10 cm发散磁场离子推力器地面试验验证研究

孙明明，耿 海，何 非，杨福全，胡 竟，丁国宗

（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）

0 引言

发散磁场离子推力器即Kaufman型离子推力器，是目前国际上主流的离子推力器类型之一，其特点是阴极磁极与放电室上游磁极之间形成具有强发散特征的轴向磁场，可以保护位于放电室壁面附近的圆柱筒形阳极[1-3]。在发散磁场离子推力器的放电过程中，电子向阳极壁面的运动过程由受轴向磁场梯度影响的迁移-扩散过程所决定。正是基于上述放电特性，可通过推进剂供给量和阳极电流的调节及电磁铁电流的闭环调节来调整发散磁场离子推力器轴向磁场的发散特性即梯度，实现通过影响放电室内部等离子体密度，连续控制推力大小的目的。

发散磁场离子推力器具有推力连续可调、高精度及推力闭环控制的特点，主要用于对推力连续性有需求的航天器。代表产品如英国QinetiQ公司研制的T5发散磁场离子推力器[4]，口径为10 cm，可产生1~21 mN的连续可调推力，推力控制精度为±10μN。2009年T5离子推力器搭载欧空局（ESA）的全球引力及海洋环流探测（GOCE）超低轨卫星入轨，开展大气阻尼（该轨道的大气密度为2.37×10-11~2.08×10-10kg/m3，大气阻力与大气密度成正比且相差一个量级）补偿工作[5-7]，其中T5推力器在18 mN工况点（在轨主工况点）的束流为0.329 A，比冲和总效率分别为3 200 s和55%。基于T5推力器的出色工作性能（前期开展了大量放电性能优化工作），GOCE卫星任务周期从原计划的2.5年扩展到4年，成功测绘到目前最高精度的地球引力场分布。2006年日本航天局（JAXA）发射的ETS-VIII卫星搭载三菱公司研制的12 cm口径Kaufman型离子推力器进行卫星的南北位置保持[8-10]。该推力器的推力调节范围为20.9~23.2 mN，总效率为45.6%~49.7%，比冲为2 402~2 665 s。在工程研制阶段，JAXA对推力器进行了多轮放电过程优化以提升其性能。2019年我国启动了超低轨道监测卫星的研制任务（计划于2022年发射），并选择兰州空间技术物理研究所研制的10 cm口径发散磁场离子推力器[11-12]，以抵消超低轨道（高度为200～350 km）大气阻尼的影响。该推力器的推力调节范围为1~25 mN，推力分辨率为±10μN，在轨主工况点为20 mN，目前推力器初样产品研制已基本结束。离子推力器产品在交付前，须完成包括鉴定级、验收级等一系列地面试验验证，以考核产品的性能、工作稳定性和环境适应能力等，以此作为评价其能否完成在轨任务的重要标准。

本文主要介绍兰州空间技术物理研究所研制的10 cm口径发散磁场离子推力器的地面试验验证情况，分析试验过程中推力器性能参数的变化并给出试验评价结论。

1 推力器结构及工作参数

10 cm口径发散磁场离子推力器外形如图1所示，推力器主体结构为圆柱形，由安装环隔成前后两段，前段为放电室，后段用于布置供气管路及供电电缆。图2为推力器放电室结构示意图。放电室由6根按照60°角均布的螺线管电磁铁组件固定，起到中心承力的作用，以提高推力器的结构强度和稳定性。阴极位于放电室几何中心并提供放电所需的初级电子。在发散磁场构型下，为使阴极发射的初级电子受到磁场强约束并向最佳放电区域扩散，以提高电离率、改善束流均匀性，参考英国T5离子推力器设计[10]，在下游磁极端面增加阴极挡板，以控制阴极发射电子的分布（阴极挡板和主阴极为同一电位，几乎不会造成电子损失）。阳极为筒状结构，距离放电室壁面约7 mm，上游磁极为电磁铁的延伸段，沿磁极方向并深入放电室约10 mm，与放电室壁面呈40°夹角。离子光学系统为双栅极、凹面栅极结构，可以降低热形变对栅极性能的影响。

