趙 楊，鄧永鋒，魏建國(guó)，方吉漢，谷振宇，楊煒平，韓先偉，譚 暢，周偉靜

(1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100；2.北京千乘科技有限公司，北京 100190； 3.航天工程大學(xué)，北京 100094)

0 引言

在通信、觀測(cè)、遙感等各種軍事、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)需求的牽引下，許多國(guó)家已經(jīng)注意到小衛(wèi)星具有的重要戰(zhàn)略意義、巨大的潛在市場(chǎng)及廣泛的應(yīng)用前景，紛紛將微小衛(wèi)星列入重點(diǎn)發(fā)展方向。微小衛(wèi)星具有功能密集度高以及成本低、發(fā)射方式靈活、研制周期短、質(zhì)量小、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可以以單星廉價(jià)快速布置到位并完成偵查、通信等任務(wù)，是提升作戰(zhàn)快速響應(yīng)能力的重要選擇。另一方面，軍用衛(wèi)星小型化也是重要的發(fā)展趨勢(shì)，采用化整為零策略，由多顆小衛(wèi)星組網(wǎng)共同實(shí)現(xiàn)大衛(wèi)星的功能將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文著重介紹了一款可應(yīng)用于微小衛(wèi)星平臺(tái)的新型推進(jìn)系統(tǒng)——真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)，功率僅為6 W，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，具有質(zhì)量低、尺寸小、易于實(shí)現(xiàn)模塊化等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。首次采用石墨涂覆工藝在絕緣材料上實(shí)現(xiàn)電流橋路建立及低功耗啟動(dòng)，并利用磁場(chǎng)控制電弧實(shí)現(xiàn)陰極的均勻燒蝕，提升推力器的長(zhǎng)時(shí)間工作可靠性。

本文針對(duì)真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了重點(diǎn)的研究，采用自研的探針對(duì)推力器羽流進(jìn)行診斷，測(cè)試磁場(chǎng)對(duì)電弧的控制效果，同時(shí)采用扭擺式測(cè)量系統(tǒng)對(duì)推力進(jìn)行測(cè)試，獲取推力參數(shù)。最后，對(duì)真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)的在軌工作狀態(tài)及推力測(cè)試情況進(jìn)行了詳細(xì)介紹，重點(diǎn)介紹了在軌微推力標(biāo)定的方法，該方法為海創(chuàng)千乘衛(wèi)星平臺(tái)首次提出，對(duì)后續(xù)衛(wèi)星平臺(tái)微推力標(biāo)定具有重要的研究意義。

1 微小衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)

微推進(jìn)系統(tǒng)是目前電推進(jìn)領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)，其主要特點(diǎn)是推力量級(jí)小，而且變化范圍寬，尺寸小、質(zhì)量輕。目前，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出了一大批新型的微推進(jìn)系統(tǒng)，如場(chǎng)發(fā)射微推進(jìn)系統(tǒng)、真空微電弧推進(jìn)系統(tǒng)、離子微推進(jìn)系統(tǒng)和真空固體微推進(jìn)系統(tǒng)等。

針對(duì)微納衛(wèi)星平臺(tái)的各類小功率電推進(jìn)系統(tǒng)，真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)較為明顯。真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)主要采用真空放電電弧燒蝕陰極材料產(chǎn)生較高電離度等離子體，并利用外加磁場(chǎng)聚焦、加速等離子體以產(chǎn)生推力。真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，無(wú)活動(dòng)部件，質(zhì)量小，推質(zhì)比高，易于實(shí)現(xiàn)集成化和模塊化。

圖1 真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)

圖2 BRICSat-P衛(wèi)星微推進(jìn)系統(tǒng)

2 真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)由推力器、功率處理單元(power processing unit，PPU)等組成，如圖3所示。其中推力器由陰極、陽(yáng)極、電磁線圈等組成，且安裝在真空艙中，如圖4所示；功率處理單元分為高壓脈沖模塊及線圈供電模塊。

圖3 真空微弧推力器系統(tǒng)

圖4 推力器安裝在真空艙內(nèi)

