LHT40低功率霍爾推力器放電特性試驗

陳新偉，顧左，高俊，郭寧，王尚民，趙勇，馮杰，史楷，蒲彥旭，李賀

蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000

1 引言

近年來，微小衛星[1]因其應用廣泛、經濟高效受到衛星制造商們的廣泛關注，在未來具有巨大的發展潛力。微小衛星高精度的軌道機動需求，進一步促進新一代高性能、高可靠性微小推進系統的應用。

在多款電推進系統中，霍爾推力器具有結構簡單、推力小、壽命長、集成度高、比沖適中、推功比高[2-4]等諸多優點，實現了廣泛的空間應用，主要執行姿態控制、軌道提升、深空探測等多種軌道任務。截止目前為止，1～5 kW的功率[5-6]范圍內的霍爾推力器已有多款推力器實現在軌型號應用。

近幾年，隨著地軌互聯網星座的蓬勃發展，以OneWeb、SpaceX“星鏈”(Starlink)為代表的商業互聯網對低功率霍爾推力器的應用十分火熱。英國通信公司OneWeb(一網公司)截至2020年3月，其發射衛星數達74顆，均采用了SPT-50M系列的霍爾推力器作為地軌衛星主推進系統。2019年以來SpaceX公司發射的875顆“星鏈”衛星均采用200 W的低功率霍爾推力器。

在低軌衛星星座、微納衛星高速發展的迫切需求下，功率量級為0.5～500 W的低功率霍爾推力器受到各航天大國的關注。俄羅斯、美國等為代表的國家在低功率霍爾推力器領域的研究已經取得了突破，研制了多款低功率霍爾推力器，并開展了大量推力器性能優化、提升的試驗研究工作，例如美國Busek公司研制200 W BHT-200[7-8](推力12.8 mN，比沖1 390 s，效率24.5%)，600 W BHT-600[9](推力39 mN，比沖1 530 s，效率49%)，俄羅斯火炬局研制的220W SPT-50[10](推力14.0 mN，比沖860 s，效率26%)，SPT-70[11](推力40.0 mN，比沖1 500 s，效率46%)等多種型號的低功率霍爾推力器產品已實現了空間在軌應用。此外，國際諸多知名機構紛紛開展低功率電推進系統的研制和性能測試，例如美國加利福尼亞大學的研究團隊成功研制了400 W級MaSMi-40[12-13]小功率霍爾推力器，以色列Advanced Defense Systems公司研制了100～250 W的CAMILA霍爾推力器，法國國家科學研究中心研制了200 W ISCT200-MS[14-15]磁屏蔽霍爾推力器，波蘭等離子體物理和激光微融合研究所(IPPLM)研制了500 W 霍爾推力器[16]。但是國外均采用獨立勵磁供電方式(推力器所需的磁場全部由外部電源對勵磁線圈供電產生)對推力器的放電特性(推力、比沖)開展研究，未對混合勵磁模式推力放電特性開展研究，也未對其宏觀特性(推力、比沖等)和微觀等離子參數開展詳細的研究。

本文主要介紹300 W混合勵磁模式低功率霍爾推力器，并針對不同工況開展推力器放電特性宏觀性能參數(推力、比沖、效率等)和羽流等離子微觀參數研究，建立推力器宏觀參數和微觀參數的聯系，進一步確定推力器指標符合性和放電穩定性，為工程應用提供有效的數據支撐。

2 LHT40霍爾推力器

霍爾推力器通過內外電磁線圈在放電室內形成徑向分布的磁場，與此同時，陽極和陰極之間的電勢降產生軸向電場。陰極是霍爾推力器的電子發射源，其發射的電子一部分進入放電室，在正交的徑向磁場與軸向電場的共同作用下發生霍爾漂移，在漂移過程中與從陽極(工質氣體分配器)出來的中性推進劑原子(通常采用氙)碰撞，使得氙原子電離。由于存在強的徑向磁場，電子被限定在放電通道內沿周向做漂移運動，也稱霍爾漂移。而離子質量很大，其運動軌跡基本不受磁場影響，在軸向電場作用下沿軸向高速噴出從而產生推力。與此同時，陰極發射的另一部分電子與軸向噴出的離子中和，保持了推力器羽流的宏觀電中性。

