李興達(dá)，張?zhí)炱?，王尚民，馮瑋瑋（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展

李興達(dá)，張?zhí)炱?，王尚民，馮瑋瑋（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

脈沖等離子體電推進(jìn)是一種利用電容器脈沖放電產(chǎn)生電磁場(chǎng)，帶電粒子被電磁場(chǎng)加速而產(chǎn)生推力的電推進(jìn)系統(tǒng)。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入功率小、比沖較高，在微小衛(wèi)星領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。PPT從原理樣機(jī)到飛行產(chǎn)品階段需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，同時(shí)調(diào)研了英國(guó)、美國(guó)、日本以及國(guó)內(nèi)部分高校的PPT電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，從性能實(shí)驗(yàn)、環(huán)境實(shí)驗(yàn)、壽命實(shí)驗(yàn)方面討論了PPT電推進(jìn)系統(tǒng)需要開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中性能實(shí)驗(yàn)包括元沖量測(cè)量、電參數(shù)測(cè)量、燒蝕質(zhì)量測(cè)量、羽流診斷，環(huán)境實(shí)驗(yàn)包括力學(xué)、真空和EMC實(shí)驗(yàn)。

脈沖等離子體；電推進(jìn)系統(tǒng)；性能；環(huán)境；壽命

0 引言

脈沖等離子體電推進(jìn)（PPT）是一種電磁推進(jìn)器，具有比沖高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕等特點(diǎn)，在微納衛(wèi)星領(lǐng)域有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用前景，典型的任務(wù)包括軌道控制、位置保持、阻力補(bǔ)償、精確編隊(duì)飛行以及姿態(tài)控制等。當(dāng)前，美國(guó)[1-3]、英國(guó)[4-6]、德國(guó)[7-8]、日本[9-10]、韓國(guó)[11]等國(guó)已在PPT領(lǐng)域開展了大量的研究工作，研制成功了多種規(guī)格的產(chǎn)品，至今已有Zond-2、LES-6、EO-1、SMS、TIP-2/3等十四款型號(hào)的飛行樣機(jī)。我國(guó)主要是部分高校在從事PPT相關(guān)研究，但基本都沒有到工程樣機(jī)階段，隨著微納衛(wèi)星技術(shù)及其應(yīng)用在我國(guó)的迅速發(fā)展，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的需求日益凸顯，因而急需研制高性能PPT電推進(jìn)系統(tǒng)，并加快PPT工程化應(yīng)用。

從PPT原理樣機(jī)階段到飛行產(chǎn)品階段，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，由于PPT有其自身的特點(diǎn)，而且不同研制階段需要的測(cè)試評(píng)價(jià)方法不盡相同。文章在系統(tǒng)調(diào)研國(guó)內(nèi)外PPT實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了PPT從原理樣機(jī)階段到工程樣機(jī)階段需要開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提出了國(guó)內(nèi)PPT電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該重點(diǎn)開展的工作。

1 脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)

脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)一般由推力器本體、電源和控制單元（PCU）組成。電源與控制單元為推力器提供充電電壓、點(diǎn)火電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)序控制、數(shù)據(jù)遙測(cè)等功能。推力器根據(jù)電極結(jié)構(gòu)、推進(jìn)劑種類等可分為多種類型，以最常見的平板電極、固態(tài)推進(jìn)劑為例，推力器一般由儲(chǔ)能電容、電極、火花塞、推進(jìn)劑供應(yīng)裝置等組成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PPT工作原理圖Fig.1 PPT working principle diagram