真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)的原理為：功率處理單元的電感儲(chǔ)能模塊觸發(fā)電極放電后，燒蝕陰極材料，產(chǎn)生等離子體團(tuán)，并利用電磁線圈產(chǎn)生外加磁場(chǎng)，磁場(chǎng)以一定角度穿過(guò)放電通道，置于電磁線圈陰極一側(cè)的磁芯用于約束磁感線方向；在電場(chǎng)力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道噴出產(chǎn)生推力。

本系統(tǒng)采用真空電弧無(wú)觸發(fā)式點(diǎn)火技術(shù)，成功將真空電弧起弧電壓降至300 V以內(nèi)，從而簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)，減輕系統(tǒng)質(zhì)量，減小系統(tǒng)體積，并將推進(jìn)系統(tǒng)功耗降低至瓦級(jí)(小于10 W)。另一方面，首次采用石墨涂層工藝技術(shù)，大幅度降低加工成本。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 磁場(chǎng)設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)線圈是推力器中非常重要的組成部分，用于產(chǎn)生所需要的磁場(chǎng)。其主要作用如下：

1)控制陰極燒蝕發(fā)生在陰極與絕緣層交界處，且受-×作用而旋轉(zhuǎn)，使得陰極均勻地被燒蝕；

2)當(dāng)?shù)入x子體在推進(jìn)系統(tǒng)通道外時(shí)，磁場(chǎng)控制推力器等離子體羽流沿磁力線呈向外擴(kuò)散方式。

因此，磁場(chǎng)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，需要對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生方式，磁場(chǎng)大小、方向以及空間分布進(jìn)行研究，從而形成滿足真空微弧推力器穩(wěn)定可靠工作的磁場(chǎng)位形。針對(duì)該關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生方式進(jìn)行了研究，開(kāi)展了電磁線圈與永磁鐵磁場(chǎng)的對(duì)比研究，經(jīng)分析認(rèn)為電磁線圈的均勻性較好，適合推力器使用。圖5所示為磁場(chǎng)的仿真結(jié)果。

圖5 磁場(chǎng)位形

2.2.2 無(wú)觸發(fā)點(diǎn)火技術(shù)

真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)采用無(wú)觸發(fā)式放電方式，陰陽(yáng)極之間的絕緣材料上有一層導(dǎo)電材料，當(dāng)陰陽(yáng)極加載較高的電壓時(shí)，該表面通過(guò)的電流迅速產(chǎn)生大量的焦耳熱，使產(chǎn)生閃絡(luò)電弧的概率大幅度增加，可以有效降低起弧電壓。

無(wú)觸發(fā)式點(diǎn)火的關(guān)鍵在于陰陽(yáng)極之間的電阻要合適，但由于推力器工作過(guò)程中陰陽(yáng)極之間的電阻不斷變化，因此必須動(dòng)態(tài)保證阻值始終處于一定范圍之內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致推力器嚴(yán)重失效。

陰陽(yáng)極之間的絕緣材料選用氧化鋁材料，絕緣性能好，加工工藝成熟度高。隔離陶瓷頭部的導(dǎo)電涂層是推力器首次點(diǎn)火的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于陰陽(yáng)極表面涂覆的半導(dǎo)體材料，設(shè)計(jì)初期擬采用兩種方案：石墨或鎳鈷鉬。

但經(jīng)過(guò)實(shí)際工藝處理后發(fā)現(xiàn)，將沉積有鎳鈷鉬材料的隔離陶瓷置于陰陽(yáng)極之間，測(cè)量出兩極之間的阻值過(guò)大，導(dǎo)致陰陽(yáng)極之間的點(diǎn)火電壓較高。而石墨沉積形成的導(dǎo)電涂層，可將陰陽(yáng)極之間的測(cè)量電阻控制在合適范圍內(nèi)，將點(diǎn)火電壓降至百伏量級(jí)，滿足低功耗設(shè)計(jì)。

目前，本文采用某特殊工藝在絕緣材料頭部涂覆一定厚度的石墨層，保證厚度在10～800 μm之間，可保證電阻在合適范圍，起弧功率可控制在10 W以內(nèi)。

2.2.3 功率處理單元小型化設(shè)計(jì)