針對商業衛星星座、低軌道導航通信衛星等軌道提升、位置保持和離軌的任務需求，蘭州空間技術物理研究所開展了專項技術攻關，研制了300 W級低功率霍爾推力器LHT40。LHT40主要由放電室組件、空心陰極組件、磁路組件和安裝組件等組成。LHT40霍爾推力器放電室采用氮化硼-二氧化硅材料組成的環形腔結構，放電口徑外徑為40 mm，其周圍均勻排布著4個勵磁線圈，在放電室的一側布置空心陰極，陰極軸線與推力器軸線成45°。

空心陰極采用發射電流為3 A的空心熱陰極LHC-3[17]，該陰極大幅度繼承LHC-5陰極(發射電流為5 A)的研制經驗，已經在實踐9A衛星電推力器得到飛行驗證，經過地面20 000 h壽命試驗和21 000次開關機試驗。

霍爾推力器磁路組件包括內線圈、外線圈、內極靴、外極靴和導磁底座等，磁路結構組成如圖1所示。

圖1 霍爾推力器磁路結構組成Fig.1 Hall thruster magnetic circuit structure composition

霍爾推力器磁路原理如圖2所示?；魻柾屏ζ骶哂休^為復雜的磁路結構，其磁路基本構型為C型磁路結構。將軟磁材料設計成C型結構，并纏繞上線圈，當線圈通電流時，在兩個磁極之間就會形成磁場。在霍爾推力器放電室中，磁場的方向基本為徑向。當磁路的幾何尺寸確定后，磁場的構型可以通過調節線圈的電流和匝數來實現。典型的加速通道徑向磁場分布特征為，沿著通道軸線方向從底部至出口磁場逐漸變大，并在通道出口處達到最大值。

圖2 霍爾推力器磁路原理Fig.2 Hall thruster magnetic circuit schematic

在LHT40推力器設計過程中引入目前國外常用的霍爾推力器延壽設計技術——磁屏蔽技術[18]。通過推力器磁路組件設計，在推力器放電通道內形成一個“U”型的磁場，磁場越過放電通道陶瓷邊緣且逐漸延伸到陽極附近，磁力線與放電通道不存在相交點。壁面處磁力線向陽極延伸，且保持等勢特點，于是呈現恒定不變的高電勢和低電子溫度的特點。根據廣義歐姆定律：

σE=J+J×β

式中：E、J和β分別為電場強度、電流密度和霍爾參數，σ為電導率。電流密度在垂直于磁力線方向(j⊥)為：

在平行于磁力線方向上：

E‖=j‖/σ

(1)

由式(1)可知E⊥(垂直磁力線的電場強度)比E‖(平行于磁力線的電場強度)大得多。電場的形成與電子的運動有密切關系，根據磁力線絕熱的特性，電子在平行于磁力線方向上的阻抗遠小于垂直于磁力線方向上的阻抗。

從通道中心到壁面沿磁力線進行積分可以得到平行于磁力線的等離子體電勢：

φ‖=φ0+Te0ln (ne0/ne)

式中：ne為電子數密度；φ0、Te0和ne0分別為放電室通道中心的電勢、電子溫度和電子數密度。

壁面附近的磁力線向陽極延伸，由于磁力線絕熱的特性，壁面附近的電子溫度約等于陽極附近較低的電子溫度，此時有φ‖≈φ0。由于造成離子 向陶瓷壁面的加速能量減小，使得放電通道壁面濺射得到有效抑制，從而推力器實現長壽命目的。

LHT40霍爾推力器通道內的磁場位型如圖3所示。由圖3可見，磁場分布在符合霍爾推力器磁場設計準則的基礎上，磁力線在出口處形成U型，磁場與通道陶瓷僅僅存在局部相切，整體磁場位型與國外設計結果具有高度一致性[16]。推力器通道軸向磁場強度見圖4，從中可以看出推力器放電通道內磁場軸向強度最大位于推力器出口位置，大約142 Gs(1 Gs=10-4T)，推力陽極位置約1.5 Gs。

圖3 LHT40仿真磁場位型Fig.3 LHT40 magnetic field simulation

圖4 放電通道的感應強度沿軸向分布曲線Fig.4 Discharge channel magnetic induction distribution curve along the axial

