崔鐵民，唐?？?/p>

（蘭州物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

國外離子電推進系統(tǒng)已經成熟，形成目前地球靜止軌道衛(wèi)星位保應用發(fā)展的主流[1～3]，而HS601HP衛(wèi)星平臺和HS702衛(wèi)星平臺就是其中的典型[1,2]。我國的離子電推進系統(tǒng)研究也已基本成熟，并開展了離子電推進系統(tǒng)在地球靜止軌道衛(wèi)星平臺上的應用研究工作[4,5]，即將進入實用階段。在離子電推進系統(tǒng)的設計和應用中，離子電推進系統(tǒng)的壽命是影響其應用的關鍵因素，而制約離子電推進系統(tǒng)壽命的主要因素之一是陰極的工作壽命。因此，研制長壽命陰極就成為必然，與研制長壽命陰極相輔相成的另一個方面是研究使陰極能夠長壽命工作的條件和方法，以延長離子電推進系統(tǒng)的工作壽命，這2個方面構成了離子電推進系統(tǒng)研究工作的主線之一。作者以目前較為成熟的陰極為基礎，以延長陰極工作壽命為主要目標，提出了陰極配電方案和控制策略，為離子電推進系統(tǒng)設計與應用提供參考。

2 離子電推進系統(tǒng)所用陰極的工作特性

在離子電推進系統(tǒng)中，每臺離子推力器中裝有放電室陰極和中和器陰極，2個陰極都為空心陰極，其性能和工作特性基本相同，甚至完全相同，在下面的論述中不再區(qū)分。

2.1 空心陰極的結構

空心陰極的基本結構如圖1所示。陰極整體為一個管狀空腔結構，發(fā)射體只有在較高溫度下才具有很強的發(fā)射能力，工作時先由加熱器將發(fā)射體加熱到一定溫度，再給空腔通入氙氣，并在觸持極與發(fā)射體之間施加一定的電壓，發(fā)射體發(fā)出的電子在電場的作用下與氙氣分子碰撞，使氙氣電離形成等離子體，在外加電場的作用下，電子從陰極頂端小孔噴出。在陰極空腔內，因離子在電場作用下轟擊發(fā)射體而對發(fā)射體具有加熱作用，若停止加熱器加熱，發(fā)射體也能維持在工作溫度范圍，陰極能夠持續(xù)工作。

陰極發(fā)射體是保證陰極性能和壽命的關鍵，離子電推進所用的陰極發(fā)射體材料主要有鋁酸鹽鋇鎢和LaB6兩種，早期多用鋇鎢陰極，近年LaB6陰極應用逐漸增多。

圖1 空心陰極結構示意圖

2.2 陰極早期失效模式及原因分析

陰極早期失效發(fā)生最多的是陰極加熱器故障，因設計或使用不當，啟動或工作時溫度過高，絕緣材料與加熱絲或外殼材料之間發(fā)生反應而引起絕緣電阻下降，最后導致加熱器失效。另一類故障是在陰極加熱時，陰極各部分的溫差過大，熱應力引起結構變形或破壞，導致陰極失效。LaB6陰極的工作溫度比鋇鎢陰極要高幾百度，過熱引起的失效問題更加突出。因此，防止陰極早期失效的主要措施就是防止陰極過熱。

2.3 陰極的點火特性

陰極發(fā)射體在一定的溫度下才具有較強的發(fā)射能力。首先要對發(fā)射體進行加熱，當發(fā)射體達到工作溫度時，提供陰極工作需要的供氣和電氣條件，通過施加點火電壓使其進入放電工作狀態(tài)。文獻[6]給出了一個陰極在整個壽命期間的點火特性，陰極工作初期，發(fā)射體發(fā)射能力強，點火電壓可以很低，一般小于40 V。隨著使用時間的增長，陰極性能逐漸衰減，需要的點火電壓逐漸增高，壽命末期點火電壓高達1 000 V以上。點火電壓與工作時間的關系如圖2所示。