功率處理單元為推力器提供能量，由于微小衛(wèi)星的空間非常有限，故功率處理單元的輕質(zhì)化小型化是關(guān)鍵技術(shù)。電源主電路采用電感儲(chǔ)能方式，利用耐壓較高的IGBT半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)作為脈沖控制元件，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感通過(guò)IGBT形成閉合充電回路，電感電流上升，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間，電感存儲(chǔ)的能量通過(guò)負(fù)載釋放，形成電壓脈沖尖峰信號(hào)。在恒流部分，控制電路采用大功率MOSFET實(shí)現(xiàn)大電流脈沖恒流輸出。該工作模式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，且極大程度減小了電源的功耗和尺寸質(zhì)量。

線圈電源主電路采用穩(wěn)壓直流電給線圈充電使線圈電流上升，控制電路采用大功率MOSFET實(shí)現(xiàn)大電流脈沖恒流輸出，通過(guò)運(yùn)算放大器PID閉環(huán)控制將MOSFET作為可調(diào)電阻調(diào)整輸出電流大小。模擬開(kāi)關(guān)選擇高速數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)，峰值電流可達(dá)到100 mA，通過(guò)觸發(fā)器輸出脈沖信號(hào)到模擬開(kāi)關(guān)控制端，控制模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，基準(zhǔn)電壓通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)，輸出脈沖基準(zhǔn)電壓，驅(qū)動(dòng)MOS管輸出恒流信號(hào)。

3 真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

采用研制的真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)展了地面試驗(yàn)研究，獲取推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖6所示，試驗(yàn)系統(tǒng)包括真空艙、真空測(cè)試系統(tǒng)(真空規(guī)、真空計(jì))、抽氣單元、推力器、功率處理單元、高壓探頭、電流探頭和示波器等。微弧推力器安裝在真空艙內(nèi)，通過(guò)真空艙壁法蘭接插件與艙外的功率處理單元連接，推力器的試驗(yàn)真空環(huán)境可達(dá)到10Pa量級(jí)。

圖6 真空微弧推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)，開(kāi)展了以下3個(gè)部分的試驗(yàn)研究：①性能試驗(yàn)；②推力測(cè)試；③磁場(chǎng)對(duì)陰極斑運(yùn)動(dòng)軌跡的作用。

3.1 性能試驗(yàn)

針對(duì)真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)展了性能試驗(yàn)，驗(yàn)證其點(diǎn)火啟動(dòng)及穩(wěn)定工作特性。推進(jìn)系統(tǒng)按時(shí)序啟動(dòng)，正常點(diǎn)火工作，轉(zhuǎn)入穩(wěn)定工作階段。點(diǎn)火圖像如圖7所示，圖像顯示推力器噴口產(chǎn)生藍(lán)色等離子體，羽流以一定的擴(kuò)散角向外擴(kuò)張。

圖7 真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)點(diǎn)火圖像

利用示波器對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的電流電壓參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。推進(jìn)系統(tǒng)采用脈沖工作模式，一個(gè)脈沖寬度約為30～800 μs，弧電流在起弧后逐漸下降至0 A，起弧電壓100～900 V，放電電壓為10～50 V，試驗(yàn)參數(shù)與設(shè)計(jì)值相符，推進(jìn)系統(tǒng)各項(xiàng)工作參數(shù)正常。

圖8 真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)的電流電壓波形

3.2 推力測(cè)試

為獲得真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)推力參數(shù)，考核推力器性能，對(duì)真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了推力測(cè)試。該推力測(cè)試平臺(tái)由扭擺式推力架、電容位移傳感器、電磁阻尼器、數(shù)據(jù)采集單元等組成，測(cè)量范圍為1 μN(yùn)～1 mN，測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試儀器如圖9所示。

圖9 真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)推力測(cè)試臺(tái)架

扭擺式測(cè)量方法是利用樞軸承載動(dòng)架并提供恢復(fù)扭矩，在推力器工作時(shí)，利用位移傳感器測(cè)量動(dòng)架的偏轉(zhuǎn)位移，通過(guò)標(biāo)定的位移量，將偏轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)化為推力器的推力。