LHT40霍爾推力器的內外磁場勵磁線圈繞組，用于產生霍爾推力器工作所必需的徑向磁場。經過推力器可靠性熱測試摸底試驗，得出勵磁線圈溫度不超過500℃。霍爾推力器內、外電磁線圈進行串聯方式，可以減少一個勵磁電源。勵磁電源的負極串入放電回路的負極(陽極電源負極)，此種接線方式進一步考慮勵磁線圈絕緣的可靠性設計。若勵磁電源與陽極回路正極相連，勵磁線圈耐壓、絕緣要求將進一步提高。若線圈材料選擇不合適、推力器設計沒有達到最優工況，推力器長期工作將導致工作不穩定，嚴重時導致推力器熄弧。由于放電回路電流不足以提供最優的磁場位形，需要一個勵磁電源進一步為勵磁線圈供電，LHT40霍爾推力器配電網絡見圖5。

圖5 LHT40霍爾推力器配電網絡Fig.5 LHT40 Hall thruster electrical network

3 試驗系統及裝置

3.1 真空設備和推力測量設備

LHT40霍爾推力器試驗在蘭州空間技術物理研究所電推進實驗室TS-6S電推進真空試驗系統上開展。TS-6S系統Φ1 500 mm×5 000 mm，空載極限真空度優于10×10-5Pa，當推力器引束流過程氙氣流量為1.0 mg/s時，系統的帶載真空度可保持在(1.0～1.3)×10-3Pa。

LHT40霍爾推力器安裝在推力器安裝平臺上，通過彈性件懸垂于真空室內。彈性件在兩種情況下發生彈性形變(即推力器安裝平臺端發生位移)：一是當推力器沒有工作時通過尼龍細線由不同質量的校準砝碼產生的拉力；二是電推力器工作時產生推力。由于發生的位移很小，可以近似考慮為線位移。試驗前通過已知質量的法碼開展標定工作。由于校準砝碼的質量已知，即產生的拉力大小已知，位移由激光干涉儀測量得到，通過不同質量的校準砝碼，可以得到“力-位移”曲線：

F=kx+b

(2)

式中：F為推力；x為位移；k為彈性系數；b為誤差系數。

已知兩種情況下的位移大小，用式(2)由激光干涉儀經由靶標反射鏡和90°折射鏡測量得到推力，微小推力直接測量法的系統組成如圖6所示。

圖6 LHT40霍爾推力器推力測量裝置Fig.6 Thrust measurement device for LHT40 Hall thruster

3.2 等離子體診斷設備

推力器羽流發散角測量采用81個法拉第探針陣列組成的測試裝置。LHT40霍爾推力器安裝在安裝支架上，法拉第探針陣列安裝在圓盤型金屬支架上，其中推力器噴口軸線與法拉第探針陣列探測面中軸線重合，推力器與羽流診斷裝置相對位置見圖7。通過線性插值法計算出90%總束流值對應推力器中軸線的距離，記為r90%，束流發散角θ計算如下：

圖7 推力器與羽流診斷裝置相對位置示意Fig.7 Schematic diagram of the relative position of the thruster and the plume diagnostic device

(3)

式中：d為霍爾推力器噴口直徑；L為霍爾推力器噴口與法拉第探針陣列探測面的軸向距離。

4 試驗結果及分析

4.1 性能

(4)

式中：γ為由束流發散和多荷離子引起的推力修正系數；M為氙離子質量；e為元電荷；Ib為束電流；Ub為束電壓?；魻柾屏ζ鞯耐屏π拚禂郸脼椋?/p>

式中：α為束流修正系數；I++/I+為束流中雙荷離子電流所占比例。

霍爾推力器陽極效率ηa定義為：

式中：Pd為陽極功率。

比沖Isp的計算公式為：

推功比(F/Ptotal)是衡量系統性能的重要指標，其定義為推力與系統功率的比值：

式中：Ptotal為系統總功率；Pmag為勵磁功率；Pc為陰極自持放電功率。

不同電壓下推力和陽極電流變化曲線見圖8。由圖8可以看出，隨放電電壓由200 V增至280 V，推力隨之增大，由8.8 mN增大到12.8 mN，推力增大約45%，此放電電壓段推力與放電電壓呈現正相關的關系，該關系與式(4)(T～V1/2)一致。隨放電電壓繼續增大(280 V→300 V)，推力由280 V時的12.8 mN下降到12.5 mN，推力在200～300 V存在一個最大值。由式(4)中推力修正系數可以看出，束流中雙荷離子電流增大推力器推力逐漸減小。分析可能主要原因為，280～300 V陽極電壓的推力器放電雙核離子增加的速度大于電壓對推力貢獻的程度。推力器工作過程陽極電流主要來自放電室內電離產生的二次電子和陰極發射的原初電子。

