变工况下自励磁模式LHT-60霍尔推力器放电特性试验研究

陈新伟，高 俊，顾 左，郭 宁，王尚民，史 楷，王倩楠，杨三祥，高 军，耿 海

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室甘肃省空间电推进技术重点实验室，兰州 730000）

0 引言

近年来，小卫星技术[1]的迅猛发展和太阳能电池阵效率的大幅提高促进了低功率、高比冲、长寿命、集成度高的低功率电推进技术的应用。霍尔推力器具有结构简单、推力小、比冲适中、推功比高[2-3]等优点，广泛应用于航天器轨道保持[1]、轨道提升、寿命末期离轨、深空探测[4-5]等领域。

前苏联是最早试验和应用霍尔推力器的国家。20世纪70年代至80年代初，前苏联在低轨卫星上进行了6次低功率霍尔推力器试验，包括4台450 W的SPT-60[6]霍尔推力器和8台350 W的SPT-50[7]霍尔推力器。1982年起，660 W的SPT-70[6]霍尔推力器在前苏联GEO卫星上执行东西位置保持任务。该推力器在轨应用前开展了流量、磁场、电场等变工况下的调节试验，获取了推力器最佳工作点。美国2000年左右开始低功率霍尔推力器的研制，主要研究机构和工程化研制单位包括Busek公司、喷气推进实验室、加州大学洛杉矶分校等。Busek公司研制了BHT-200和BHT-600两款推力器，其中BHT-200[8-9]霍尔推力器在2006年12月16日发射的TacSat 2小卫星上成功应用，用于执行轨道提升任务。试验获取的推力器的主要额定参数为：放电输入功率200 W、推力12.8 mN、比冲1 390 s。此外，对BHT-600[10-11]霍尔推力器进行了输入功率为200～800 W的变工况调节研究。喷气推进实验室的研究团队研制了600 W功率MaSMi-60[12-14]霍尔推力器，测试了原理样机在放电电压200～400 V、放电功率160～750 W变工况下的放电特性，结果表明，推力器放电通道长度和阳极构型不合理是导致推力器效率低的主要原因。调研发现，一些研究机构在低功率推力器研制和性能提升过程中进行了大量的放电特性研究，但是，为了研究变磁场下的工作特性，励磁线圈均采用外接电源供电方式而不是自励磁模式的配电网络。

面向低轨互联网星座的使用需求，兰州空间技术物理研究所开展低功率霍尔电推进产品的技术攻关，成功研制了500 W级自励磁模式LHT-60低功率霍尔推力器。本文针对兰州空间技术物理研究所研制的60 mm外径的LHT-60霍尔推力器在较宽的放电电压和放电功率范围内的工作性能进行试验研究。研究LHT-60霍尔推力器在放电电压200～350 V、阳极流量1.1～2.0 mg/s，输入功率180～640 W条件下推力、比冲、阳极效率、推功比等宏观参数的变化规律，结合法拉第探针获取变工况下束流中离子电流密度分布，获取推力器的放电特性与电流利用率、质量利用率的匹配关系，建立变工况下自励磁工作推力器稳定工作特性与效率损失对应关系，为推力器在轨应用提供有效的试验数据支持。

1 试验系统及装置

1.1 真空系统

试验在兰州空间技术物理研究所TS-6A电推进真空试验系统上进行。TS-6A电推进真空试验系统尺寸为D2 000 mm×5 000 mm，局部照片如图1所示。真空系统内配备有TMS推力测量和束流诊断装置，用于对霍尔推力器的工作推力和束流发散特性进行评估。真空系统配有3台K-800TD高真空油扩散泵、2台低温泵和1台F-400分子泵，真空系统对氙气的有效抽速为15 000 L/s。系统同时配备电阻真空计和电离真空计组合的复合真空计，压力监测范围105～10-5Pa。系统极限压力1.0×10-5Pa，当推力器引束流过程氙气流量为2.0 mg/s时，系统的带载压力可低于1.0×10-3Pa。推力器地面供气系统由氙气瓶、减压阀、流量控制器、管路等组成，流量控制精度可以达到满量程的±2%。试验系统还配备了阳极、励磁，加热、触持电源等推力器工作所需的配电系统。