由于推進(jìn)系統(tǒng)推力僅為幾十μN(yùn)，該測(cè)量裝置測(cè)量精度需達(dá)0.1 μN(yùn)，對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)的精度要求非常高。

推力測(cè)試主要分為推力性能變化及推力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)兩部分。推力性能變化主要考量推力隨電流及頻率的變化:完成固定頻率、不同電流工況下的推力測(cè)試；隨后完成固定電流、不同頻率工況下的推力測(cè)試。推力穩(wěn)定性測(cè)試則是在某一工況下進(jìn)行3 h長(zhǎng)程推力測(cè)試。

在測(cè)試時(shí)，首先通過(guò)推力臺(tái)架輸入標(biāo)定力，用于對(duì)比推力器推力測(cè)試結(jié)果。隨后啟動(dòng)真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)，測(cè)試一般持續(xù)百秒左右。圖10所示為真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)的推力測(cè)試曲線，結(jié)果表明推進(jìn)系統(tǒng)在設(shè)定的工作參數(shù)下產(chǎn)生了期望的推力，范圍為10～16 μN(yùn)。經(jīng)分析，測(cè)試中推力的變化可能與推進(jìn)系統(tǒng)陰極初始狀態(tài)有關(guān)，隨著推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)工作階段，陰極狀態(tài)趨于均勻，有利于產(chǎn)生恒定的推力。

圖10 真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)推力測(cè)試曲線

采用推力臺(tái)架，開(kāi)展了不同放電電流、頻率等工況下的推力測(cè)試。測(cè)試前，首先設(shè)置推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，隨后啟動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，并穩(wěn)定工作百秒左右。對(duì)不同工況的推力評(píng)估，采用測(cè)試時(shí)間段的平均值。經(jīng)過(guò)測(cè)試，多種工況的推力測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同電流及頻率下的推力

由圖11可以看出，真空微弧推力器的推力隨放電電流的增大而增大，隨頻率的增加而增大。該趨勢(shì)與真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理一致，表明其推力大小受真空電弧放電等離子體總量影響，放電電流越大說(shuō)明燒蝕的等離子體越多，從而可以產(chǎn)生較大的推力。而推進(jìn)系統(tǒng)工作頻率越大，也可在單位時(shí)間產(chǎn)生更多的等離子體，有利于產(chǎn)生較大推力。

推力測(cè)試的第二項(xiàng)內(nèi)容是推力穩(wěn)態(tài)性評(píng)估。保持試驗(yàn)系統(tǒng)不變，進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)長(zhǎng)程穩(wěn)態(tài)工作，同時(shí)進(jìn)行推力測(cè)量。推力器進(jìn)行了3 h的長(zhǎng)時(shí)間推力測(cè)試，推力符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

在推力器測(cè)試過(guò)程中，存在兩個(gè)問(wèn)題：

1)測(cè)試過(guò)程中，連接線纜在加電過(guò)程中存在漂移干擾現(xiàn)象，尤其是3 h長(zhǎng)程推力測(cè)試較明顯；

2)在推力器開(kāi)啟過(guò)程中，位移測(cè)量數(shù)據(jù)有壞點(diǎn)，分析原因是等離子體電磁場(chǎng)對(duì)電容位移傳感器產(chǎn)生影響。

鑒于上述問(wèn)題，對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波平滑處理解決電磁干擾的問(wèn)題，取推力加載后的位移初始平穩(wěn)段評(píng)估推力值和誤差限。

3.3 磁場(chǎng)對(duì)陰極斑運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

在真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)中，磁場(chǎng)作用十分關(guān)鍵，其中最主要的作用是讓真空電弧放電的陰極斑在磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)起來(lái)，不能固定在某一區(qū)域。如果陰極斑長(zhǎng)期停留在某一區(qū)域，就會(huì)造成局部陰極的過(guò)度燒蝕，導(dǎo)致陰極不均勻，進(jìn)而改變陰陽(yáng)極之間的阻值，推力器無(wú)法正常啟動(dòng)。因此，在施加磁場(chǎng)后，則可以讓陰極斑產(chǎn)生周向移動(dòng)，達(dá)到均勻燒蝕的目的。

