張?zhí)炱剑瑒分?，賈艷輝

（蘭州物理研究所，甘肅蘭州730000）

0 引言

空心陰極是離子和霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展和電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)踐證明，空心陰極不僅對電推進(jìn)系統(tǒng)的工作效率和可靠性具有重要影響，而且也是電推進(jìn)系統(tǒng)長壽命和高可靠的最主要限制因素[1～5]。最近10多年，美國在千瓦級電推進(jìn)空心陰極技術(shù)方面獲得了突破性進(jìn)展，深空一號離子推力器空心陰極在空間飛行累計(jì)工作達(dá)到16kh以上[6]，其備份推力器陰極地面試驗(yàn)累計(jì)壽命達(dá)到30kh以上[7,8]。

電推進(jìn)空心陰極的研制仍然未能擺脫對試驗(yàn)技術(shù)的強(qiáng)烈依賴[9]，空心陰極產(chǎn)品更是要通過一系列嚴(yán)格的鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，才能被應(yīng)用于空間飛行航天器電推進(jìn)系統(tǒng)。從空心陰極的試驗(yàn)分類、試驗(yàn)設(shè)備及產(chǎn)品試驗(yàn)技術(shù)等三個(gè)方面介紹電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用空心陰極產(chǎn)品的試驗(yàn)技術(shù)。

1 試驗(yàn)分類與試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)分類

電推進(jìn)空心陰極一般都帶觸持極，主要目的是降低陰極部件腐蝕和點(diǎn)火電壓（功率）。模擬電推進(jìn)系統(tǒng)空心陰極工作情況的試驗(yàn)系統(tǒng)基本組成如圖1，試驗(yàn)需要加熱器、觸持極、點(diǎn)火及陽極4個(gè)電源，陽極可以是對實(shí)際推力器上陽極的模擬，也可以是對中和器情況等離子體電位虛擬表面的模擬。

從結(jié)構(gòu)形式上，可以把空心陰極試驗(yàn)分為三種類型：

(1)二極結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)。二極結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)就是陰極只對觸持極放電。這種類型試驗(yàn)不是對電推進(jìn)陰極正常工作情況的模擬，而是對電推進(jìn)旁路工作和點(diǎn)火工作情況的模擬，其中的旁路工作情況包括無束流引出的點(diǎn)火中和器、無陽極放電的點(diǎn)火放電陰極。二極試驗(yàn)類型非常適合陰極點(diǎn)火啟動(dòng)可靠性和點(diǎn)火啟動(dòng)循環(huán)壽命的驗(yàn)證；

(2)三極結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)。三極結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)就是陰極同時(shí)對觸持極和陽極放電。這種類型試驗(yàn)是對電推進(jìn)陰極實(shí)際工作情況的近似模擬。有時(shí)候?yàn)榱搜芯繉?shí)際推力器放電室對陰極工作性能的影響，往往采用模擬推力器放電室磁場、真空度、屏柵、陽極形狀及距離的三極試驗(yàn)方法，這種試驗(yàn)具有很高的仿真能力；

(3)陽極結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)。陽極結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)就是陰極只對陽極放電，觸持極處于浮電位。陽極試驗(yàn)比二極試驗(yàn)更接近陰極實(shí)際工況，因?yàn)殡娡七M(jìn)陰極正常工作時(shí)的陽極電流遠(yuǎn)大于觸持極電流，早期的有些霍爾推力器應(yīng)用甚至采用無觸持極陰極。

從電推進(jìn)空心陰極工程產(chǎn)品研制的角度，可以把空心陰極試驗(yàn)分為研制試驗(yàn)、驗(yàn)收和鑒定試驗(yàn)及壽命驗(yàn)證試驗(yàn)等類別。這種試驗(yàn)分類和其他航天產(chǎn)品研制的試驗(yàn)分類沒有本質(zhì)的差別。需要特別指出，對電推進(jìn)空心陰極的最真實(shí)試驗(yàn)還是推力器配套試驗(yàn)，但由于試驗(yàn)成本費(fèi)用昂貴和對配套試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)的高要求，一般僅限于陰極工程產(chǎn)品的鑒定試驗(yàn)或壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，并且與推力器甚至整個(gè)電推進(jìn)系統(tǒng)的鑒定試驗(yàn)或壽命驗(yàn)證試驗(yàn)同步安排實(shí)施，如深空一號飛行備份推力器的30kh壽命驗(yàn)證試驗(yàn)[7,8]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