圖2 陰極點火電壓與累計工作時間之間的關系

2.4 影響陰極壽命的主要因素分析

陰極壽命主要取決于在工作溫度下，發(fā)射體材料的蒸發(fā)速率，蒸發(fā)率隨發(fā)射體電流密度的增大而增大，隨發(fā)射體溫度的升高而增大，隨發(fā)射表面積的增大而增大。文獻[7]給出了離子推力器用直徑1.5 cm陰極的壽命計算結果，如圖3所示，為LaB6和幾種不同厚度的鋇鎢發(fā)射體的計算壽命。計算中假定發(fā)射材料全部蒸發(fā)完為壽命中止，因此，圖中的陰極計算壽命是陰極壽命的上限值。實際應用中，當發(fā)射材料蒸發(fā)到一定程度時，推力器性能參數已偏離較大，就認為陰極壽終，取其極限值的1/10作為陰極壽命的估計值可滿足工程要求。

從圖3可以看出，陰極放電電流越小，壽命越長，在發(fā)射體發(fā)射表面積不變的情況下，放電電流小反映的是發(fā)射密度小，發(fā)射密度小就可以使發(fā)射體工作溫度較低。因此，降低發(fā)射體的工作溫度是延長陰極壽命的根本。

陰極工作的一個重要步驟是陰極點火，陰極的點火過程由高壓擊穿開始，在觸持極和發(fā)射體之間產生放電。放電過程由輝光放電開始，很快過渡到弧光放電狀態(tài)，進入持續(xù)放電的工作模式，一旦持續(xù)放電，立即關掉點火高壓。由于輝光放電電壓較高，輝光放電時發(fā)射材料的蒸發(fā)很快，對陰極的壽命影響很大。要減少陰極點火過程中發(fā)射材料的蒸發(fā)，除了要加快放電模式的過渡外，要盡量降低點火電壓，但當點火電壓太低時，又會加長放電模式的過渡時間，反而會縮短陰極的壽命。

由于陰極阻抗本身是不穩(wěn)定的，會隨陰極性能的衰減而增大，在要求發(fā)射電流不變的情況下，發(fā)射體的溫度會升高，發(fā)射材料的蒸發(fā)率提高，將縮短陰極的工作壽命。為延長陰極壽命，必須設法降低陰極阻抗，適當增加陰極的氣體流率可以達到降低陰極阻抗的目的。

3 陰極配電方案

由于各自陰極性能不同，使用時的條件和具體參數不同，實際工程應用中的配電電源也互不相同，但都有相同的配電思想，形成了陰極的基本配電方案。以基本配電方案為基礎，針對影響陰極壽命的主要因素，提出具體的解決方案，達到能使陰極長壽命工作的目的。

3.1 陰極電源的基本配置

陰極基本配電如圖4所示，由3個電源組成。在陰極點火前，先要加熱發(fā)射體，為此設置一個加熱電源為加熱絲供電，在需要加熱時打開電源，加熱到達要求溫度時關斷。另一方面，陰極點火時需要在較高的電壓下才能氣體擊穿而放電，設置一個點火電源，加在觸持極與發(fā)射體之間，要求在氣體沒有擊穿以前能夠輸出較高的電壓，氣體一旦被擊穿，電源立即降低輸出電壓。實際使用的點火電源在氣體擊穿前能夠輸出1 000 V左右的點火電壓，一旦氣體被擊穿，點火電源的輸出電壓降到30 V以下。在陰極的工作環(huán)境中，通常由系統(tǒng)配有陽極電源或提供等效的陽極電源，在陽極電源打開的狀態(tài)下，陰極點火成功以后，即可進入正常工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，陰極的負載通常不夠穩(wěn)定，而負載的變化會影響陰極的工作穩(wěn)定，甚至會發(fā)生熄弧現象。為了減小負載變化對陰極工作狀態(tài)的影響，維持放電的穩(wěn)定，需要設置一個觸持電源加在觸持極和發(fā)射體之間，為陰極提供一個維持放電狀態(tài)的穩(wěn)定電流，消除負載變化引起的熄弧現象，使推力器能夠連續(xù)工作而不間斷。

