面向空間電推力器的氙氣供給系統(tǒng)發(fā)展綜述及展望

官長斌，沈 巖，魏延明，王兆立，扈延林，惠歡歡，南 柯，韓 亮

(北京控制工程研究所，北京 100094)

0 引 言

隨著人類探索宇宙空間的深度大大拓展，各國競相出臺新的太空政策，人類又掀起了新一輪以深空探測為標志的太空探索熱潮。為了適應(yīng)多元化的空間任務(wù)發(fā)展要求，具有高比沖、連續(xù)可控推力等優(yōu)點的電推進系統(tǒng)應(yīng)運而生，并在軌道轉(zhuǎn)移、位置保持、軌道交會及深空探測等諸多任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

電推進系統(tǒng)的執(zhí)行器稱為電推力器，其原理為將氣體工質(zhì)電離，并通過外部強電場將離子加速噴出而產(chǎn)生推力。電推力器的最理想工質(zhì)為惰性氣體氙氣(Xe)，因為其具有分子量大、電離能低、無毒且易于貯存的優(yōu)點[2]。氙氣供給系統(tǒng)承擔著氙氣工質(zhì)的貯存、壓力調(diào)節(jié)和流量控制等功能，是電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，屬于高精度流體控制領(lǐng)域。氙氣供給系統(tǒng)流量控制精度不但影響電推力器的推力精度，還影響其在軌工作可靠性和壽命。

為了適應(yīng)電推進技術(shù)的發(fā)展需求，各國在氙氣供給技術(shù)方面都開展了大量的研究和工程實踐，但是尚未有全面的綜述性文章對其進行梳理和分析，無法清晰地呈現(xiàn)氙氣供給技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)。本文首先介紹了氙氣供給系統(tǒng)的組成和分類。然后，按照此分類原則對傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)和先進氙氣供給系統(tǒng)進行了梳理，并概括了其關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀。最后，對氙氣供給系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進行了總結(jié)，并對我國氙氣供給技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

1 氙氣供給系統(tǒng)的組成和分類

1.1 系統(tǒng)組成

氙氣供給系統(tǒng)包括如下三部分：一是高壓氣瓶，用于氙氣工質(zhì)的高壓貯存；由于氙氣為超臨界氣體(臨界壓力5.84 MPa，臨界溫度289.85 K)，隨著貯存壓力升高，其密度會急劇增加，高壓可實現(xiàn)高密度貯存。二是壓力控制模塊，其利用減壓元件將氙氣瓶中的高壓氙氣減壓并穩(wěn)定在較低的壓力值(一般0.1 MPa～0.3 MPa之間，壓力控制精度一般在±2%～±5%)。三是流量控制模塊，其通過具有超高流阻的節(jié)流元件實現(xiàn)微小流量的精確控制并供給電推力器的陽極、陰極或中和器(量程一般在0.01 mg/s～10 mg/s，精度一般在±2%以內(nèi))；為了提高流量穩(wěn)定性和精度，節(jié)流元件一般采用熱控裝置，構(gòu)成所謂的“熱節(jié)流元件”。

圖1 氙氣供給系統(tǒng)的組成圖Fig.1 Composition of the xenon feeding system

1.2 系統(tǒng)分類

氙氣供給系統(tǒng)的壓力控制模塊按照所采用的減壓元件不同，可以分為采用減壓閥的機械減壓型、采用串聯(lián)電磁閥的開關(guān)控制型和采用比例閥的比例控制型三種。機械減壓型采用出口壓力負反饋的機械減壓閥作為減壓元件，機械減壓閥的出口壓力可以通過調(diào)節(jié)彈簧預壓縮量來設(shè)定，其減壓功能無需電子控制部件而可自動實現(xiàn)，因此對控制系統(tǒng)要求低，但是其在軌工作過程中下游壓力無法調(diào)節(jié)且響應(yīng)慢，使得氙氣供給系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性差。開關(guān)控制型采用串聯(lián)電磁閥和下游緩沖罐共同實現(xiàn)減壓功能，通過串聯(lián)電磁閥開關(guān)時序控制來釋放少量氣體進入下游緩沖罐，進而實現(xiàn)減壓和穩(wěn)壓功能，開關(guān)控制型又稱為“Bang-Bang控制型”，其魯棒性好、可靠性高，但是壓力控制波形呈現(xiàn)“鋸齒狀”，壓力調(diào)節(jié)精度低。比例控制型采用比例閥作為減壓元件，通過控制比例閥的閥口開度來實現(xiàn)下游壓力的精確連續(xù)控制，壓力調(diào)節(jié)精度高，但比例閥的死區(qū)、蠕變及發(fā)熱等非線性問題給控制帶來了困難。

氙氣供給系統(tǒng)的流量控制模塊根據(jù)節(jié)流元件的不同，可以分為定節(jié)流型和變節(jié)流型兩種。定節(jié)流型采用固定節(jié)流面積的節(jié)流器作為節(jié)流元件，在入口壓力一定情況下，利用熱控裝置控制氙氣的黏度實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)(一般將此種節(jié)流方式稱為“熱節(jié)流”)，定節(jié)流型的流量控制精度高，但其響應(yīng)慢、調(diào)節(jié)范圍小；固定節(jié)流元件按照結(jié)構(gòu)不同，又可以分為固定節(jié)流孔型、毛細管型、多孔金屬燒結(jié)型、串聯(lián)切向孔型、金屬刻蝕型以及迷宮型。變節(jié)流型采用比例閥作為節(jié)流元件，在入口壓力一定情況下，通過調(diào)節(jié)比例閥的開口實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，變節(jié)流型的流量調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)快，但同樣存在前文提到的由于比例閥非線性問題所導致的流量調(diào)節(jié)精度低的缺點。