圖8 不同電壓下推力和陽極電流變化曲線Fig.8 Variation curves of thrust and anode current under different voltages

由圖8可以看出陽極電壓在200 V→250 V增大過程中放電電流基本保持在0.78 A，陽極電壓繼續增大，放電電流逐漸增大。當放電電壓增大到280 V，推力器放電電流達到最大為0.835 A。繼續增大陽極電壓，放電電流呈現減小的趨勢。主要原因分析為，放電電壓增大，通道內電場作用增加，誘導磁感應強度增加，對原初電子的約束增加，電子螺旋約束路徑增大，導致到達陽極的電子單位時間減小，最終導致放電電流較小。

圖9所示為不同陽極電壓下推力器比沖和陽極效率變化曲線。由圖9可以看出，隨放電電壓由200 V增至280 V，比沖隨之增大，由944 s增大到1377 s，此放電電壓段比沖與放電電壓呈現正相關的關系。隨放電電壓繼續增大(280 V→300 V)，推力由280 V時的1 377 s下降到1 355 s，推力在200～300 V之間存在一個最大值。陽極效率隨放電電壓的變化趨勢與推力器推力、比沖的變化趨勢一致。

圖9 不同電壓下比沖和陽極效率變化曲線Fig.9 Variation curves of specific impulse and anode efficiency under different voltages

圖10 不同電壓下推功比變化曲線Fig.10 Variation of thrust to power ratio under different voltages

4.2 低頻振蕩特性

霍爾推力器在放電過程中會存在固有的低頻振蕩[19]現象，低頻振蕩的存在會使推力器的性能下降，可靠性降低，嚴重時會導致推力器熄弧，研究推力器低頻振蕩現象對推力器的設計具有重要的指導意義。文獻[19]采用“捕食模型”和“吸效振蕩”對低頻振蕩的機理進行描述，其根本原因都是中性原子周期性的消耗和補充，引起的電離不穩定性。放電電壓、磁感應強度、磁場位形、工質種類和流量、電源系統、陰極等放電參數都對霍爾推力器的低頻振蕩效應有一定的影響，其中離子和原子守恒方程為：

(5)

(6)

式中：ni、no分別為離子和原子數密度；Vi、Vo分別為離子和原子速度；σi為電離截面；Ve為電子速度；L為軸向電離長度；t為時間。其中：

(7)

式中：ni,o，no,o分別為未電離狀態下離子和原子數密度；ε為介電常數。

式(7)與式(5)(6)聯立可以得到：

(8)

由式(8)可以推出放電電流振蕩頻率呈現無阻尼諧波振蕩伴隨振蕩頻率fi如下：

(9)

由式(9)可以看出推力器放電過程放電電流振蕩與電離區長度、放電通道內離子和中性原子的速度有關，振蕩頻率的變化也反映了軸向電離長度的變化，與推力器內部電離機制密切相關。

圖11所示為陽極流率1.0 mg/s、陰極流率0.1 mg/s ，勵磁電流2.4 A工況下陽極電流和陽極電壓隨時間變化曲線。放電電流平均值約1.0 A，電壓和電流均呈現隨時間振蕩特性，對放電電壓和電流波形進行傅里葉變換，得到電壓和電流振幅隨頻率變化的曲線，如圖12所示。由圖12可以看出放電電壓和電流主振蕩頻率在4.05 kHz左右。

圖11 陽極電壓和陽極電流隨時間變化曲線Fig.11 Anode voltage and anode current curves as a function of time

圖12 電壓和電流頻率-振幅Fig.12 Frequency-amplitude diagrams of voltage and current

4.3 羽流特性

羽流等離子是霍爾推力器內部工質電離、加速的外在體現。探究束流等離子體分布特性，一方面有利于獲悉推力器離子能量損失機理、工質利用率等特性，改善和提升推力器性能，另一方面獲悉推力器空間羽流分布，對推力器空間在軌應用和羽流效應防護提供寶貴的地面實驗數據支持，為推力器數值模型提供有效的邊界條件輸入。

LHT40霍爾推力器束流離子電流密度測量時，推力器出口平面距離束流發散角測量裝置探針陣列前端面的距離為700 mm。試驗過程中分別測試了陽極流率0.65～0.95 mg/s(間隔0.1 mg/s)下的離子電流密度，分布云圖如圖13所示。推力器在各工況下工作真空度(氙氣負載)始終優于2.0×10-3Pa。