相對完整的電推進(jìn)空心陰極試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)的組成包括：真空艙設(shè)備、推進(jìn)劑氣體供應(yīng)系統(tǒng)、陰極電源、陰極組件 (含觸持極)、測量與診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、模擬陽極（放電室）及真實(shí)推力器等。其中的測量與診斷系統(tǒng)包括內(nèi)診斷設(shè)備、外診斷設(shè)備及數(shù)據(jù)獲取與貯存等組成部分。圖2給出了各部分之間的相互關(guān)聯(lián)。

陰極試驗(yàn)真空艙設(shè)備一般為不銹鋼材料結(jié)構(gòu)真空室，采用低溫泵抽氣系統(tǒng)而不用擴(kuò)散泵，以防止油擴(kuò)散對陰極發(fā)射體及表面的污染。真空室尺寸根據(jù)內(nèi)部診斷設(shè)備、模擬推力器、陰極試驗(yàn)流率范圍、真空度要求等具體情況確定。陰極試驗(yàn)對真空度的要求一般在1×10-3～3×10-2Pa范圍，對壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，真空度應(yīng)當(dāng)盡可能高些。

推進(jìn)劑氣體供應(yīng)系統(tǒng)為陰極提供流率范圍、穩(wěn)定度和氣體純度滿足試驗(yàn)要求的氙氣及其他推進(jìn)劑氣體。對鋇鎢陰極，要求的氙氣純度應(yīng)達(dá)到99.999%的研究級或99.9995%的推進(jìn)級。對六硼化鑭陰極純度要求可降低一個(gè)量級。陰極試驗(yàn)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的組成包括氙氣瓶、管路、機(jī)械調(diào)壓閥、開關(guān)閥、壓力傳感器、氣體純化器、流量傳感器及流量控制調(diào)節(jié)器等。氣體純化器的作用是吸收水和氧等對陰極發(fā)射體具有化學(xué)中毒作用的雜質(zhì)，這點(diǎn)對鋇鎢陰極的長壽命試驗(yàn)非常重要。氣體流率調(diào)節(jié)對絕大多數(shù)陰極試驗(yàn)都是必要的，常用的流量調(diào)節(jié)功能元件包括針閥、多孔節(jié)流器及磁致伸縮節(jié)流器等。因?yàn)殛帢O試驗(yàn)的流率非常低（mg/s量級），流量傳感器都是特殊研制的。管路一般為電拋光不銹鋼管，內(nèi)表面粗糙度均方根要達(dá)到38μm，使用前要進(jìn)行10多小時(shí)的烘烤出氣處理，以清除吸附的有害氣體雜質(zhì)。供應(yīng)系統(tǒng)中相對大氣處于負(fù)壓（真空）的下游部分的密封性要很好，防止大氣中的氧和水等分子滲入到管路內(nèi)，必要時(shí)可以把負(fù)壓部分放在輔助真空室中。

陰極電源共4個(gè)，分別為加熱器電源、觸持極電源、點(diǎn)火電源及陽極電源。加熱器、觸持及陽極電源均為穩(wěn)流電源，加熱器電源穩(wěn)流要求是由加熱絲電阻特性決定的，開始加熱時(shí)的低電阻不允許通過大電流，否則會(huì)燒損電阻絲。觸持和陽極電源的穩(wěn)流特性是電推進(jìn)穩(wěn)定工作的必要條件。點(diǎn)火電源在早期采用過高壓直流，現(xiàn)在全采用高壓直流脈沖。試驗(yàn)時(shí)4個(gè)電源與陰極發(fā)射體共地，并直接接于真空艙設(shè)備的地。