圖4 陰極電源的基本配置

3.2 陰極電源的改進配置

改進后的配電如圖5所示，共由5個電源組成。在基本配電方案的基礎上，將加熱電源分成2個，一個大功率加熱電源，一個小功率加熱電源，2個電源不同時工作，加熱開始時用小功率電源加熱，工作大約1 min后，改用大功率電源加熱，加熱時間總共約3～5 min。這樣做的目的是在陰極加熱過程中，減小陰極各部分之間的溫差，避免因熱應力過大而造成陰極早期失效。另一方面，將點火電源也分為2個，一個為高壓點火電源，另一個為低壓點火電源。若以圖2特性的陰極為例，在陰極工作的前25 000 h用低壓點火電源點火，以減小點火對陰極的損傷，從而延長壽命。在陰極壽命末期，陰極性能已經衰減很多，低電壓已不能啟動陰極進入放電時，改用高電壓點火電源進行點火。改進后的配電方案可使陰極壽命明顯得到延長。

3.3 陰極電源的優(yōu)化配置

圖5給出的配電方案確有長處，但還可以再行優(yōu)化，形成如圖6所示的優(yōu)化配置，加熱電源被設計成一個輸出功率可調的電源，能夠在比較大的范圍內連續(xù)調整電源的輸出功率。在控制單元的控制下，通過測量加在加熱絲兩端的電壓和電流，得到加熱絲的溫度，進而推知發(fā)射體的溫度，可以根據陰極的冷熱程度和不同的加熱任務隨時調節(jié)加熱功率，把陰極加熱過程始終控制在優(yōu)化狀態(tài)，徹底消除了陰極加熱過程中過熱情況的出現。在陰極正常工作狀態(tài)下，加熱電源應處于非加熱狀態(tài)，可以將加熱電源輸出功率調到很小以至對陰極的加熱影響可以忽略，并以脈沖方式工作，實現對陰極溫度的實時監(jiān)測。點火電源輸出的空載電壓可調，為簡化工程實現，將點火電源輸出分為三檔，使用時可選擇不同的檔位。第一檔為低電壓輸出，在陰極壽命初期使用；第二檔為高電壓輸出，在陰極壽命末期使用；第三檔為大功率輸出檔，輸出電壓與第二檔相同，電源內阻比第二檔小，可以輸出較大功率，實現陰極加熱部分故障時的應急點火。觸持電源一般都設計成恒流工作方式，短期內工作點穩(wěn)定，長期工作，需要根據陰極衰減情況進行調整，因此，把電源設計成為可設定電流值的恒流電源，恒流值在給定范圍內連續(xù)可調。

圖5 陰極電源的改進配置

圖6 陰極電源的優(yōu)化配置

4 陰極控制

以圖6給出的陰極配電方案為基礎，以長壽命工作為目的，提出陰極工作過程中的控制策略，分別從加熱、點火和陰極阻抗調節(jié)三方面作以說明。

4.1 加熱控制

對鋇鎢陰極而言，首次工作之前，需要對發(fā)射體進行激活處理，使發(fā)射體具有強的發(fā)射能力。激活是通過對發(fā)射體進行適當的加熱來完成的。陰極激活加熱過程較長，典型加熱過程分為三段，分別稱為低溫除氣、高溫除氣、高溫激活階段。低溫除氣時，用較小的功率進行加熱，將發(fā)射體的溫度控制在攝氏幾十度量級，靠在空間真空環(huán)境下發(fā)射體表面的自然放氣來完成。而高溫除氣則需要對發(fā)射體溫度控制在幾百度，通過高溫烘烤，釋放出吸附在發(fā)射體內的有害氣體，并使陰極制造過程中的一些輔助材料汽化揮發(fā)。發(fā)射體激活時，要將發(fā)射體溫度控制在1 000℃以上。激活加熱過程在衛(wèi)星上只執(zhí)行一次，在衛(wèi)星入軌以后，離子電推進系統(tǒng)首次工作前，陰極狀態(tài)比較確定，采用程序控制較為合適。每個加熱段都可多次循環(huán)執(zhí)行加熱一定時間、停止一定時間這樣的工作程序。每個加熱段的加熱功率設定、加熱與停止時間、循環(huán)次數不同。在加熱過程中，可不間斷地檢測溫度，防止發(fā)射體過熱。