在設(shè)計理念上，最初的電推進氙氣供給系統(tǒng)沿襲了化學推進劑供給系統(tǒng)的設(shè)計思路，采用金屬管路將各種閥門、傳感器、過濾器及節(jié)流器等連接起來，本文將其稱為“傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)”，目前已發(fā)射的飛行器絕大多數(shù)都采用傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)；后來隨著微小衛(wèi)星平臺對電推進系統(tǒng)的需求以及電推進系統(tǒng)自身性能提升的需求，國外開始研究微型化、模塊化的氙氣供給系統(tǒng)，本文將其稱為“先進氙氣供給系統(tǒng)”。無論傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)還是先進氙氣供給系統(tǒng)均由以上三種壓力控制模塊和兩種流量控制模塊自由組合而成。

2 氙氣供給系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

電推進技術(shù)的發(fā)展，起源于冷戰(zhàn)時期的太空競賽，以美國和俄羅斯最為先進，后來日本和歐盟也相繼開展電推進技術(shù)研究。作為電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，氙氣供給系統(tǒng)也是從以上幾個國家率先開展研究并實現(xiàn)在軌應(yīng)用，我國氙氣供給技術(shù)起步較晚，但是近幾年已經(jīng)取得了長足進步，并已經(jīng)在試驗衛(wèi)星平臺上實現(xiàn)了電推進系統(tǒng)的在軌驗證[3]。

2.1 傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)

目前，傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了諸多深空探測器和衛(wèi)星平臺上。按照第1.1節(jié)中的分類方法，表1列出了國內(nèi)外已發(fā)射空間飛行器所采用的氙氣供給系統(tǒng)類型。

2.1.1機械減壓型氙氣供給系統(tǒng)

1992年，俄羅斯FAKEL中心為GALS衛(wèi)星研制了SPT-100霍爾推力器。其氙氣供給系統(tǒng)的壓力控制模塊采用兩級減壓模式，第一級采用機械減壓閥，第二級采用兩個串聯(lián)電磁閥和容腔組成的電子減壓方式，最終壓力穩(wěn)定在0.24 MPa～0.26 MPa之間，屬于機械減壓型和開關(guān)控制型的復合壓力控制。流量控制模塊通過毛細管型熱節(jié)流器實現(xiàn)陽極和陰極總流量的控制，再通過固定節(jié)流孔實現(xiàn)陽極和陰極13∶1的流量分配，屬于固定節(jié)流型流量控制模塊。

表1 國內(nèi)外已發(fā)射飛行器的氙氣供給系統(tǒng)統(tǒng)計Table 1 Statistics on the xenon feeding system of launched aircrafts at home and abroad

1997年，美國海軍研究實驗室研制完成了美國第一個霍爾電推進系統(tǒng)的飛行演示系統(tǒng)，并通過空間試驗衛(wèi)星(Space Technology Experiments，STEX)于1998年10月3日完成了首飛。此霍爾推力器功率為600 W，推力為38 mN。其氙氣供給系統(tǒng)通過波紋管式機械減壓閥將6.2 MPa氣瓶壓力減壓為0.255 MPa±0.01 MPa；流量控制模塊采用固定節(jié)流孔的熱節(jié)流方式。

1998年，MOOG公司為俄羅斯和美國的合作飛行試驗項目-Module M開發(fā)了單一支路、低成本的氙氣供給系統(tǒng)，其壓力控制模塊采用機械減壓閥(Moog Model 50E859)實現(xiàn)高壓氙氣從19 MPa到0.255 MPa±0.027 MPa的減壓調(diào)節(jié)。流量控制模塊采用Mott公司的燒結(jié)型多孔金屬節(jié)流器實現(xiàn)陽極1.65 mg/s和陰極0.6 mg/s的流量控制。

1999年，日本宇航開發(fā)中心開始研制工程試驗衛(wèi)星8號(Engineering Test Satellite VIII, ETS-VIII)，并于2006年12月18日發(fā)射升空。ETS-VIII衛(wèi)星采用離子電推進系統(tǒng)為其姿態(tài)和軌道控制提供動力，美國VACCO公司和三菱電子公司合作為ETS-VIII衛(wèi)星開發(fā)離子推進系統(tǒng)所需要的氙氣供給系統(tǒng)。其壓力控制模塊包含一個Stanford Mu公司雙級冗余機械減壓閥和兩個力矩馬達自鎖閥，機械減壓閥可以將氣瓶中的高壓氙氣調(diào)節(jié)到0.276 MPa±0.00248 MPa。流量控制模塊所采用的流量控制元件為VACCO公司研制的節(jié)流孔板，其采用刻蝕技術(shù)在單片節(jié)流片上進行復雜流體通道的刻蝕，可以提供精確的流阻和很好的耐污染能力。

空間系統(tǒng)/勞拉公司(Space Systems/Loral)在1990年就開始試圖努力將俄羅斯的SPT-100霍爾電推力器應(yīng)用到西方的通信衛(wèi)星平臺上，并于2004年在LS-1300E衛(wèi)星平臺實現(xiàn)了SPT-100的首次飛行。如圖2所示，該氙氣供給系統(tǒng)的壓力控制模塊屬于典型的機械減壓型[4]，由MOOG公司負責研制，采用兩個并聯(lián)布置的MOOG單級波紋管式機械減壓閥將18.6 MPa的氣瓶壓力調(diào)節(jié)為0.255 MPa±0.01 MPa的下游壓力。流量控制模塊采用俄羅斯成熟的流量控制模式，通過毛細管型熱節(jié)流器實現(xiàn)陽極和陰極總流量的控制，再通過固定節(jié)流孔實現(xiàn)陽極和陰極13∶1的流量分配。