图1 TS-6A真空系统局部图Fig.1 The part picture of the TS-6A vacuum equipment

1.2 LHT-60霍尔推力器

试验采用放电室外径为60 mm的LHT-60霍尔推力器。该推力器主要由放电室、阴极和推力器外壳，励磁组件等组成，最显著的特点是采用了一个中空环形线圈作为外线圈，为推力器提供均匀的磁场。自励磁工作模式是用一个阳极电源作为放电电源，所有内外励磁线圈串入推力器主放电回路，推力器工作时阴极和阳极之间主放电回路产生的电流驱动励磁线圈产生感应磁场。通过该供电方式可节省1个励磁电源模块，简化系统配电网络，减少电源数量，提高星载电推进系统的推重比。此外，推力器工作时所有线圈与放电相互耦合，可以降低推力器放电振荡，提高电源供电系统的可靠性，延长推力器服役寿命。推力器自励磁模式供电网络如图2所示。

图2 LHT-60霍尔推力器自励磁模式供电网络示意图Fig.2 The Schematic of the LHT-60 Hall thruster with self-excited mode power supply relationship

测量放电电流和电压等关键参数的仪器主要包括电流探头CP1015，量程15 A，频宽60 MHz，精度±1%FS；高压差分探头N1070B，量程700 V，频宽100 MHz，精度±1%FS；安捷伦示波器3024T，最大采样率5 GSa/s，带宽200 MHz。

1.3 推力测量装置

推力测量装置机械部分主要由静架、动架、位移传感器及推力器测量支架等组成。动架通过支撑架安装在静架上，霍尔推力器通过安装支架置于动架上，整个推力测量装置通过支架安装在真空系统上。当霍尔推力器点火工作时，推力的反作用力使动架产生位移，该位移经过动架另一侧的位移传感器进入推力测量信号采集系统，再通过试验系统加载的静电力获得“力-位移”数据，利用胡克定律即可得到霍尔推力器对应某一工况的推力值。该推力装置量程0～50 mN，精度±0.1 mN。推力器和推力架相对位置如图3所示。

1.4 束流诊断系统

采用束流发散角诊断装置测试不同工况下推力器的束流发散角。该装置主要由法拉第探针、偏置电源、测试电路板和计算机以及真空二维移动机构组成，其中法拉第探针由防护套、电流收集盘、绝缘垫组成。防护套与电流收集盘之间的陶瓷件起绝缘和定位作用。电流收集盘直径为10 mm，收集极和保护环间距为1.5 mm，该间距与霍尔推力器羽流等离子鞘层厚度在同一数量级，能够屏蔽束流中非轴向等离子体[15]。考虑二次电子发射的影响，尽可能选择二次电子发射系数小的材料作为收集极，本试验选择的收集极材料为钼。收集极和外壳分别加载-30 V的偏置电压，一方面使收集极起到排斥羽流电子流、收集离子流的作用；另一方面确保防护套（保护环）和收集极表面产生均一的等离子鞘层，得到离子电流值，再用离子的电流值除以收集器面积得到离子电流密度。推力器安装在推力测量装置上，其轴线与法拉第探针平面中心重合，三者的相对位置如图4所示。

图3 推力测量装置示意图Fig.3 The schematic diagram of thrust measurement device

图4 法拉第探针与推力器之间相对位置Fig.4 The relative position between Faraday probe and hall thruster

推力器总的离子束电流Ib可由式（1）得到：

式中：r为距推力器中心线的径向距离；ri为探针第i个位置处的径向距离；Δr为探针径向（图4中Y方向）测量距离增量；j(r)为离子电流密度（由Faraday探针测量得到）。