图1 10 cm离子推力器外形图Fig.1 Outline of 10 cm diameter ion thruster

图2 推力器放电室结构示意图Fig.2 Structure of the discharge chamber

推力器在20 mN主工况点（束流及阳极电流额定值分别为0.376 mA和3.1 A）的电气参数如表1所列，其中屏栅电势为放电室内部的电势参考点，上游和下游磁极与阴极挡板的电势均与屏栅电势相同，主阴极触持极和阳极电势相对屏栅电势分别高12 V和35 V，根据推力器供电关系，推力器整体电势参考点为中和器触持回线电势。

表1 10 cm推力器在20 mN工况点的工作参数Tab.1 Parameters of 10 cm diameter ion thruster under 20 mN working point

2 试验装置及测试方法

10 cm口径离子推力器的地面测试试验在兰州空间技术物理研究所的TS-6S设备上完成，该设备专用于500 W以内的小功率电推进系统性能测试试验。设备尺寸为D1.5 m×4 m，配置的低温抽气系统可保证设备的极限压力低于5×10-5Pa，当气体流量为15 cm3/min时，工作压力低于4×10-4Pa。设备主舱底部安装有百叶窗型钛合金防溅射靶，以防止高能粒子对设备壁面的直接轰击。TS-6S设备如图3所示。

图3 TS-6S离子推力器地面真空试验测试设备Fig.3 TS-6S Vacuum facility for ground test of ion thruster

推力器供电电源包括主阴极和中和器的加热以及点火电源、主阴极和中和器的触持电源、阳极电源、屏栅电源、加速栅电源和励磁线圈电源共计9组电源。除点火电源为12 V开关信号控制的定制脉冲电源外（脉冲电压900～1 100 V），其余电源均为电压、电流精确调节的可编程直流电源，电源精度为±0.1%。推力器供气系统包括主阴极、中和器和阳极三路，采用ALICAT流量计调节和控制供气流量，范围为0~5 cm3/min，可覆盖10 cm离子推力器1~25 mN工况点的所有供气需求，供气精度为±1%。试验过程中进行推力器工况调节时，首先调节对应工况的阳极供气，待供气稳定后调节阳极电流，最后调节励磁电流，以实现对应工况额定参数的粗调和闭环调节。

采用电参数测量法测量离子推力器的推力，即利用推力器在不同工况下的电参数，结合束流发散角和双荷离子比例的测量结果对推力进行修正。采用法拉第探针阵列测量束流发散角，如图4所示。法拉第探针阵列被安装于D 1 m的圆环形支撑机构上，支撑机构上有4根过圆心与直径等长的探针安装杆，每根安装杆装有20只法拉第探针。测量时，离子推力器前外壳距离法拉第阵列500 mm。测试方法为在要求工况点的束流范围内稳定5 min后开始测量，每种工况下测3次，之后根据测量结果分别计算每次的束流发散角和推力偏角，取3次测量的平均值作为最终结果。

图4 用法拉第探针阵列测量束流发散角Fig.4 Measurement of beam divergence angle with Faraday probe array

采用E×B探针测量双荷离子比例。试验所用E×B探针扫描电压范围为0～500 V，探针内部磁场由扁平型铁氧体永磁铁产生，磁感应强度为0.16 T。

环境试验前后分别进行1~25 mN内共计25个工况点（步长为1 mN）的宽范围性能调节测试（各工况点分别引束流工作3 min）、推力分辨率测试和短期考核验证（3、8、10、20 mN四种工况下各工作3 h）。短期考核试验是测试推力器在较长时间内的工作稳定性，同时也是对在轨固定周期内的推力器最长连续工作时间的验证。完成短期考核验证后，推力器出舱并进行环境试验。

环境试验包括力学试验和热真空试验，主要目的是模拟星载产品在火箭发射时经受的各类振动（正弦、随机和冲击等）以及在轨高低温变化（太阳辐射引起的温度变化）。图5为安装在专用力学试验台上，准备开展正弦、随机和冲击试验的推力器。其他测量仪器包括高斯计、示波器，绝缘测试仪等。

图5 安装就绪准备进行力学试验的推力器Fig.5 The thruster for mechanical testing

3 试验结果及讨论

2021年6月，兰州空间技术物理研究所对10 cm口径离子推力器进行了鉴定级测试，试验过程为（力学试验前）性能测试、力学试验、（力学试验后）性能测试、热真空试验、（热真空试验后）性能测试、推力特性测试。其中，力学试验和热真空试验均属于环境适应性验证，环境试验前后的性能测试主要是对推力器的性能变化进行验证和分析。推力特性测试包括推力、束流发散角（束流全角要求小于等于30°）、偏角测量（束流偏角要求小于等于1°）和二价离子比例测量，主要对推力器的推力特性、羽流特性进行针对性测试，以获得推力修正参数和实测推力等。