2009年，歐空局的地球重力場和海洋環(huán)流探測衛(wèi)星GOCE發(fā)射升空，采用可變推力的離子推進系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)。荷蘭的Bradford Engineering B.V.公司為GOCE研制了一款比例氙氣供給組件PXFA[5]，為陽極、陰極和中和器供氣。其壓力控制部分包含自鎖閥、高壓傳感器和機械減壓器，屬于機械減壓型壓力控制模式；每個流量控制單元均包括三個支路，其中陽極支路通過比例流量控制閥和質(zhì)量流量傳感器閉環(huán)控制，實現(xiàn)了0.01 mg/s ～0.63 mg/s可調(diào)氙氣流量；陰極和中和器通過固定節(jié)流孔來實現(xiàn)流量控制，其中陰極流量為0.01±0.007 mg/s，中和器流量為0.041±0.006 mg/s，屬于變節(jié)流和固定節(jié)流的混合流量控制模式。

圖2 LS-1300E衛(wèi)星平臺的氙氣供給系統(tǒng)Fig.2 Xenon feeding system of LS-1300E platform

2010年8月14日，世界上首個采用霍爾電推進系統(tǒng)執(zhí)行軌道提升任務(wù)的地球同步軌道GEO衛(wèi)星的首發(fā)星AEHF-1由Atlas-5運載火箭發(fā)射升空。它繼承了A2100平臺構(gòu)架，但不采用電弧推力器而采用Aerojet公司的BPT-4000霍爾推力器。其氙氣供給系統(tǒng)同樣采用圖2所示的MOOG公司的壓力控制模塊。但是其流量控制模塊采用基于MOOG公司比例電磁閥的低功耗、輕質(zhì)的氙氣流量控制器[6](型號為MOOG Model 50E947)，如圖3所示，屬于變節(jié)流型流量控制模塊。

圖3 MOOG公司的比例氙氣流量控制模塊Fig.3 MOOG xenon proportional flow control module

法國自20世紀90年代初開始與俄羅斯合作開展等離子體推進技術(shù)研究，研制成功了PPS-1350霍爾推力器，并應(yīng)用在了AlphaBus平臺上，并于2013年發(fā)射了首發(fā)星Inmarsat-4A F4。泰雷茲-阿爾尼亞宇航公司負責AlphaBus平臺電推進系統(tǒng)研制，其氙氣供給系統(tǒng)的壓力控制模塊包含兩個高壓傳感器、兩個Ampac Ireland公司雙余度機械減壓器、四個力矩馬達自鎖閥和四個低壓傳感器，屬于機械減壓型氙氣供給系統(tǒng)。

2.1.2開關(guān)控制型氙氣供給系統(tǒng)

1996年，日本國家航天發(fā)展局研制的工程試驗衛(wèi)星-6(ETS-VI)完成發(fā)射。其電推進氙氣供給系統(tǒng)的壓力控制模塊采用并聯(lián)雙冗余設(shè)計，每個支路均通過控制自鎖閥向下游容腔充氣，并通過檢測下游容腔中的壓力來決定自鎖閥的開關(guān)時序，以此完成氙氣壓力調(diào)節(jié)功能，屬于單級開關(guān)控制型壓力控制模式。流量控制模塊采用由電熱驅(qū)動的比例節(jié)流元件和毛細管式流量傳感器組成的流量控制器來進行流量調(diào)節(jié)，該流量調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)陽極10 sccm，陰極和中和器5 sccm的氙氣流量，控制精度可達±5%，功耗小于9 W，重量小于1 kg，屬于變節(jié)流型流量控制。

1998年10月24日，深空1號(Deep Space 1, DS1)隨Delta II型火箭發(fā)射升空，其采用30 cm離子發(fā)動機。深空1號中的氙氣供給系統(tǒng)采用典型的開關(guān)控制型壓力控制模塊，也稱為“Bang-Bang控制型”[7]，如圖4所示。其壓力控制模塊采用雙余度設(shè)計，每個支路均通過兩個電磁閥SV1、SV2(或SV3、SV4)的異步開關(guān)動作將少量氣體釋放到下游緩沖罐A1或A2中，最終將A1或A2中氙氣壓力控制在0.275 MPa～0.68 MPa之間。Bang-Bang控制工作原理如圖5所示，當緩沖罐中的壓力P2下降到P2min時，將上游電磁閥打開給中間小容腔充氣，經(jīng)過時間t1后關(guān)閉，然后兩個電磁閥同時處于關(guān)閉狀態(tài)且經(jīng)過時間t2，最后下游電磁閥打開將中間小容腔中的氙氣釋放到下游緩沖罐中，經(jīng)過時間t3后關(guān)閉，完成一個完整的Bang-Bang控制周期。流量控制模塊采用燒結(jié)多孔金屬型熱節(jié)流器TJ1、TJ2和TJ3實現(xiàn)陽極流量0.6～2.4 mg/s、陰極流量0.25～0.37 mg/s及中和器流量0.24～0.36 mg/s。2006年，美國JPL實驗室完成了黎明號(Dawn)探測器的電推進系統(tǒng)研制工作，并在2007年9月發(fā)射升空。黎明號的氙氣供給系統(tǒng)繼承了深空1號的開關(guān)控制型壓力控制模式[9]，不同之處在于黎明號考慮了更多的冗余設(shè)計并采用了容量更大的復合材料氣瓶。