束流发散角θ由式（2）计算：

式中：D为霍尔推力器喷口直径；R90%为霍尔推力器喷口与法拉第探针探测面处90%总束流值对应的径向距离；L为探针与推力器的轴线距离。

2 结果与讨论

试验研究了推力器推力、阳极比冲、阳极效率、放电电流、电流利用效率等参数随放电电压、阳极质量流量等参数的变化特性。

推力T[16]可以由式（3）给出：

式中：m˙i为离子流等效质量流量为平均离子速度；γ为由束流发散和多价离子引起的推力修正系数；M为氙原子质量；Id为放电电流；Vd为放电电压；e为单位基本电荷。

阳极比冲Isp,a的计算公式为：

阳极效率ηa定义为：

式中：Pd为阳极放电功率。

推功比是衡量霍尔电推进系统性能的重要指标。推功比为推力与系统功率的比值：

从式（6）可以看出，随着放电电压的增加，推功比降低。

霍尔推进器中的放电电流是离子和电子电流的总和，但只有离子电流有助于产生推力。ηb代表束流电流利用效率（即放电电流中离子电流的分数），可以用下式表示：

其中放电电流Id由电流探头测量，总的离子束电流Ib由法拉第探针沿推力器径向积分获得。

质量利用效率ηm为：

2.1 阳极质量流量和放电电压的影响

研究了推力器放电电压为200～350 V，阳极质量流量1.1～2.0 mg/s下的放电参数。由于推力器配电网络为自励磁供电方式，故磁场位型由放电电流决定。

图5为不同阳极质量流量、放电电压下推力器放电电流、功率、推力、阳极比冲、阳极效率、推功比变化曲线。可以看出，恒定放电电压下（如350 V），阳极质量流量从1.1 mg/s增大到2.0 mg/s时，推力器放电电流、功率、推力、阳极比冲、推功比均呈逐渐增加趋势。即放电电流从1.143 A增大到1.786 A，增幅约56.3%；功率从409 W增大到634 W，增幅约54.9%；推力从14.9 mN增大到35.05 mN，增幅约134.9%；阳极比冲从1 384 s增大到1 788.3 s，增幅约29.2%；阳极效率从22.7%增大到46.1%，增幅约103.5%；推功比从36.5 mN/kW增大到55.28 mN/kW，增幅约51.6%。分析原因为：随阳极质量流量增加，推力器放电通道内中性原子密度逐渐增大，单位时间内电子在电磁场的作用下获取能量后进入放电通道碰撞中性原子（如氙原子）的频率（见式（9））增大，电离增强（以低能电子与中性原子的碰撞电离过程为例：e+Xe→ Xe++2e，其中，Xe为氙原子，Xe+为氙离子），电离率增加，离子电流增大，放电电流增加。对于电离过程，可以用原子和离子沿轴向（z）的一维稳态连续方程表示，见式（10）。此外，由于推力器配电网络为自励磁模式，随放电电流增加，推力器放电通道磁场增加，对放电通道内阴极发射电子的约束增强，电子获得能量增大，电离速率系数增大，见式（11），放电电流进一步增大，导致放电功率、推力增大。随质量流量的增加，放电电流增大，推力逐渐增大，如式（3）、式（5）所示，与本次试验结果一致。

电子与原子的碰撞频率ν可以由式（9）计算：

式中：na为原子数密度；ve为电子速度；Q为电子和原子的碰撞截面。

对于电离过程，分别用原子和离子沿轴向（z）的一维稳态连续方程表示：

式中：ni为离子数密度；va和vi分别为原子和离子速度；ne为电子数密度；βiz为电离速率系数（与电子温度Te(z)有关）。

电离速率系数βiz可近似表达为：

式中：β0为阳极位置处的电离速率系数；T*为工质电子温度阈值。对于氙工质，β0=2.2×10-14m3/s，T*=4 eV。

图5 推力器放电参数随阳极质量流量的变化曲线Fig.5 The variation profiles of thruster discharge parameters as a function of anode mass flow rate

图6为阴极流量0.1 mg/s、放电电压320 V下， 不同阳极质量流量，不同位置处的离子电流密度空间分布曲线，其中图6（a）中的y为法拉第探针收集中心到推力器出口平面中轴线的距离，x为与推力器出口平行平面的下游到推力器出口平面垂直的距离。为了更清晰展现离子电流空间分布，分两层显示同一工况下的离子电流，如图6（a）所示，下层为离子电流密度柱状分布图，上层为离子电流密度3D散点轨迹图，显示平面为偏移起点平面。图6（b）（c）与图 6（a）类似。由图 6（a）还可以看出，同一阳极质量流量下，离子电流密度以轴线为中心沿径向对称分布，中轴线处最大，远离轴线逐渐减小；从推力器出口沿轴线方向减小。说明推力器羽流呈现双极（轴向和径向）扩散膨胀的特点。该趋势与Dannenmaye等[17]和Diamant等[18]的研究结果一致。此外，当阳极质量流量从1.1 mg/s增大到1.7 mg/s时，推力器出口平面同一距离处的离子电流也逐渐增大，如距离推力器出口平面100 mm处，离子电流密度从3.1 mA/cm2增大到10.7 mA/cm2，增大245%。主要原因为，随阳极质量流量增加，推力器放电通道内中性原子密度逐渐增大，单位时间内电子碰撞原子的频率增大，电离率增加，羽流中离子电流增大。