工作時(shí)，首先使儲(chǔ)能電容器充電到工作電壓，該電壓同時(shí)作用到與該儲(chǔ)能電容器直接相連的電極上；在放電控制電路的作用下，火花塞點(diǎn)火，產(chǎn)生的微量放電導(dǎo)通極板，使儲(chǔ)能電容器放電；放電形成的沿推進(jìn)劑表面的高溫電弧燒蝕掉推進(jìn)劑棒表面的薄層，并將其電離，形成等離子體；推力器極板間迅速變化的交變電場(chǎng)形成自感應(yīng)磁場(chǎng)，在電磁場(chǎng)的共同作用下，產(chǎn)生對(duì)帶電粒子的洛倫茲力；同時(shí)，放電通道內(nèi)未被電離的氣體工質(zhì)也受到放電產(chǎn)生的氣動(dòng)熱作用；在洛侖茲力和氣動(dòng)熱力的共同作用下，等離子體夾雜其他燒蝕產(chǎn)物一起噴出推力器，產(chǎn)生一個(gè)推力脈沖；儲(chǔ)能電容器放電后，推力器進(jìn)入下一個(gè)脈沖循環(huán)或者停止工作。

2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備

從電推進(jìn)系統(tǒng)工程產(chǎn)品研制的角度，脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)可以分為三類：性能實(shí)驗(yàn)、環(huán)境實(shí)驗(yàn)、壽命實(shí)驗(yàn)，這種分類與一般航天產(chǎn)品研制的實(shí)驗(yàn)流程類似。由于PPT電推進(jìn)系統(tǒng)自身的特殊性，具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有其自身的特點(diǎn)，下面將具體描述。

2.1 性能實(shí)驗(yàn)

性能實(shí)驗(yàn)的目的是為了摸清和確定電推進(jìn)系統(tǒng)在既定工作條件和工作點(diǎn)下的工作性能，是產(chǎn)品研制階段必須要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)，部分關(guān)鍵性能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還在環(huán)境實(shí)驗(yàn)、壽命實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)，作為環(huán)境和壽命實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)產(chǎn)品性能是否正常的手段。電源與控制單元的性能主要是輸入輸出特性，本節(jié)主要介紹推力器性能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.1.1 元沖量測(cè)量

元沖量是PPT的核心指標(biāo)之一，此外推力器的另外兩個(gè)重要參數(shù)比沖和效率也由元沖量計(jì)算得到。元沖量測(cè)量可以真實(shí)、直觀的反映推力器電參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)引起推力器性能的變化，為推力器設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇提供必要的技術(shù)手段，因此元沖量測(cè)量是PPT研制過程中必須要開展的測(cè)試項(xiàng)目之一。

應(yīng)用于微納衛(wèi)星的PPT自重一般在數(shù)kg量級(jí)，產(chǎn)生的元沖量在數(shù)十uN到數(shù)百uN量級(jí)，元沖量小、推重比小、推力測(cè)量難度大。目前國(guó)內(nèi)外使用較多的是扭擺式和單擺式結(jié)構(gòu)，美國(guó)Busek公司[12]、美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室[13]、日本大阪工業(yè)大學(xué)[14]、英國(guó)南安普頓大學(xué)[15]、國(guó)內(nèi)的國(guó)防科技大學(xué)[16]、裝備學(xué)院[17]、華中科技大學(xué)[18]等單位都研制了針對(duì)PPT沖量測(cè)量裝置并開展了相關(guān)測(cè)試。

2.1.2 燒蝕測(cè)量

推力器的比沖和效率都需要單次脈沖燒蝕質(zhì)量計(jì)算得到：

式中：Isp為比沖；Ibit為元沖量；mbit為單脈沖燒蝕質(zhì)量；g為重力加速度；E為能量。

因此，單位脈沖燒蝕質(zhì)量是必須測(cè)量項(xiàng)目。由于單次脈沖消耗質(zhì)量太小，一般通過對(duì)上千次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)前后推進(jìn)劑的重量進(jìn)行稱量以確定推進(jìn)劑的總燒蝕質(zhì)量，總的燒蝕質(zhì)量除以脈沖次數(shù)即為每次脈沖的平均燒蝕質(zhì)量。一般使用精確電子天平進(jìn)行稱重，測(cè)量時(shí)要盡量保證實(shí)驗(yàn)前后推進(jìn)劑吸收水蒸氣的一致性，以保證準(zhǔn)確測(cè)量燒蝕質(zhì)量。