圖4 深空1號的氙氣供給系統(tǒng)Fig.4 Xenon feeding system of DS1

圖5 深空1號的Bang-Bang壓力控制原理圖Fig.5 Bang-Bang control schematic of DS1

2003年5月9日，日本空間探索局開發(fā)的隼鳥號小行星探測器發(fā)射升空，隼鳥號最初稱為MUSES-C(Mu Space Engineering Spacecraft)，MUSE-C飛行器采用24 mN的微波離子發(fā)動機作為動力。MUSE-C的氙氣供給系統(tǒng)采用開關(guān)控制型壓力控制模塊，并采用冗余設(shè)計提高可靠性，其中壓力控制分為兩個冗余支路。流量控制模塊采用Lee公司的串聯(lián)切向孔型節(jié)流器，實現(xiàn)2.35 sccm陽極流量和0.5 sccm中和器流量。

2003年，歐空局ESA開始研制SMART-1飛行器，它是一個借助太陽能電推進器進入月球軌道的環(huán)月人造衛(wèi)星。SMART-1發(fā)射于2003年9月27日，是歐洲第一個飛向月球的太空飛船，采用法國的PPS-1350霍爾推力器作為動力。氙氣供給系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)采用開關(guān)壓力控制單元實現(xiàn)(由西班牙的Snecma Moteurs and Iberespacio公司研制[8]，如圖6所示)，通過Bang-Bang控制算法可以將初始壓力15 MPa的氙氣調(diào)節(jié)在0.2 MPa附近。低壓氙氣通過如圖6所示的氙氣流量控制器給霍爾推力器的陽極和陰極供氣，跟LS-1300E衛(wèi)星平臺一樣，屬于毛細管型定節(jié)流方式。

圖6 SMART-1的壓力控制模塊與流量控制模塊Fig.6 Pressure/flow control module of SMART-1

2005年，阿斯特留姆公司(EADS Astrium)為歐洲之星-3000平臺(Eurostar-3000)研發(fā)氙氣供給系統(tǒng)。Eurostar-3000采用雙組元推進系統(tǒng)和霍爾推進系統(tǒng)作為軌道轉(zhuǎn)移的動力系統(tǒng)，其電推力器為SPT-100霍爾推力器。氙氣供給系統(tǒng)采用一套并聯(lián)冗余的開關(guān)控制型壓力調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)高壓氣瓶到低壓氙氣的壓力調(diào)節(jié)，每個支路含有3個串聯(lián)的電磁閥，在下游設(shè)置緩沖罐，用來穩(wěn)定壓力脈動；最終實現(xiàn)15 MPa高壓氣瓶到緩沖罐0.265 MPa±0.02 MPa的壓力調(diào)節(jié)。其流量控制模塊采用固定節(jié)流孔實現(xiàn)陽極和陰極的流量控制。

2012年10月14日，我國成功發(fā)射了SJ-9A衛(wèi)星，搭載了離子推力器和霍爾推力器，完成了我國電推進系統(tǒng)的飛行演示驗證。其氙氣供給系統(tǒng)是北京控制工程研究所研制的我國首套開關(guān)控制型氙氣供給系統(tǒng)，采用Bang-Bang電磁閥和下游緩沖罐進行壓力控制；流量控制模塊采用帶熱控的迷宮型流量控制器進行流量控制，屬于固定節(jié)流型流量控制模式[10]。2017年4月12日發(fā)射的SJ-13衛(wèi)星，是我國首顆采用電推進系統(tǒng)執(zhí)行軌道控制任務(wù)的衛(wèi)星，也是DFH-3B平臺的全配套首發(fā)星，其氙氣供給系統(tǒng)繼承SJ-9A的技術(shù)狀態(tài)，流量調(diào)節(jié)范圍可達到0.2 mg/s～10 mg/s，調(diào)節(jié)精度5%。

2.1.3比例控制型氙氣供給系統(tǒng)

2003年，MOOG公司為美國空軍戰(zhàn)術(shù)星-2(TacSat-2)研制氙氣供給系統(tǒng)。戰(zhàn)術(shù)星-2于2006年12月16日發(fā)射升空，其采用200 W霍爾推進系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)。MOOG公司在自主研制的比例流量控制閥基礎(chǔ)上，為200 W霍爾推力器研制了一款結(jié)構(gòu)簡單的氙氣供給系統(tǒng)[11]，如圖7所示。其主要優(yōu)點體現(xiàn)在：1)比例流量控制閥既作為壓力調(diào)節(jié)部件，又作為流體隔離部件；2)比例流量閥下游無緩沖罐，實現(xiàn)了輕質(zhì)化。氙氣供給系統(tǒng)通過比例流量控制閥和低壓傳感器構(gòu)成PID閉環(huán)控制實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，陽極和陰極節(jié)流器均采用在金屬膜片上激光打孔形成的固定節(jié)流孔實現(xiàn)流量控制。該系統(tǒng)實現(xiàn)了入口壓力15 MPa～0.7 MPa到出口壓力0.034 MPa±0.00017MPa的壓力調(diào)節(jié)效果，陽極流量控制在0.84 mg/s，陰極流量控制在0.068 mg/s。