图6 不同阳极质量流量下离子电流密度的空间分布Fig.6 The Spatial distribution of ion current density with different anode mass flow rates

图7（a）为放电电压320 V，阴极质量流量0.1 mg/s下，不同阳极质量流量下的束流发散角、电流利用效率、质量利用效率变化曲线图。可以看出，阳极质量流量从1.1 mg/s增大到1.7 mg/s时，电流利用效率和质量利用效率逐渐增加，束流发散角呈现减小的趋势，其中电流利用效率从0.65增大到0.79，增加21.5%；质量利用效率从0.62增大到0.81，增加30.6%；束流发散角从61.3°减小到58.5°，减小2.8°。主要原因为，随质量流量增加，电离效率增强，因此，质量利用率和电流利用效率不断增大。此外，由于采用自励磁供电，励磁线圈串入放电回路使放电增强，进一步诱导励磁线圈使推力器放电通道内磁场强度增大，对进入放电通道内的电子的约束增强，电子在放电通道与中性原子的碰撞概率增加，由式（9）和式（10）可知，离子电流密度增加，因而离子总电流增加，电流利用效率和质量利用效率进一步增加。束流发散角随质量流量增加不断减小的可能原因为：由于阳极质量流量的增大，而且推力器采用了自励磁供电模式，放电电流的增大进一步诱导磁场增强，推力器放电通道内部离子受到轴向电场作用增加，外通道方向的径向电场作用减弱，综合作用导致推力器聚焦作用增强，束流发散角有所降低。

从式（3）可以看出，推力（T）、阳极比冲与放电电压（Vd）成正相关的关系。从图5可以看出，恒定阳极流量下，当放电电压从200 V增大到320 V时，放电电流、功率、推力、阳极比冲随电压的增加而增大。主要原因为，质量流量恒定下（中性原子一定），随着电场增加，电磁场对进入放电室内部电子的约束和加速作用增强，放电电流增大，对离子的加速作用增大，束流离子的平均速度提高，离子的能量增大，从而推力增大。但是，阳极效率、推功比随电压的增大而减小，阳极效率减小。主要的原因为，随放电电压的增加，束流中二价离子和三价离子的比例增加（但Xe+仍然在等离子体中占主导地位），多价离子容易降低推力器的性能。总效率与单价离子效率比如式（12）：

式中：η为总效率；η+为一价离子效率；qi为第i价离子电荷量；Ωi为束流离子占总电流比例，其中，Ii为第i价离子形成的电流。

由式（12）可以看出，等号右侧总是小于1，因此三价离子的效率（对于相同的束流）总是小于二价离子的效率。

当放电电压进一步增到350 V，同一质量流量下放电电流未继续增大，说明在该质量流量、配电网络下，推力器中的离子和电子到达阳极形成的放电电流为最大值。放电电压增加，导致输入功率增加。但推力、阳极比冲并未增加，主要可能的原因是推力器羽流发散效率（cos2θ）降低的缘故。随放电电压增大到350 V，效率、推功比呈现下降趋势，原因是推力器热损失比例增大，转化为束流推力的有用功减小。由此，320 V放电电压为可定位为理想的推力器放电电压。

图7 束流发散角、电流利用效率和质量利用效率随阳极质量流量和放电电压的变化曲线Fig.7 The Curves of beam divergence angle，current utilization efficiency and mass utilization efficiency under different anode mass flow rates and anode voltages

