelerator grid center hole after 500 h short-term wear test

基于500 h短期磨损试验数据，对栅极组件PIC-MCC寿命分析模型进行了校正，结合束流密度分布及双核离子修正影响，预估栅极组件寿命约为15 114 h。

4 结论

针对重力梯度测量卫星及近地轨道观测卫星无拖曳空间飞行任务需求，分析了离子推力器连续变推力的工作原理。基于此，研究了推力器输出推力宽范围、高精度、快速连续调节的关键要素，并通过宽范围高精度推力调节特性、空间环境适应性及寿命特性研究，揭示了10 cm口径连续变推力离子推力器的工程特性，得到以下结论：

（1）可以通过阳极流量、阳极电流、磁场强度及加速电压等参数调节实现放电室内等离子体密度的连续稳定、宽范围调节，进而实现输出推力的连续调节；

（2）基于地面供电、供气条件，采取阳极流量、阳极电流及磁场强度组合调节方法，在100～730 W功率内使10 cm口径连续变推力离子推力器实现0.75～25.02 mN的推力宽范围调节，比冲达到400～3 360 s，推力分辨率优于50 μN；

（3）10 cm口径连续变推力离子推力器具有良好的空间环境适应性，整机寿命预估达到15 114 h。