圖7 戰(zhàn)術(shù)星-2的氙氣供給系統(tǒng)Fig.7 Xenon feeding system of TacSat-2

2003年，美國JPL實驗室、Aerojet公司以及波音電氣公司聯(lián)合為NASA研制了用于外行星探索任務(wù)的下一代離子推進系統(tǒng)NEXT(NASA’s Evolu-tionary Xenon Thruster)，目標是研制25 kW量級大功率太陽能電推進系統(tǒng)。NASA選擇了Aerojet公司為NEXT設(shè)計下一代氙氣供給系統(tǒng)[12]，一方面要減小氙氣浪費和系統(tǒng)體積，另一方面要實現(xiàn)陽極、陰極和中和器流量的單獨調(diào)節(jié)。NEXT氙氣供給系統(tǒng)包含一個高壓組件和三個低壓組件，如圖8所示。高壓組件通過MOOG比例電磁閥和低壓壓力傳感器實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制，屬于比例控制型壓力控制模塊。低壓組件為一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一方面通過低壓傳感器與比例電磁閥組成壓力控制閉環(huán)進行二次壓力調(diào)節(jié)；另一方面通過溫度傳感器和加熱器組成的溫度控制閉環(huán)對Mott公司的多孔金屬介質(zhì)型節(jié)流器進行溫度控制，最終實現(xiàn)多支路流量獨立主動控制。

圖8 NEXT的氙氣供給系統(tǒng)Fig.8 Xenon feeding system of NEXT

2013年，泰雷茲電子系統(tǒng)公司為Small GEO平臺的首發(fā)星Hispasat AG1研制了一種新型電推進系統(tǒng)，其核心部件為高效多級霍爾推力器HEMPT3050。其氙氣供給系統(tǒng)通過常閉隔離閥實現(xiàn)高壓氙氣隔離，陽極通過電磁比例閥和固定節(jié)流器共同實現(xiàn)流量控制，其中電磁比例閥和陽極電流組成閉環(huán)控制；陰極通過隔離閥和固定節(jié)流器實現(xiàn)流量控制。

2017年前后，為了滿足未來大型通信衛(wèi)星平臺(DFH-5平臺)對電推進系統(tǒng)更強調(diào)節(jié)能力的需求，北京控制工程研究所開始為電推進系統(tǒng)研制比例型氙氣供給系統(tǒng)。為了系統(tǒng)可靠性及冗余設(shè)計考慮，采用一級Bang-Bang減壓和二級比例減壓相結(jié)合的方式，屬于開關(guān)控制和比例控制的混合壓力控制模式；流量控制模塊繼承了SJ-13的串聯(lián)切向孔型流量控制器進行流量控制。目前，該氙氣供給系統(tǒng)已經(jīng)完成技術(shù)攻關(guān)并交付DFH-5平臺的試驗星SJ20,預計2019年年底發(fā)射。

2.2 先進氙氣供給系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1開關(guān)控制型先進氙氣供給系統(tǒng)

2001年，為了適應(yīng)微小衛(wèi)星對電推進系統(tǒng)的需求，VACCO公司借助其在化學刻蝕方面的優(yōu)勢，研制了一種一體化數(shù)字式MEMS氙氣供給系統(tǒng)[13]，具有輕質(zhì)化及寬范圍流量調(diào)節(jié)能力等優(yōu)點。該系統(tǒng)如圖9所示，采用微型電磁閥陣列實現(xiàn)壓力控制和流量控制，其中流體通道采用MEMS加工技術(shù)刻蝕在金屬表面上。壓力控制模塊由兩路并聯(lián)冗余微型電磁閥(每個支路串聯(lián)3個電磁閥)、低壓壓力傳感器組成的Bang-Bang式電子壓力控制系統(tǒng)實現(xiàn)，下游緩沖腔用于吸收壓力脈動。流量控制模塊包含10路由微型電磁閥和微型節(jié)流器組成的數(shù)字流量控制器(8路供給陽極，2路供給陰極)。微型節(jié)流器是一種基于MEMS微流道的固定節(jié)流器，不同的微流道幾何形狀決定了不同的流阻特性；通過特定的微流道設(shè)計，使陽極8路微型MEMS節(jié)流器的流量呈現(xiàn)8位二進制權(quán)系數(shù)比例關(guān)系，這樣就實現(xiàn)了最大255倍的陽極流量調(diào)節(jié)范圍。最終實現(xiàn)陽極流量調(diào)節(jié)范圍為0～25.5 mg/s，精度為±0.1 mg/s；陰極流量調(diào)節(jié)范圍為0～2.55 mg/s，精度為±0.01 mg/s。

圖9 VACCO的數(shù)字式MEMS氙氣供給系統(tǒng)Fig.9 VACCO digital MEMS xenon feeding system

2013年，AST先進空間技術(shù)研究中心為電推進系統(tǒng)開發(fā)了一款微型化氙氣流量控制單元μFCU[14]，其采用微型電磁閥的PWM控制來實現(xiàn)氙氣流量調(diào)節(jié)，流量調(diào)節(jié)范圍為0.01 sccm～100 sccm，重量僅為60 g。該氙氣流量控制單元采用全焊接結(jié)構(gòu)，體積54 mm×46 mm×25 mm。μFCU的系統(tǒng)構(gòu)架如圖10所示，主干路上包含一個入口過濾器和一個隔離閥，然后分成兩個獨立的流量控制支路，兩個支路分別包含一個電磁閥、一個節(jié)流孔和一個出口過濾器，支路上的電磁閥通過脈寬調(diào)制模式PWM實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。經(jīng)過電磁閥的流體進入微細通道和流體容腔共同組成了低通濾波器，來消除流體脈動。

圖10 AST的微型氙氣流量控制單元Fig.10 AST miniaturized flow control unit for xenon

2.2.2比例控制型先進氙氣供給系統(tǒng)