2.1.3 電參數(shù)測(cè)量

PPT電推進(jìn)系統(tǒng)可以直接測(cè)量的參數(shù)不多，除了元沖量和燒蝕質(zhì)量，電參數(shù)是很重要的直接測(cè)量參數(shù)。從系統(tǒng)的角度，電參數(shù)測(cè)量可以分為母線參數(shù)和放電參數(shù)。其中母線參數(shù)包括母線電壓、母線電流、輸入功率、頻率等；放電參數(shù)包括放電電壓、放電電流、點(diǎn)火電壓、點(diǎn)火電流等。

電參數(shù)能夠直觀的反映推力器與PCU的匹配關(guān)系、推力器在不同結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)下的性能差異、不同火花塞與電容等關(guān)鍵部組件下的性能差異、樣機(jī)點(diǎn)火狀態(tài)、不同工況下的樣機(jī)有效工作參數(shù)區(qū)間等。

典型的電參數(shù)測(cè)量示意圖如圖2所示，其中PPT點(diǎn)火電流和放電電流是一種迅速變化的大峰值沖擊電流，無法使用普通電流表對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，通常采用Rogowski線圈等儀器設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，放電電壓和點(diǎn)火電壓使用高壓差分探頭進(jìn)行測(cè)量。典型的PPT放電波形如圖3所示。

圖2 電參數(shù)測(cè)量示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrical parameter measuremeng

圖3 典型放電波形曲線圖Fig.3 Typical discharge waveform

2.1.4 羽流診斷

羽流診斷可以分為羽流成分測(cè)量、電子溫度和電子密度測(cè)量、離子速度測(cè)量、高速相機(jī)拍照等。羽流成分分析一般采用質(zhì)譜分析的方法，電子溫度和電子密度測(cè)量一般采用三探針或發(fā)射光譜診斷，圖4為三探針[19]診斷示意圖。離子速度一般采用飛行時(shí)間測(cè)量方法。圖5為日本μ-LabSat II PPT高速相機(jī)診斷[20]，在微秒級(jí)的放電時(shí)間內(nèi)，連續(xù)進(jìn)行十余次高速拍照，獲取不同時(shí)刻放電照片。通過上述的電子溫度、電子密度、離子速度、羽流成分的診斷研究以及放電過程高速拍照，能夠反推PPT在工作過程中的微觀物理過程和物理化學(xué)基本規(guī)律，加深PPT的放電過程、工質(zhì)燒蝕及電離過程的認(rèn)知。

圖4 北航三探針Fig.4 The northern three probe

圖5 日本μ-LabSat II PPT高速相機(jī)診斷曲線Fig.5 Diagnostic curve of Japanese μ-LabSat II PPT high speed camera

2.2 環(huán)境實(shí)驗(yàn)

脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)的環(huán)境實(shí)驗(yàn)包括力學(xué)實(shí)驗(yàn)、熱真空實(shí)驗(yàn)、電磁兼容實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)都是航天產(chǎn)品工程應(yīng)用必須進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

力學(xué)實(shí)驗(yàn)包括基頻掃描、加速度力學(xué)實(shí)驗(yàn)、正弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)及沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件根據(jù)總體要求確定。力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)前后應(yīng)分別進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)以檢測(cè)產(chǎn)品是否受到力學(xué)實(shí)驗(yàn)影響，性能測(cè)試項(xiàng)目主要包括放電參數(shù)測(cè)量、元沖量測(cè)量等，力學(xué)實(shí)驗(yàn)前后的性能指標(biāo)應(yīng)該不發(fā)生顯著變化。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)品外觀檢查、火花塞阻抗、電容器容值、絕緣電阻等測(cè)試。

2.2.2 真空熱實(shí)驗(yàn)

真空熱實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證產(chǎn)品在高低溫循環(huán)下的性能變化，一般情況下，真空熱實(shí)驗(yàn)的工作溫度范圍為-20°～+65°，溫度變化率≥1℃/min，共4～8個(gè)循環(huán)。真空熱實(shí)驗(yàn)前后也應(yīng)該分別進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，性能測(cè)試項(xiàng)目與力學(xué)實(shí)驗(yàn)一致。根據(jù)美國(guó)EO-1和Dawgstar實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在高溫段，PPT電容充電時(shí)間更長(zhǎng)，相應(yīng)的充電電壓更低，而在低溫段則相反，因此，除了基本性能測(cè)試外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高低溫實(shí)驗(yàn)中充電時(shí)間和充電電壓的變化。