為驗(yàn)證磁場(chǎng)的作用，自研了一個(gè)離子探針，用于測(cè)試放電等離子體的旋轉(zhuǎn)。4根金屬的細(xì)針作為探針主體，供給-60 V的直流偏壓，用于接收等離子體中的正離子；用4根陶瓷套筒將4根金屬細(xì)針隔離固定；用兩片銅片作為金屬翼，將陶瓷套筒固定隔離，金屬翼的中心對(duì)準(zhǔn)推力器噴口的中心。測(cè)試的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。

圖12 陰極斑旋轉(zhuǎn)測(cè)試系統(tǒng)

4根探針?lè)謩e連接至示波器的4個(gè)通道，即可通過(guò)分析不同通道等離子體離子電流的峰值變化，從而獲得電弧放電的主要發(fā)生區(qū)域，進(jìn)而判斷電弧放電陰極斑是否在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生移動(dòng)。

磁場(chǎng)對(duì)陰極斑旋轉(zhuǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖13所示。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，如果陰極斑集中在某一探針?biāo)诘膮^(qū)域，那么該區(qū)域的探針會(huì)接收到大量正離子，該區(qū)域探針電流會(huì)顯著強(qiáng)于其他探針。

圖13 磁場(chǎng)對(duì)陰極斑旋轉(zhuǎn)的影響

為了研究磁場(chǎng)作用，首先開(kāi)展了無(wú)磁場(chǎng)離子電流測(cè)試研究，結(jié)果如圖13(a)所示。結(jié)果表明，無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，在一個(gè)脈沖的時(shí)間內(nèi)，僅有一個(gè)通道接收到大量的離子且持續(xù)存在，說(shuō)明陰極斑未發(fā)生明顯移動(dòng)。

保持試驗(yàn)系統(tǒng)不變，開(kāi)展了有磁場(chǎng)條件下的電流測(cè)試，結(jié)果如圖13(b)所示。結(jié)果顯示，第3通道和第4通道出現(xiàn)了離子峰的交替上升下降，表明在磁場(chǎng)作用下，電弧放電的陰極斑發(fā)生了移動(dòng)。但在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，并不是每一次都能監(jiān)測(cè)到陰極斑的偏移，經(jīng)分析，陰極斑的偏移運(yùn)動(dòng)不僅受磁場(chǎng)影響，還受陰極表面狀態(tài)的影響，在一個(gè)非常光滑的陰極表面，陰極斑受磁場(chǎng)影響非常明顯，但陰極表面經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的燒蝕后，陰極斑受磁場(chǎng)影響下的偏移旋轉(zhuǎn)明顯減弱，容易長(zhǎng)時(shí)間停留在一個(gè)區(qū)域。

4 真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)在軌測(cè)試

2019年8月27日，真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)工程樣機(jī)(以下簡(jiǎn)稱電推進(jìn)模塊)搭載“海創(chuàng)千乘”號(hào)衛(wèi)星乘捷龍一號(hào)火箭進(jìn)入500 km左右的太陽(yáng)同步軌道?！昂?chuàng)千乘”衛(wèi)星由千乘科技探索有限公司研制，是中國(guó)民營(yíng)創(chuàng)業(yè)公司中自主研制的規(guī)模最大的衛(wèi)星，也是商業(yè)航天領(lǐng)域內(nèi)第一顆可以同時(shí)提供遙感服務(wù)和窄帶通信服務(wù)的業(yè)務(wù)衛(wèi)星。

星箭分離后，電推進(jìn)模塊隨衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，同年10月22日—10月23日開(kāi)展了電推進(jìn)模塊的在軌測(cè)試。測(cè)試包括兩個(gè)方面：一是在軌開(kāi)機(jī)，獲取遙測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證電推模塊對(duì)發(fā)射及在軌環(huán)境適應(yīng)性；二是分析獲取電推模塊推力數(shù)據(jù)，進(jìn)一步考核推進(jìn)系統(tǒng)性能指標(biāo)。試驗(yàn)流程如下：