從圖13可以看出，推力器隨陽極流率從0.65 mg/s增大到0.95 mg/s的過程中，推力器軸線處離子電流密度中心呈現增大趨勢，其中推力器中心束流密度最大值從0.158 mA/cm2增到0.189 mA/cm2，最大離子電流密度增加19.6%。當陽極質量流量增大到0.95 mg/s，推力器中心軸線位置處電流小于相鄰探針的電流值，即電流密度測量結果呈現“雙峰”結構。分析主要原因為：隨質量流率增加，推力器內部電離作用增強，推力器工作模式聚焦型增強，對等離子定向作用增強，束流聚焦性增強。從圖13還可以看出同一陽極質量流率下，推力器軸線處(離子電流中心處)離子電流密度最大，偏離推力器軸線束流密度逐漸減小(沿徑向逐漸減小)，說明推力器束流等離子呈現雙極擴散的性質。

圖13 不同陽極流率下束流密度分布云圖Fig.13 The map of thruster beam density distribution under different anode mass flow rates

電離過程可以用原子和離子沿放電通道軸向的一維穩態連續性方程表示：

(10)

式中：ne(z)為通道軸向電子數密度；βiz(z)為電離速率系數；z為推力器中軸線距離。

根據式(3)獲得LHT40霍爾推力器在陽極電壓為290 V、勵磁電流為2.4 A，陽極流量為0.65～0.95 mg/s條件下的束流發散角，試驗結果見圖14。由圖14可以看出，隨陽極質量流率增加，束流發散角呈現逐漸減小的趨勢。當陽極流率0.65 mg/s時發散角為33.1°，當質量流率增大至0.95 mg/s時發散角為29.2°，減小3.9°(約11.7%)。分析主要的原因為：由于推力器采用混合勵磁模式供電(配電網絡見圖5)，主放電回路與勵磁回路并聯。當陽極質量流率增大，推力器放電通道內部工質電離率增大，離子電流增大，導致放電電流增大，放電電流增大的部分串入勵磁回路，激發勵磁線圈誘導磁場強度增大，進一步導致放電通道引起電磁場強度增大，對離子聚焦性增強，更多的離子匯聚推力器軸線，推力器偏離軸線離子損失減小，束流發散角減小。推力器的工質利用率為：

圖14 不同陽極流率下束流發散角和質量利用效率變化Fig.14 Variation of beam divergence angle and mass utilization efficiency under different anode flow rates

(11)

式中：m為原子質量；Ii為離子電流。

工質利用率是衡量電離效果的重要指標，其中陽極質量流率是工質的來源。工質利用效率代表從陽極注入中性氙原子經放電通道電場和磁場電離加速噴出后轉化成離子的比率，對推力器推力形成具有重要的貢獻，其表達式見式(11)。從圖14可以看出，隨著陽極質量流率增大，工質利用率逐漸增大，最大達到0.89(陽極流率0.95 mg/s時)。分析主要原因為，隨陽極質量流率增大過程中，中性氙原子在放電通道中與原初電子碰撞導致電離率增大，引起放電電流增大。由于推力器采用混合勵磁供電模式，進一步導致放電通道磁場強度增大，對原初電子做霍爾漂移約束增大，電子的停駐時間延長，最終導致電離率增大，質量利用效率不斷提高。

5 結論

通過研究，可得到如下結論：

1)LHT40霍爾推力器在特定工況下可以滿足推力器12 mN、比沖1 200 s的指標要求，滿足型號任務的需求。放電電壓從200 V增至280 V，推力隨放電電壓的增大而增大，由8.8 mN增大到12.8 mN，推力增大約45%。推力增大主要由于電場強度增加，對離子加速增強。陽極電壓繼續增大，推力由280 V時的12.8 mN下降到12.5 mN，推力在200～300 V存在一個最大值。

2)推力器放電電流、放電電壓呈現無阻尼諧波振蕩特性，其一階頻率基本一致，大約4.05 kHz。

3)陽極流率從0.65 mg/s增大到0.95 mg/s過程中，推力器中心軸線束流密度最大值逐漸增大，當陽極流率達到0.95 mg/s，等離子體膨脹呈現典型的雙峰結構，表現雙極擴散的性質。特定混合勵磁模式供電下，陽極流率從0.65 mg/s增大到0.95 mg/s過程中，質量利用效率逐漸增大，與質量流率呈現正相關的特性。