對陰極正常啟動的加熱過程來說，陰極加熱開始時，整個陰極處于冷態(tài)，開始加熱功率要小一些，隨著溫度的升高，散熱逐漸加大，加熱功率也需要逐漸加大。如果陰極加熱不是從冷態(tài)開始，可以用適當大的功率進行加熱。稱這一段加熱過程為啟動加熱的前段，以測量的陰極溫度為依據，控制加熱功率。電源輸出功率與陰極溫度之間的控制規(guī)律如圖7所示。當溫度升高到接近點火溫度，達到控制方式切換溫度點時，改變溫度控制方式，轉入以發(fā)射體溫度為控制目標，實施加熱回路的閉環(huán)控制，直到點火成功并停止加熱，稱這段加熱過程為啟動加熱后段。后段加熱期間，閉環(huán)控制執(zhí)行PID控制算法，但必須嚴格控制超調量，防止發(fā)射體過熱。

圖7 啟動加熱前段控制函數示意圖

4.2 點火控制

點火過程的控制，本質上是控制點火過程中點火電源輸出的總能量，消耗的能量越少，對陰極引起的濺射也越少，陰極的工作壽命就會越長。為減少點火過程消耗的能量，首先要盡量縮短輝光模式下的放電時間，使其盡量短，第二是降低點火電壓。點火時，以上次點火參數或前段時間點火參數為依據，首先對陰極的點火性能作一個初步判斷，在設定的三檔中選定一個合適的檔位。與檔位配合的是點火時發(fā)射體的最佳溫度。在對陰極實施加熱時，實時檢測發(fā)射體的溫度，當溫度達到最佳點火溫度時，啟動點火電源發(fā)出一個點火脈沖。若該脈沖點火未成功，可延遲一小段時間（幾秒到幾十秒）后再行點火，三次點火不成功判為點火失敗。最佳溫度的工程定義為以選定的點火電源檔位輸出一個點火脈沖，以一次點火90%的概率成功點火時的發(fā)射體溫度。

4.3 觸持電流控制

觸持電流的作用是穩(wěn)定放電，消除意外熄弧，電流值的大小可以調節(jié)。調大觸持電流，對放電穩(wěn)定有利，但對陰極壽命不利，因此，觸持電流的選定是在放電穩(wěn)定與延長壽命之間權衡的結果。如果負載穩(wěn)定，可以關斷觸持電源以延長壽命；如果負載不夠穩(wěn)定，可適當增加觸持電流。另一方面，可通過調節(jié)觸持電流微調發(fā)射體的溫度，使發(fā)射體工作在最佳溫度上。

4.4 供氣控制

陰極的供氣控制與觸持電源的控制一起實現對陰極性能衰減的補償，是一個長周期的緩慢調整過程，正常情況下，陰極累計工作上千小時可能才需要調整一次，在配電與控制上提供調整氣體流率和觸持恒流值的功能，其設定值由衛(wèi)星運行管理系統(tǒng)提供。

5 結論

作者提出的配電與控制方式，在陰極的地面試驗中得到了采用，取得了較好的效果，既減少了陰極早期失效的幾率，又延長了陰極的工作壽命，但要在工程上實用，還需要針對具體的陰極做細致的工作，確定具體的工作和控制參數，使陰極工作在最佳狀態(tài)，與陰極一起進行壽命試驗和評價。

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