2.2.3 EMC實(shí)驗(yàn)

EMC實(shí)驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)PPT電推進(jìn)系統(tǒng)的電磁發(fā)射特性及發(fā)射敏感性，確保電推進(jìn)系統(tǒng)和整星及其他分系統(tǒng)之間不產(chǎn)生電磁干擾。相對(duì)于航天器通用的EMC測(cè)試，PPT有兩點(diǎn)是比較特殊的，第一，PPT必須在真空環(huán)境下工作；第二，PPT是脈沖式工作，以一定的周期連續(xù)放電，將充電過程、火花塞點(diǎn)火、主放電觸發(fā)、主放電過程的電磁發(fā)射區(qū)分開是很重要的。美國(guó)EO-1和Dawgstar衛(wèi)星搭載的PPT分別都在NASA GRC進(jìn)行了EMC測(cè)試[21]，英國(guó)南安普頓大學(xué)[22]也進(jìn)行了相同的測(cè)試，主要依據(jù)MIL-STD-462和MIL-STD-461C標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了CE01、CE03、CE07傳導(dǎo)發(fā)射和RE01、RE02輻射發(fā)射測(cè)試，以及CS01、CS02、CS06、RS03敏感性測(cè)試。圖6為美國(guó)EO-1搭載PPT電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容實(shí)驗(yàn)的電場(chǎng)發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)飛行驗(yàn)證結(jié)果，PPT并未對(duì)航天器形成電磁干擾。

圖6 美國(guó)EO-1 PPT電場(chǎng)發(fā)射測(cè)試結(jié)果曲線Fig.6 The results of EO-1 PPT electric field emission test

2.3 壽命實(shí)驗(yàn)

脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命是核心指標(biāo)之一，直接關(guān)系到系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的總沖大小。影響整個(gè)系統(tǒng)壽命的主要因素有電容失效、火花塞失效、PPU失效等。在飛行驗(yàn)證之前必須要進(jìn)行地面壽命考核實(shí)驗(yàn)，其主要目的包括：（1）充分驗(yàn)證系統(tǒng)壽命；（2）獲得影響推力器壽命的失效模式及關(guān)鍵部組件；（3）獲得推力器性能隨點(diǎn)火次數(shù)增加的變化關(guān)系。各單位對(duì)PPT的壽命實(shí)驗(yàn)大體相同，又各具特色。

南安普頓大學(xué)分別對(duì)全系統(tǒng)和電容器進(jìn)行了單獨(dú)壽命考核，并且在壽命考核的同時(shí)開展了局部結(jié)構(gòu)改變對(duì)性能的影響實(shí)驗(yàn)[23]。方案如圖7所示，第一階段，采用地面電源系統(tǒng)和推力器完成100萬次考核，在此過程中進(jìn)行了火花塞位置對(duì)性能影響評(píng)估、不同類型推進(jìn)劑供給系統(tǒng)對(duì)性能的影響；第二階段，使用電源與控制單元（PCU）和推力器本體聯(lián)試，完成了80萬次考核，期間進(jìn)行了PCU噪聲特性分析以及PCU擴(kuò)展性壽命考核。對(duì)電容的考核是采用恒流模式對(duì)電容充電，電容兩端連接兩個(gè)間隙可調(diào)的螺釘，當(dāng)電容兩端電壓充電到放電電壓時(shí)發(fā)生放電，在限流電阻作用下，回路迅速完成放電，控制放電頻率持續(xù)循環(huán)，已經(jīng)考核完成150萬次充放電。

圖7 英國(guó)南安普頓大學(xué)PPT壽命實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.7 University of Southampton PPT life test process