宽范围调节测试结果如图6所示，图中的X和Y分别为工况点和与之对应的性能参数值。图6（a）（b）和（c）分别为25个工况点的比冲、推力和功率计算值，其中20 mN主工况点的推力值为19.92 mN，功率为577.3 W，比冲为3 077 s。在宽范围性能调节试验中，供气量和阳极电流调节为粗调，最终通过精确调节励磁电流来确保束流值在要求的范围内（即束流闭环特性），这是发散场推力器不同于环形会切场推力器的最大特点。

图6 工况点宽范围调节过程离子推力器性能测试结果Fig.6 Performance test rezults of the 10 cm diameter ion thruster during operating conditions point wide range adjustment

从图6（a）看出，由于比冲Is主要由供气量ṁ和推力值F决定，即Is=F/ṁg（g为重力加速度），因而，在推力线性变化的条件下，各工况点供气量的不同造成比冲均不相同。如图6（b）所示，1~25 mN工况点的推力变化呈现出较好的线性特征。虽然各点的阳极电流和励磁电流不相同，但功率变化基本都呈线性，如图6（c）所示。

在离子推力器的推力分辨率测试过程中，针对1、3、5、8 mN工况，在额定的阳极电流和励磁电流下引束流工作5 min后，用1 mA步长上调励磁电流。当束流在额定基础上分别增加1、2、3 mA时（阳极电流、供气等均保持不变），对应的推力值为50μN。依此方法，下调励磁电流，当束流在额定值上减少1、2、3 mA时，即达到推力要求的分辨率。对于10、15、20、25 mN工况，束流在额定基础上分别增加和减少2、4、6 mA时，对应的推力值为100μN，达到推力在10~25 mN范围内的分辨率要求。试验过程中，所有工况点均顺利调节出束流在额定值基础上的步长变化，满足推力分辨率要求。

力学试验结果显示，推力器三个正交方向的基频分别为601、583、736 Hz，均满足星载产品（质量为1~10 kg）基频大于150 Hz的要求。经过1 600g量级的冲击试验后，推力器无变形，栅极无破损、标准件无松动。力学试验前后，进行了3、8、10、20 mN四个工况的各180 min短期考核验证，得到推力器的性能参数比对结果，如表2和表3所列，可以看出，试验前后推力器性能无明显变化。

表2 力学试验前的性能参数Tab.2 Performance parameters before mechanical test

表3 力学试验后的性能参数Tab.3 Performance parameters after mechanical test

由于磁场分布对发散场离子推力器的性能具有重要影响，因此试验前后的磁场性能变化同样是需重点关注的参数之一。10 cm离子推力器发散磁场采用电磁铁，下游和上游磁极所用磁芯均为4J29导磁材料，用励磁线圈绕制而成，区别主要在于线圈匝数不同。环境试验前后，推力器置于测量工装上，在仅对励磁线圈通电后，采用高斯计在距离下游磁极和上游磁极1 mm处（磁极端面垂直方向），测得上述两处位置的磁感应强度分别为6.2×10-3、6.4×10-3T和3.5×10-3、3.2×10-3T，变化均很小，可以认为，环境对推力器磁场的影响可忽略不计。

对10 cm离子推力器进行了共计25.5次循环的热真空试验，温度变化范围为-90~120℃。在25.5次循环首、末两次的高温和低温端分别进行1、5、25、20 mN工况点的启动，验证推力器在高温和低温环境下的启动能力。中间所有循环的高温和低温端只进行20 mN工况的启动，并在启动成功后持续点火4 h，以模拟推力器在轨运行周期内单次点火时长。图7为热真空试验前后不同工况点推力器的性能测试结果。

图7 热真空试验前后不同工况点推力器的性能测试结果Fig.7 Performance test results of the ion thruster at different operating condition point before and after the thermal vacuum test

从图7（a）（b）和（c）所示结果来看，推力器热真空前、后的比冲、推力和功率均无明显变化。热真空试验后部分工况点的功率值略低于热真空试验前，这是由于环境温度的改变对推力器栅极间距的微小影响所致。从试验前后的栅极间距测量结果来看，试验后的屏栅-加速栅间距为0.55~0.57 mm，试验前为0.57~0.59 mm，与Goebel等[13]的研究结论一致，即栅极引出的束流密度与栅间距成反比，栅极间距变小导致引出离子数增多，阳极电流随之减小，因此放电室功率降低。