陰極試驗(yàn)的測量與診斷系統(tǒng)的組成對不同試驗(yàn)差別較大。安裝在真空艙內(nèi)部的常用診斷設(shè)備包括測量陰極等離子體參數(shù)的朗謬耳探針、測量陰極表面不同位置溫度的溫度傳感器等。安裝在真空艙外部的常用診斷設(shè)備包括測量溫度及分布的光學(xué)高溫計(jì)、熱成像輻射計(jì)等。陰極試驗(yàn)測量的參數(shù)較多，包括加熱器電流和電壓、觸持極電流和電壓、陽極電流和電壓、推進(jìn)劑流率、真空艙壓力、陰極溫度及等離子參數(shù)等。直流電流大小通過電源輸出讀數(shù)測量，直流電壓用多道電壓表測量，交流電流和電壓成分用數(shù)字示波器測量。推進(jìn)劑流率及其穩(wěn)定性測量用流量計(jì)和壓力傳感器，等離子體參數(shù)測量用L探針，陰極溫度測量用熱偶、高溫光學(xué)溫度計(jì)及熱成象輻射計(jì)等。常用的熱偶溫度傳感器包括鉑-鉑銠熱偶和鎢錸（5%）-鎢錸（26%）熱偶等。

控制系統(tǒng)對試驗(yàn)過程進(jìn)行控制和監(jiān)測，實(shí)施試驗(yàn)系統(tǒng)保護(hù)和故障中斷，記錄各種測量參數(shù)。對壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，應(yīng)用控制系統(tǒng)是節(jié)省試驗(yàn)成本的必要選擇。模擬推力器陽極從最簡單的陽極模擬，到比較復(fù)雜的磁場和陽極形狀模擬，一直到實(shí)際的推力器。另外，對進(jìn)行高低溫點(diǎn)火鑒定試驗(yàn)的陰極，還需要配置高低溫環(huán)境條件控制裝置。

2 產(chǎn)品試驗(yàn)技術(shù)

2.1 性能試驗(yàn)

陰極性能試驗(yàn)的目的是為了表征當(dāng)前狀態(tài)陰極在額定工作條件下的工作性能，所以陰極性能試驗(yàn)經(jīng)常在磨損試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)及壽命驗(yàn)證試驗(yàn)中出現(xiàn)，作為確認(rèn)陰極工作性能是否正?；蚬ぷ餍阅茏兓笮〉挠行侄?。性能試驗(yàn)一般采用三極結(jié)構(gòu)類型，有時(shí)候也采用二極結(jié)構(gòu)或陽極結(jié)構(gòu)類型。

以三極結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)為例，進(jìn)行陰極性能試驗(yàn)時(shí)，觸持極電流和陽極電流始終處在額定值點(diǎn)，具體的試驗(yàn)步驟為：(1)首先在額定推進(jìn)劑流率下測量陰極穩(wěn)定工作后的觸持極電壓、陽極電壓；(2)小增量調(diào)高流率，測量新流率下穩(wěn)定工作后的觸持極電壓、陽極電壓；(3)相對額定流率對稱減小調(diào)節(jié)流率，再次測量新流率下穩(wěn)定工作后的觸持極電壓、陽極電壓；(4)繪制流率與觸持極電壓和陽極電壓的試驗(yàn)曲線。

2.2 驗(yàn)收試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)

所有陰極在交付和裝配前應(yīng)進(jìn)行組件級驗(yàn)收試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)次序及試驗(yàn)方法包括：(1)加熱器確信試驗(yàn)。進(jìn)行150次加熱器加熱循環(huán)試驗(yàn)，確認(rèn)加熱器功能和加熱規(guī)程，沒有發(fā)現(xiàn)加熱器電阻特性的可觀測變化為通過試驗(yàn)； (2)在二極結(jié)構(gòu)類型下進(jìn)行工作試驗(yàn)，在額定流率下測量觸持極電壓與電流關(guān)系，并確認(rèn)其重復(fù)性；(3)在三極結(jié)構(gòu)類型下進(jìn)行工作試驗(yàn)，在額定流率下同時(shí)測量觸持極和陽極電壓與電流關(guān)系，并確認(rèn)重復(fù)性； (4)進(jìn)行驗(yàn)收級力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)； (5)重復(fù)進(jìn)行 (2)中的二極結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)，并比較振動(dòng)前后電壓與電流曲線，沒有異常變化為通過。陰極組裝于推力器或推力器裝配于航天器后，還需要進(jìn)行包括振動(dòng)、沖擊、輻射和傳導(dǎo)電磁發(fā)射及敏感性、熱真空等驗(yàn)收試驗(yàn)，這里不再敘述。