1)衛(wèi)星進(jìn)入測(cè)控弧段，測(cè)控中心發(fā)送電推模塊加電程控指令；

2)電推模塊加電，測(cè)控中心確認(rèn)電推模塊健康；

3)衛(wèi)星出測(cè)控弧段；

4)衛(wèi)星在下一軌進(jìn)入測(cè)控弧段，測(cè)控中心接收衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)，初步確認(rèn)數(shù)據(jù)有效性；

5)測(cè)控中心發(fā)送電推模塊斷電指令；

6)在軌測(cè)試結(jié)束；

7)地面處理遙測(cè)數(shù)據(jù)，獲取電推模塊性能參數(shù)。

測(cè)推力前衛(wèi)星各載荷斷電，轉(zhuǎn)入對(duì)日巡航模式，進(jìn)入準(zhǔn)備測(cè)試狀態(tài)。第1測(cè)控弧段，衛(wèi)星控制系統(tǒng)設(shè)置為推力標(biāo)定狀態(tài)，電推進(jìn)模塊不上電，主要進(jìn)行環(huán)境干擾力矩測(cè)試。根據(jù)飛行衛(wèi)星角動(dòng)量變化值，計(jì)算獲取平均環(huán)境干擾力矩參數(shù)。第2測(cè)控弧段，開(kāi)展了電推進(jìn)模塊的在軌測(cè)試，遙測(cè)推力器工作參數(shù)。

電推進(jìn)模塊工作過(guò)程中擊穿電壓的遙測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖14，結(jié)果顯示電推進(jìn)模塊加電后，擊穿電壓迅速上升至約200 V左右，表明電推進(jìn)模塊工作正常。此外，根據(jù)飛行一軌衛(wèi)星角動(dòng)量變化值，去除環(huán)境干擾力矩造成的角動(dòng)量變化，得到電推進(jìn)模塊力矩造成的角動(dòng)量變化，進(jìn)而得到電推進(jìn)模塊產(chǎn)生的力矩。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)心坐標(biāo)系下的推力矢量，計(jì)算得到電推進(jìn)模塊在軌平均推力為5 μN(yùn)。在相同工況下，推力的設(shè)計(jì)值為5～6 μN(yùn)，在軌測(cè)試的推力測(cè)量結(jié)果在設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖14 電推進(jìn)模塊在軌工作電源遙測(cè)參數(shù)

5 結(jié)論

以微小衛(wèi)星動(dòng)力需求為牽引，開(kāi)展了真空微弧推進(jìn)技術(shù)研究。結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)分析，開(kāi)展真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)磁場(chǎng)仿真，獲得了合適的磁場(chǎng)位型。基于研制的真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)，建立試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了地面試驗(yàn)研究。搭載“海創(chuàng)千乘”衛(wèi)星，推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了在軌測(cè)試。獲得以下結(jié)論：

1)真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)工作脈沖寬度一般為30～800 μs，起弧電壓100～900 V，放電電壓為10～50 V；

2)在設(shè)計(jì)參數(shù)下，真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)的推力為10～16 μN(yùn)，且其推力與放電電流和工作頻率成正比；

3)陰極斑離子電流分析表明磁場(chǎng)可以控制陰極斑旋轉(zhuǎn)，這對(duì)陰極的均勻燒蝕具有重要作用；

4)推進(jìn)系統(tǒng)在軌測(cè)試工作正常，并獲得了在軌工作參數(shù)和推力，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，進(jìn)一步表明真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理可行。

真空微弧推進(jìn)系統(tǒng)作為一種微小電推進(jìn)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)地面試驗(yàn)和在軌測(cè)試考核，表明已掌握推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具備開(kāi)展工程研制條件。后續(xù)將圍繞應(yīng)用需求，以提高推進(jìn)系統(tǒng)工作性能和可靠性為目標(biāo)，開(kāi)展工程化研制，為規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。