2002年，瑞典埃斯特朗空間技術(shù)中心ASTC為離子推進系統(tǒng)研發(fā)了一款微型化氙氣供給單元[15]，其基于MEMS技術(shù)。如圖11所示，該系統(tǒng)包含兩部分：高壓單元HPU和流量控制單元FCU。HPU由過濾器、高壓傳感器、兩個壓電閥和兩個二級壓力傳感器組成；每個流量控制單元FCU均包含一個過濾器、一個流量傳感器、一個熱節(jié)流器、一個壓力傳感器和一個固定節(jié)流孔。高壓單元HPU通過壓電比例閥與壓力傳感器組成閉環(huán)壓力控制，溫度傳感器和加熱器用來給減壓后氙氣加熱以防止其經(jīng)過比例閥的閥口后膨脹而液化。流量控制單元FCU分為三個流量支路，分別給陽極、陰極和中和器供氣，通過熱節(jié)流的方式實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。整個氙氣供給模塊通過MEMS工藝集成在一起，總重量僅為150 g，體積52 mm×52 mm×42.4 mm，比傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)重量減小了10～20倍。該模塊的入口壓力在4～200 bar之間，流量調(diào)節(jié)范圍在0～40 mg/s，流量調(diào)節(jié)分辨率為40 ug/s，功耗小于8 W。

圖11 ASTC的MEMS氙氣供給單元Fig.11 ASTC MEMS xenon feeding unit

2009年，VACCO公司在美國海軍研究實驗室的資助下開展先進氙氣供給系統(tǒng)研究，旨在為200 W～4.5 kW之間的霍爾推力器提供體積小、重量輕、成本低而可靠性高的氙氣供給系統(tǒng)。VACCO公司提出的先進氙氣供給系統(tǒng)，由壓力控制模塊和流量控制模塊兩部分組成，每個模塊均采用擴散焊工藝將流體控制部件集成在一個模塊上。壓力控制模塊采用并聯(lián)雙支路設(shè)計，每個支路包括一個自鎖閥和一個壓電比例閥[16]，比例閥與流量控制模塊中的壓力傳感器組成閉環(huán)控制實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，屬于比例控制型壓力調(diào)節(jié)，其可以實現(xiàn)入口壓力20 MPa～0.14 MPa到出口壓力0.7 MPa～0.07 MPa的精確調(diào)節(jié)，壓力控制精度±3%，重量為730 g。流量控制模塊包含陽極、陰極和中和器三個支路，均采用雙余度設(shè)計，每個支路都包括一個自鎖閥和一個壓電比例閥實現(xiàn)變節(jié)流流量控制，最終實現(xiàn)陽極流量5.5 mg/s，陰極和中和器流量0.6 mg/s，其穩(wěn)態(tài)功耗小于1 W,重量僅為700 g。

圖12 VACCO的先進氙氣供給模塊Fig.12 VACCO advanced xenon feeding module

3 氙氣供給系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建模與仿真技術(shù)

氙氣供給系統(tǒng)是典型的機-電-磁-熱-流體多場耦合系統(tǒng)，需要借助建模與仿真技術(shù)對其進行優(yōu)化設(shè)計。國外對于氙氣供給技術(shù)的理論研究多集中于節(jié)流部件的建模和仿真。Brunean等[17]對基于磁致伸縮多功能閥的氙氣供給系統(tǒng)進行了理論分析，首先采用連續(xù)性方程和能量方程建立了容腔內(nèi)理想氣體壓力狀態(tài)方程，然后用標準節(jié)流公式建立了經(jīng)過閥口的亞聲速流量和超聲速流量方程。Dyer等[18]對利用刻蝕技術(shù)加工的環(huán)形微細通道型熱節(jié)流器的流量特性進行了研究，建立了流量特性與微細通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)、氙氣的黏度及密度的關(guān)系，并且考慮了溫度對氙氣黏度的影響。Ganapathi等[19]對多孔介質(zhì)型熱節(jié)流器的流量特性進行了建模，并對流量的不確定度進行了分析。Kirtley等[20]利用范德華方程推導出了流入固定容腔中氙氣的流量與該容腔壓力變化之間的關(guān)系，以此關(guān)系式來指導氙氣流量控制器的在線標定。Collard等[21]利用阻塞流理論建立了經(jīng)過高壓氣瓶下游節(jié)流孔的流量方程，方程中考慮了氣體熵和比熱的影響。

國內(nèi)對氙氣供給系統(tǒng)理論研究起步于近幾年。北京控制工程研究所的茍浩亮等[22]對電推進系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)單元進行建模，模型中考慮了壓力對氙氣密度的影響，以此模型為基礎(chǔ)分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)減壓性能的影響。北京控制工程研究所的劉國西等[23]采用AMESim軟件搭建了氙氣供給系統(tǒng)壓力控制模塊的仿真模型，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對壓力控制模型性能的影響。北京控制工程研究所的張兵等[24]對我國DFH-3B試驗衛(wèi)星中采用的多層孔板型流量控制器的流阻特性進行了研究，通過節(jié)流孔質(zhì)量流量方程、縫隙質(zhì)量流量方程和容腔熱力學方程建立了完整的流阻特性方程。北京控制工程研究所的陳濤等[25]對電推進使用的氙氣工質(zhì)特性開展了研究，建立了一種基于對比態(tài)原理的氙氣物理特性計算方法，該方法能夠?qū)Π庀唷⒁合嗪统R界區(qū)域的所有狀態(tài)氙氣物理性質(zhì)進行準確計算。

3.2 流體控制部件技術(shù)