日本μ-LabSat II衛(wèi)星搭載的PPT進(jìn)行50萬次壽命考核實(shí)驗(yàn)[24]，在前27萬次考核中，分別以3萬次為間隔對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)比沖、元沖量、燒蝕質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)跟蹤測(cè)試，用于評(píng)估推力器性能隨點(diǎn)火次數(shù)的變化趨勢(shì)。圖8可看出，在27萬次點(diǎn)火過程中，比沖和燒蝕質(zhì)量變化較小，后期元沖量出現(xiàn)了下降。

圖8 日本μ-LabSat II PPT性能隨壽命的變化曲線Fig.8 The variation of μ-LabSat II PPT performance with life in Japan

NASA GRC對(duì)EO-1搭載的PPT系統(tǒng)進(jìn)行了壽命考核[21]，除了基本的壽命考核之外，還同時(shí)進(jìn)行了全壽命過程中燒蝕物沉積對(duì)航天器其他部位的影響評(píng)估。以真實(shí)位置和結(jié)構(gòu)模擬星上狀態(tài)，對(duì)天線、散熱器表面等多種不同表面受PPT沉積的影響進(jìn)行了評(píng)估。經(jīng)過近20萬次的持續(xù)點(diǎn)火后，天線、散熱器等多個(gè)功能單元性能沒有發(fā)生明顯變化，也驗(yàn)證了PPT沉積物對(duì)航天器幾乎沒有影響。

3 結(jié)論

國(guó)外在脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)研制方面已經(jīng)取得了大量成果，尤其是從原理樣機(jī)到飛行產(chǎn)品階段開展了很多實(shí)驗(yàn)工作。針對(duì)國(guó)內(nèi)微小衛(wèi)星應(yīng)用PPT的迫切需求，在PPT工程產(chǎn)品研制實(shí)驗(yàn)過程中建議重點(diǎn)關(guān)注以下工作。

（1）通過放電參數(shù)、羽流診斷、高速攝影等手段深入研究PPT工作的微觀物理過程、放電過程、工質(zhì)燒蝕及電離過程；

（2）通過放電參數(shù)、元沖量測(cè)量，嘗試建立電參數(shù)、元沖量隨推力器電氣參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、點(diǎn)火次數(shù)等的變化關(guān)系，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化等提供依據(jù)；

（3）在全系統(tǒng)壽命實(shí)驗(yàn)中，從測(cè)試全面性考慮，當(dāng)其中一個(gè)關(guān)鍵部組件失效時(shí)，記錄其壽命，更換新的部組件并繼續(xù)開展系統(tǒng)壽命考核實(shí)驗(yàn)。最后分別得到火花塞、電容、PPU等部組件的各自壽命極限，為整機(jī)壽命評(píng)價(jià)和改進(jìn)提升提供依據(jù)。

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TEST TECHNOLOGY DEVELOPMENT OF PULSED PLASMA ELECTRIC PROPULSION SYSTEM

LI Xing-da，ZHANG Tian-pin，WANG Shang-min，F(xiàn)ENG Wei-wei
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Pulsed plasma electric propulsion systemis a kind of electric propulsion system.The electromagnetic field is generated by the discharge of capacitor，charged particles are then accelerated by electromagnetic field to produce thrust.PPT is a promising electric propulsion device for small satellite because of its simple structure，low input power and high specific impulse.Lots of tests need to be carried out from the PPT prototype to the flight products.In this paper，the PPT electric propulsion system tests in UK，USA，Japan and some domestic universities are systematically introduced.The test technology of PPT is discussed from performance test，environmental test and life test respectively.Performance test includes impulse bit measurement，electric parameter measurement，ablation mass measurement and plume diagnostic.environmental test includes mechanical test，thermal vacuum test，EMC test.

pulsed plasma electric propulsion system；performance test；environmental test；life test

V439

A

1006-7086（2017）01-0020-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.004

2016-10-09

李興達(dá)（1988-），男，甘肅張掖人，工程師，從事空間電推進(jìn)測(cè)試與診斷技術(shù)研究。E-mail：tjulxd@126.com。