图7（b）为阳极流量1.4 mg/s，阴极质量流量0.1 mg/s下，不同放电电压下束流发散角、电流利用效率、质量利用效率变化曲线。可以看出，放电电压从200 V到320 V，电流利用效率和质量利用效率逐渐增加，束流发散角呈现减小的趋势，其中电流利用效率从0.64增大到0.76（增加18.7%）、质量利用效率从0.65增大到0.78（增加20%），束流发散角从61.4°减小到59.2°（减小2.2°）。随着放电电压的增加，电流利用效率和质量利用效率逐渐增加。这是因为，随放电电压增加，电磁场作用增加，放电通道电离作用增强，放电电流增加，进一步诱导磁场增强，对电子的约束增强，电流利用效率和质量利用效率增加。此外，由于磁场、电场增强、束流加速和聚焦性逐渐增加，使发散角呈现减小的趋势，该特性与Conversano等[12]对低功率霍尔推力器的研究结果一致。Hofer等[19]的研究结果表明，推力器羽流发散与电离区中心位置（Zi）或电离区长度（Lion=va/(neveσiz)，其中va、ve分别为原子和电子速度，ne为电子密度，σiz为电离截面）和加速区的长度（La）变化有关。在霍尔推力器中，两个区域重叠，正是基于此，推力器最优总效率不对应于两个区域完全分离的地方。这是因为将电离区从加速区移开会增加离子流壁上速度的损失。随着放电电压的增加，Zi向上游移动或Lion沿阳极方向增加。因此，束流发散角减小可归因于加速区的移动或电离区的增长。一般来说，由于壁面损失较高，较长的电离区可能不利于提高推力器的效率和寿命。然而，采用自励磁供电模式、在电磁场共同作用下，随放电电压的增加，束流发散角逐渐较小，因此更好的聚焦效率可能会减少额外的壁面损失。这与文中测量的200～320 V电压下束流发散角从61.4°减小到59.2°（减小2.2°）一致。

2.2 放电功率的影响

图8为不同放电电压下，推力、阳极比冲、效率和推工比随放电功率的变化。可以看出，阳极功率从200 W增大到700 W的过程中，推力从8.2 mN增大到31.2 mN左右，与功率变化基本成线性关系。相应地，阳极比冲从785 s增大到1 685 s左右，效率从的15.1%增大到40.75%左右，推功比从的42.5 mN/kW增大到55.75 mN/kW，与Conversano等[7]研制的MaSMi-60-LM2的结果类似。

ISCT-200 MS是 Garrigues等[20]研制的200 W级低功率霍尔推力器。表1为LHT-60与MaSMi-60-LM2、ISCT-200 MS主要参数对比。由表中可以看出，同功率下（550 W）LHT-60推力器的推力比MaSMi-60-LM2高2 mN，阳极比冲高236 s，效率高5.8%。效率高的主要原因是采用了高效的放电磁路设计、高的放电电压和自励磁模式供电（无励磁功率）。阳极比冲、效率高于200 W ISCT-200推力器，主要原因为，200 W ISCT-200放电口径小，表面积与体积比大，造成等离子体与放电室壁面碰撞损失增大。

图8 不同放电电压下放电参数随放电功率的变化曲线Fig.8 The change of thrust，anode specific impulse，efficiency and thrust-to-power at different discharge voltages

表1 与国际知名推力器主要参数对比表Tab.1 Comparison of with the main parameters of the internationally well-known hall thrusters

3 结论

本文以LHT-60霍尔推力器为对象，重点研究了自励磁供电模式下推力器推力、比冲、效率、发散角、电流利用率等在变工况下（不同放电电压、阳极质量流量）的变化，得出以下结论：

（1）在自励磁模式、恒定放电电压下，随阳极质量流量增加，放电通道内中性原子增多，电子与原子的碰撞电离增强，电离率增加，离子电流增大，使放电通道磁场增加，对放电通道内阴极发射电子的约束增强，进一步导致功率、推力、阳极比冲、推功比、电流利用效率、质量利用效率增大，束流发散角随阳极质量流量的增大而减小；

（2）恒定阳极流量下，放电电压从200 V增大到320 V时，放电电流、功率、推力、阳极比冲、电流利用率、质量利用率等随电压的增加而增大，并在320 V达到稳定值。说明在自励磁模式、特定范围功率约束下，由放电电流诱导产生的磁场强度使得电子和离子形成最佳的推力值。放电电压继续增大至350 V，输入功率增加，效率有所降低。但由于羽流发散效率、推力、阳极比冲未随放电电压增加而增加。考虑到推力器必须长期稳定工作，因而以320 V为推力器的最佳工况电压。此外，由于采用了高放电电压和自励磁模式供电，与MaSMi-60-LM2相比，推力器在额定供电、供气下，推力高2 mN、阳极比冲高236 s、效率高5.8%。