流體控制部件是實現(xiàn)氙氣供給系統(tǒng)的基礎(chǔ)，任何類型的氙氣供給系統(tǒng)均是在其核心流體控制部件基礎(chǔ)上建立起來的。對于壓力控制模塊來說，其核心流體控制部件為減壓元件(如機械減壓閥、Bang-Bang電磁閥或比例壓力控制閥)；對于流量控制模塊來說，其核心流體控制部件是節(jié)流元件(如固定節(jié)流孔、毛細管型節(jié)流器、燒結(jié)型金屬介質(zhì)節(jié)流器、串聯(lián)切向孔型節(jié)流器、迷宮型流量控制器及比例流量控制閥)。

在壓力控制部件研究方面，美國MOOG公司具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，其先后開發(fā)了機械減壓閥、Bang-Bang電磁閥和比例電磁閥，并具有豐富的在軌飛行經(jīng)驗；此外，Stanford Mu公司和Ampac Ireland公司也分別研制過氙氣供給系統(tǒng)所用的機械減壓閥；Marrotta公司專門為比例氙氣供給系統(tǒng)研制過一款磁致伸縮材料驅(qū)動的多功能閥MFV，用于實現(xiàn)高壓隔離和壓力控制；VACCO公司為先進氙氣供給系統(tǒng)開發(fā)了壓電比例閥，用于壓力控制和流量控制，可實現(xiàn)大范圍、高精度的流量調(diào)節(jié)。國內(nèi)，北京控制工程研究所先后為開關(guān)型和比例型氙氣供給系統(tǒng)開發(fā)了Bang-Bang電磁閥和比例電磁閥，并且在壓電比例閥技術(shù)方面具有很好的研究基礎(chǔ)[26]。

在流量控制部件方面，國外有俄羅斯FAKEL公司的毛細管型節(jié)流器、Mott公司的多孔介質(zhì)金屬塞、VACCO公司基于化學刻蝕的節(jié)流片和LEE公司由多層節(jié)流片疊加而成的串聯(lián)切向孔型節(jié)流器。國內(nèi)，北京控制工程研究所研制了不同規(guī)格的迷宮型流量控制器，成功實現(xiàn)了在軌應(yīng)用；西北有色金屬研究院為氙氣供給系統(tǒng)開發(fā)了金屬燒結(jié)型節(jié)流器[27]。

3.3 系統(tǒng)集成技術(shù)

先進氙氣供給系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)管路連接的形式，采用先進制造工藝(如化學刻蝕工藝、激光刻蝕工藝等)加工微小流體通道，然后采用先進集成技術(shù)(如擴散焊技術(shù)、MEMS技術(shù)等)將流體部件與微細通道組合起來，實現(xiàn)微型化的氙氣供給模塊。VACCO公司就是借助其在化學刻蝕技術(shù)和擴散焊工藝技術(shù)方面的優(yōu)勢，率先研制了模塊化的先進氙氣供給系統(tǒng)，并一直在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展及其在流體控制領(lǐng)域的應(yīng)用，出現(xiàn)了MEMS微閥、MEMS微傳感器等MEMS流體部件，基于MEMS的微型化集成技術(shù)開始在先進氙氣供給系統(tǒng)中得到應(yīng)用。此外，近年來低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)被廣泛應(yīng)用在了微流體系統(tǒng)中，它可以方便地將流體控制部件、微電子器件與流體通道燒結(jié)為一個整體，目前已經(jīng)應(yīng)用到了生物反應(yīng)器和熱交換器中[28]；相比于硅基的MEMS集成技術(shù)，LTCC被認為是一種更加高效和低成本的微流體系統(tǒng)集成工藝技術(shù)，使其在微型氙氣供給系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。

4 氙氣供給系統(tǒng)的現(xiàn)狀總結(jié)及發(fā)展趨勢

4.1 現(xiàn)狀總結(jié)

美國及歐盟在氙氣供給技術(shù)方面的研究及應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，正處于從傳統(tǒng)氙氣供給技術(shù)向先進氙氣供給技術(shù)的過渡時期。國外的傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)按照機械減壓型、開關(guān)控制型和比例控制型的三個階段逐步發(fā)展，并且同時存在多種類型氙氣供給系統(tǒng)以適應(yīng)不同需求的空間飛行任務(wù)；以上三種類型的傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)均已成功在軌應(yīng)用，特別是機械減壓型和開關(guān)控制型的飛行經(jīng)驗最為豐富(見表1)，比例控制型氙氣供給系統(tǒng)已經(jīng)越來越多地在試驗衛(wèi)星平臺上開展飛行驗證工作。先進氙氣供給系統(tǒng)目前仍處于技術(shù)驗證階段，特別是VACCO公司已經(jīng)在該技術(shù)方面取得了一定的技術(shù)突破，積累了豐富的地面試驗數(shù)據(jù)。總而言之，機械減壓型和開關(guān)控制型氙氣供給系統(tǒng)將在現(xiàn)階段繼續(xù)承擔大部分的發(fā)射任務(wù)，但隨著比例控制型氙氣供給技術(shù)成熟度不斷提高，它將會在越來越多的飛行器中得到應(yīng)用。而先進氙氣供給系統(tǒng)尚需要一定時間完成技術(shù)驗證才能實現(xiàn)在軌應(yīng)用。