空心陰極產(chǎn)品的鑒定試驗(yàn)基于完成并通過驗(yàn)收試驗(yàn)的產(chǎn)品，主要的試驗(yàn)項(xiàng)目包括：鑒定級力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)、高低溫點(diǎn)火試驗(yàn)、點(diǎn)火循環(huán)次數(shù)壽命試驗(yàn)及累計(jì)工作壽命試驗(yàn)等。其中后兩項(xiàng)試驗(yàn)將在2.3中專門介紹。鑒定級力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)包括振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)前后應(yīng)分別進(jìn)行陰極性能試驗(yàn)，通過對比性能試驗(yàn)結(jié)果來判定陰極產(chǎn)品是否通過了鑒定級試驗(yàn)。陰極高低溫點(diǎn)火試驗(yàn)的主要目的是確認(rèn)陰極具有能夠在應(yīng)用環(huán)境最低溫度條件下能夠可靠點(diǎn)火并正常工作的能力，試驗(yàn)采用二極結(jié)構(gòu)類型，點(diǎn)火采用實(shí)際工作點(diǎn)火程序和額定工作條件，陰極溫度以陰極頂板溫度或觸持極溫度為代表。具體的最低溫度條件根據(jù)航天器使命確定，從低軌道的-50°C左右到同步軌道的-90°C左右，對深空探測航天器可能達(dá)到-150°C以下。低溫點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)測量點(diǎn)火電壓、點(diǎn)火時(shí)間和點(diǎn)火后穩(wěn)定工作的電流和電壓參數(shù)，并與室溫或更高溫度點(diǎn)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。陰極高低溫點(diǎn)火試驗(yàn)至少應(yīng)進(jìn)行8次高低溫?zé)嵫h(huán)和低溫端點(diǎn)火啟動(dòng)。

2.3 壽命驗(yàn)證試驗(yàn)

空心陰極壽命驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)是鑒定試驗(yàn)的內(nèi)容，但由于其高成本和長周期等特殊性，這里單獨(dú)介紹。電推進(jìn)空心陰極的壽命包括累計(jì)工作時(shí)間壽命和點(diǎn)火啟動(dòng)次數(shù)壽命兩個(gè)方面，累計(jì)工作時(shí)間壽命驗(yàn)證的最低要求為電推進(jìn)實(shí)際工作累計(jì)壽命的全額（1倍）驗(yàn)證，一般要求為達(dá)到1.5倍。點(diǎn)火次數(shù)驗(yàn)證以相應(yīng)的可靠度為依據(jù)，常用的可靠度分為90%、95%及99%等，點(diǎn)火次數(shù)壽命試驗(yàn)可靠性采用威布爾分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，例如為達(dá)到99%可靠度的6000次點(diǎn)火要求，試驗(yàn)次數(shù)要達(dá)到32000次。壽命驗(yàn)證試驗(yàn)中，陰極暴露大氣后必須進(jìn)行激活程序處理，出現(xiàn)非陰極本身原因引起的試驗(yàn)中斷后，重新開始試驗(yàn)前，可安排進(jìn)行一次陰極性能試驗(yàn)。