采用法拉第探针阵列测得的10 cm离子推力器在90%束流条件下的发散角及推力偏角多次测试平均值如表4所列。

表4 不同工况下推力器束流发散角及推力偏角测量结果Tab.4 Divergence angle and thrust deflection angle of the ion thruster at different operating condition point

从测试结果来看，所有工况点的束流发散角（全角）均小于30°，推力偏斜角度（推力矢量与安装面轴线的偏角）不超过1°。

推力器的电参数计算方法基于等离子体中离子类型均为一价Xe离子的预设条件，而推力器束流中实际含有大量二价Xe离子，因此，须对束流测量值进行一价和二价离子比例修正，该值才具有高的可信度。图8为推力器处于稳态工作时的引束流状态。可以看出，在凹面栅的影响下，羽流区束流呈现明显的先聚焦后发散特点，说明发散场推力器在羽流近场区域具有更高的推力密度。图9为推力器在20 mN工况下，采用E×B探针，在1~300 V扫描电压下测得的一价和二价Xe离子的分布特性。图中横坐标是E×B探针加载的扫描电压，用来在探针内部形成静电场，当（一价或二价）带电离子进入探测区后，在电场作用下发生偏转，由于带电量不同离子的偏转距离不同，由此可分辨出不同带电粒子的电流值。由图9可见，一价Xe离子电流波峰为37.26μA，1/2峰宽为23.15 V，二价Xe离子电流波峰为10.05μA，1/2峰宽为13.99 V。采用三角拟合法[14]将不同价态的离子电流以三角形面积，即波峰与1/2峰宽的乘积表示，由此计算得到二价和一价离子比例为16.3%，二价离子占总束流离子比例为14.1%。扣除二价离子占比后，得到20 mN工况下的一价离子束流为0.323 mA。同理，得到1、3、15 mN工况下的二价离子占总束流离子比例分别为6.2%、7.3%和9.7%。

图8 稳态工作下的束流引出Fig.8 Ion beam extraction under steady operation

图9 一价、二价离子比例测试结果Fig.9 Monovalent and divalent ions ratio test results

获得推力器电参数和推力修正系数后，采用电参数测量法进行推力计算，推力修正系数γ表述为：

式中：Kα和Kβ分别为推力的束流发散角和二价离子比例修正系数。

Goebel等[13]给出了相应的计算公式。修正后推力FC的计算公式为：

式中：Ib和Vb分别为推力器束流和屏栅电压。

根据式（1）和式（2），计算得到Kα、Kβ和γ，如表5所列。可以看出，推力修正系数γ的计算工况覆盖了最低工况点1 mN和主工况点20 mN，γ值在0.951~0.954范围内，取平均值0.952 7作为1~20 mN工况的推力修正系数γ值，计算得到γ误差在0.2%左右。

表5 推力修正系数Tab.5 Thrust correction factors

根据测量仪器自身精度及误差，二价离子比例的测量误差为5%，Kβ的误差约为0.5%；束流发散角的测试误差约为5%，Kα的误差约为0.1%；束流Ib和束电压Vb的测量误差均为0.1%，γ的误差在0.2%左右，得到电参数法的推力整体测量误差为0.95%。

采用电参数测量法分别测量工况为1、3、5、8、10、15、20 mN工况点的推力，每个工况下计算推力值三次并取平均值，测试结果如表6所列。可以看出，计算得到的推力值能够真实反映实际推力。

表6 基于电参数法的推力测量结果Tab.6 Thrust measurement results based on electrical parameters methods

4 结论

本文介绍了我国研制的10 cm口径发散磁场离子推力器的地面试验验证情况，给出试验测试结果并进行了误差分析，结果表明：国产10 cm口径离子推力器三个正交方向的基频均满足星载产品的基频要求；经过1 600g量级的冲击试验后，推力器无变形，栅极无破损、标准件无松动；经过力学试验以及25.5个循环的热真空试验后，推力器的推力、比冲和功耗基本无变化，磁场也无明显变化；推力器各工况点的束流发散全角均小于30°，推力偏斜角度不超过1°；基于推力电参数测量方法得到的推力值整体误差为0.95%。地面测试验证结果证明，目前国产发散磁场离子推力器各项性能参数均可满足超低轨道监测卫星的任务需求。