我國氙氣供給系統(tǒng)的研究起步較晚，但是經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，取得了長足的進步。北京控制工程研究所作為國內(nèi)主要的氙氣供給系統(tǒng)及部件研制單位，自2000年左右開始為空間電推進系統(tǒng)研制氙氣供給系統(tǒng)，先后成功研制了Bang-Bang電子減壓型和比例控制型氙氣供給系統(tǒng)，其中Bang-Bang減壓型已經(jīng)實現(xiàn)了在軌應(yīng)用并成為DFH-3B平臺的標配產(chǎn)品，比例減壓型已具備發(fā)射條件，將在DFH-5平臺的首發(fā)星上實現(xiàn)首飛。但是與國外相比，我國氙氣供給技術(shù)尚存在以下不足：1)飛行經(jīng)驗明顯不足，在軌數(shù)據(jù)積累不夠，問題暴露不充分，系統(tǒng)尚存在優(yōu)化設(shè)計空間；2)類型不齊備，尚缺少機械減壓型氙氣供給系統(tǒng)，該類系統(tǒng)可減小電推進控制單元的工作量，仍然具有廣闊的應(yīng)用前景；3)比例控制型氙氣供給技術(shù)成熟度尚需提高，結(jié)構(gòu)亟待優(yōu)化；4)我國在先進氙氣供給系統(tǒng)方面的研究還處于空白狀態(tài)。

4.2 發(fā)展趨勢

1)微型化、輕質(zhì)化

傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)沿襲了化學推進系統(tǒng)的設(shè)計理念，造成了與其微小流量不相匹配的龐大體積和重量，不能完全發(fā)揮電推進系統(tǒng)比沖高的優(yōu)勢，也無法滿足微小衛(wèi)星平臺對電推進系統(tǒng)的需求，因此微型化和輕質(zhì)化一直是氙氣供給系統(tǒng)追求的目標。先進氙氣供給系統(tǒng)正是基于這一出發(fā)點發(fā)展起來的，它借助微型化流體控制部件(如微型電磁閥、微型壓電閥、微型MEMS閥等)和先進的制造工藝(如擴散焊工藝及MEMS工藝)，實現(xiàn)氙氣供給系統(tǒng)的集成化設(shè)計。

2)寬流量范圍、高分辨率

隨著衛(wèi)星平臺向超精、超穩(wěn)、超敏捷方向發(fā)展，要求電推進系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高精度、寬范圍的可變推力，以實現(xiàn)衛(wèi)星平臺的高精度姿態(tài)和軌道控制，這就需要氙氣供給系統(tǒng)具有更寬范圍和更高分辨率的流量調(diào)節(jié)能力。因此，無論是傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)還是先進氙氣供給系統(tǒng)，都在向比例控制方向發(fā)展。比例控制型氙氣供給系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍和精度主要取決于其流體控制部件的性能，如壓電比例閥、磁致伸縮閥等。通過比例閥結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制算法研究提高系統(tǒng)控制精度，是實現(xiàn)氙氣供給系統(tǒng)高精度、寬范圍調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。

5 我國氙氣供給系統(tǒng)的發(fā)展建議

1)建立齊備的傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)序列，滿足不同需求飛行任務(wù)，積累飛行經(jīng)驗

雖然我國電推進氙氣供給系統(tǒng)已經(jīng)完成了開關(guān)控制型和比例控制型氙氣供給系統(tǒng)及部件的成功研制，并實現(xiàn)了在軌飛行，但我國氙氣供給系統(tǒng)種類還不齊備、飛行經(jīng)驗也遠遠不足。隨著我國深空探測任務(wù)和商用衛(wèi)星平臺對電推進系統(tǒng)的需求不斷增加，未來幾年我國氙氣供給系統(tǒng)必然迎來大量的飛行機會。因此，需要抓住千載難逢的機會，發(fā)展齊備的傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)，積累飛行經(jīng)驗，并改進和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，提高技術(shù)成熟度。一方面，開發(fā)微型化機械減壓器，并以此為基礎(chǔ)研制機械減壓型氙氣供給系統(tǒng)，并將其用于流量調(diào)節(jié)范圍不大、控制資源有限的電推進系統(tǒng)；另一方面，在現(xiàn)有比例控制技術(shù)基礎(chǔ)上，繼續(xù)開發(fā)純比例型氙氣供給系統(tǒng)，減小系統(tǒng)重量和復雜度，將其應(yīng)用到高精度連續(xù)可調(diào)推力的電推進系統(tǒng)。構(gòu)建包括機械減壓型、開關(guān)控制型和比例控制型的全序列傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)，以適應(yīng)不同任務(wù)需求的電推進衛(wèi)星平臺。

2)立足基礎(chǔ)元件開發(fā)，結(jié)合先進集成工藝技術(shù)，發(fā)展先進氙氣供給系統(tǒng)

在完備傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)序列和提高其技術(shù)成熟度的同時，還要發(fā)展先進氙氣供給系統(tǒng)，為電推進系統(tǒng)應(yīng)用到微小衛(wèi)星平臺并最大限度發(fā)揮電推進系統(tǒng)的優(yōu)勢做技術(shù)儲備。首先，利用機械-電-磁-熱-流體多場仿真軟件對先進氙氣供給系統(tǒng)及微型化流體控制部件進行仿真分析，確定系統(tǒng)方案并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)，是實現(xiàn)先進氙氣供給系統(tǒng)的前提；其次，通過優(yōu)化設(shè)計、特殊工藝方法及新型材料等手段實現(xiàn)傳統(tǒng)流體控制部件的微型化或開發(fā)新型MEMS流體控制部件，是實現(xiàn)先進氙氣供給系統(tǒng)的基礎(chǔ)；最后，基于先進的制造和集成工藝技術(shù)(如MEMS技術(shù)、LTCC技術(shù))，進行微型流體控制部件與流體流道的結(jié)合，是實現(xiàn)先進氙氣供給系統(tǒng)的關(guān)鍵。

6 結(jié)束語

氙氣供給系統(tǒng)是空間電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)。本文對國內(nèi)外氙氣供給系統(tǒng)進行了分類綜述，概括了其關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對我國氙氣供給系統(tǒng)的發(fā)展進行了展望，具有重要的參考價值。