累計(jì)工作時(shí)間壽命驗(yàn)證試驗(yàn)采用三極結(jié)構(gòu)類型，陰極工作在額定條件或最大發(fā)射電流工作條件，壽命試驗(yàn)中的陰極性能通過觸持極電壓、陽極電壓、發(fā)射體溫度、點(diǎn)火電壓及點(diǎn)火時(shí)間等監(jiān)測參數(shù)判斷，點(diǎn)火時(shí)間增加、觸持極電壓升高、點(diǎn)火電壓升高及發(fā)射體溫度升高都是陰極性能出現(xiàn)衰退的表現(xiàn)，其原因包括發(fā)射體表面化學(xué)變化、浸漬源材料消耗、加熱器性能衰減、陰極孔和觸持極孔物理變化等。累計(jì)工作壽命驗(yàn)證試驗(yàn)中需要預(yù)先制定終止壽命試驗(yàn)的準(zhǔn)則，主要是點(diǎn)火電壓、點(diǎn)火時(shí)間、陽極電壓、觸持極電壓、發(fā)射體溫度等單個(gè)參數(shù)或幾個(gè)參數(shù)的規(guī)定值范圍。累計(jì)工作時(shí)間壽命驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)束后，往往需要進(jìn)行破壞性檢測，采用的方法和檢測內(nèi)容包括：(1)陰極和發(fā)射體外觀的光學(xué)和電子顯微鏡檢查，以確認(rèn)物理狀態(tài)； (2)用掃描電鏡的二次電子和背散射電子發(fā)射圖象確定陰極表面的微觀形貌特征； (3)用掃描電鏡的能量色散X射線質(zhì)譜儀確定表面沉積物基本元素； (4)用X射線微衍射分析儀確認(rèn)發(fā)射體表面的化合物組成； (5)陰極頂板和陰極孔的金相分析。

點(diǎn)火啟動(dòng)或循環(huán)壽命試驗(yàn)采用二極結(jié)構(gòu)類型，可以采用加速剖面方法、實(shí)際工作剖面方法或者兩種方法的組合，實(shí)際工作剖面方法就是按照陰極實(shí)際應(yīng)用時(shí)的不工作時(shí)間（或旁路時(shí)間）和工作時(shí)間進(jìn)行循環(huán)，而加速剖面方法中對陰極實(shí)際應(yīng)用工作時(shí)間和不工作時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)縮減，以加快試驗(yàn)進(jìn)度。工作時(shí)間縮減以發(fā)射電流達(dá)到額定值、觸持極電壓達(dá)到穩(wěn)定工作電壓的90%以上為前提條件，不工作時(shí)間縮減以陰極點(diǎn)火必須使用點(diǎn)火電源而不是直接用觸持電源即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火為條件。實(shí)際試驗(yàn)中可以采用2種剖面的分段工作或交替工作。循環(huán)點(diǎn)火的程序與一般點(diǎn)火類似，循環(huán)壽命試驗(yàn)中的陰極性能通過觸持極電壓、發(fā)射體溫度、點(diǎn)火電壓、點(diǎn)火時(shí)間等監(jiān)測參數(shù)判斷，終止試驗(yàn)的準(zhǔn)則也需要預(yù)先規(guī)定。

陰極壽命驗(yàn)證試驗(yàn)是一種高成本、長周期的試驗(yàn)，與推力器一起進(jìn)行壽命驗(yàn)證試驗(yàn)的成本更高，例如6.4mm鋇鎢陰極在深空一號飛行備份推力器上的30kh壽命試驗(yàn)就歷時(shí)4年多[7]，對100kh工作壽命和1.2倍試驗(yàn)驗(yàn)證要求，時(shí)間將長達(dá)15年以上[2,10]，將變得非常不現(xiàn)實(shí)，因此需要發(fā)展基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型基礎(chǔ)上的空心陰極工作壽命可靠預(yù)測技術(shù)[11,12]。

3 結(jié)論

(1)空心陰極是電推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和工作壽命關(guān)鍵部件。

(2)空心陰極產(chǎn)品的驗(yàn)收試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)正在逐步走向規(guī)范。

(3)隨著電推進(jìn)功率水平和工作壽命要求的大幅增加，空心陰極試驗(yàn)的高成本和長周期使得進(jìn)行完全的壽命驗(yàn)證試驗(yàn)變得不現(xiàn)實(shí)，發(fā)展基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型基礎(chǔ)之上的壽命預(yù)測可靠方法非常必要。

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