離子推力器柵極放電分析和保護設計

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

1 引言

電推進作為一種先進的推進技術，已成為衡量航天器先進性的標志之一。目前國際上主要應用離子推力器和霍爾推力器。離子推力器由于具有高比沖、高效率的特點，廣泛應用于深空探測及通信衛星南北位置保持和軌道轉移任務，以提高衛星壽命，降低發射質量，或增大航天器有效載荷。

由于霍爾推力器結構簡單，沒有復雜的柵網組件，因此從產品結構特性決定了不會發生放電現象。離子推力器的結構復雜，屏柵和加速柵間距小，兩柵間電壓普遍高達1000 V 以上，若柵極間存在尖端或污染物，容易在柵極之間發生放電現象。放電會引起推力器工作時發生束流閃爍，導致推力突然變小。放電不僅對電推進系統正常工作造成影響，對電推進系統電源處理單元（Power Processing Unit，PPU）的保護能力也是一種考驗，關系到整個電推進系統可靠、安全工作。本文研究了離子推力器發生放電的主要原因，并給出了針對電推進系統在軌飛行發生放電的保護措施和方法。

2 離子推力器基本結構及工作原理

離子推力器是靜電式電推進的一種，主要利用電離勢較低的推進劑（如氙氣），經電離后在靜電場中加速產生推力，以滿足航天器推進任務的需要。圖1為離子推力器的結構示意圖，主要由推力器外殼、放電室、放電室陰極、中和器陰極、陽極、離子光學引出系統（即由屏柵和加速柵組成的柵極組件）等基本部分構成。

圖1 離子推力器組成結構示意圖Fig.1 Ion thruster block diagram

離子電推進系統的工作原理如圖2所示，推進劑氙氣（Xe）中性原子進入放電室陰極、放電室和中和器陰極，放電室陰極和中和器陰極加熱后開始熱電子發射，其中的Xe原子因受到空心陰極發射電子的轟擊而電離，當Xe原子和空心陰極發射的電子達到一定濃度后，再施加一定電壓后，陰極開始放電。當接通陽極電源后，空心陰極發射的電子在陽極電場作用下被吸引進入放電室，電子在移動過程中轟擊放電室內的Xe原子使其電離，在放電室中形成等離子體。在磁場和電場的共同作用下，由空心陰極發射的原初電子和工質氣體電離產生的二次電子，以磁力線為導軸作螺旋式運動，由此增加了電子的運動路程，提高了推進劑工質的電離率，從而在放電室內形成氣體放電低溫等離子體。在放電室內被電離的Xe＋離子在屏柵極和加速柵極組成的離子光學組件的作用下，被聚焦、加速，形成等離子束流噴出，從而產生推力。中和器發射的電子與引出的離子束流中和，形成準中性等離子體束流排出。

圖2 離子推力器原理示意圖Fig.2 Ion thruster principium diagram

3 離子推力器放電原因分析

為了有效地引出離子束，推力器柵極組件的屏柵和加速柵之間的間隙設計僅有1 mm，兩柵之間的電壓差達到1000V 以上。柵極附近局部真空度過低，而柵極間存在凸起、尖端或污染物時，容易引起柵極間放電，放電發生的示意圖如圖3所示。放電將使推力器的屏柵和加速柵形成瞬間大電流或短路故障，輕微的放電可導致屏柵電源電壓的降低，嚴重的放電可導致推力器束流熄滅，也稱熄弧。

圖3 離子推力器柵極放電示意Fig.3 Ion thruster grid discharge diagram

離子推力器發生放電的原因較多，主要有以下幾種可能引起柵極放電［1-3］：①熱形變引起局部的柵間距過??；②地面衛星組裝、試驗、發射過程中附帶的細小污染物（如灰塵、指紋等）；③壽命初期柵極工藝缺陷（尖端毛刺、局部間距過?。?；④工作一段時間后柵極表面產生的微突起；⑤工作產生的濺射碎屑漂浮到柵極表面；⑥推力器本身或周圍出氣（初期為主）等。這些放電現象具有隨機性，在推力器工作過程中難以完全避免。

根據上述可能的放電原因，引起柵極放電的主要機理形式有以下3種：①推力器生產工藝或加工過程，以及工作后由于熱變形造成的尖端、極小間距導致放電；②推力器裝配、測試、運輸、工作等過程，產生柵極表面絕緣污染物形成電荷積累擊穿放電；③推力器內部材料或周圍出氣，導致柵極組件局部氣壓升高，使放電電壓降低而發生放電。

4 國內外離子電推進系統放電情況

4.1 國內離子推力器放電情況

國內電推進空間應用較晚，2012年開始首次空間飛行驗證，推力器在軌工作次數少，放電記錄數據有限。離子推力器在軌試驗每次推進模式工作10min，通過目前已完成的推力器工作情況記錄得到：在離子電推進系統200多次工作中發生了1次嚴重的放電，導致推力器熄??；輕微放電發生10余次，放電現象很快消除，對系統正常工作基本無影響。同時發現在軌工作初期的放電頻次較高，在最初的20 次點火中，出現了4 次輕微放電，達到了20%。

4.2 國外離子推力器放電情況

4.2.1 日本工程試驗衛星-8推力器在軌放電情況

日本工程試驗衛星-8（ETS-8）采用離子推力器，2007年1月進行了初始測試，4臺推力器工作時間和放電情況如表1所示［4］。放電主要原因為出氣，一旦發生放電，則系統自動重啟。PPU 的硬件保護電路為推力器放電防護提供了快速控制能力。

其中推力器NB累計工作3400h后，出現頻繁的高壓擊穿，工作中斷。當發生柵極間放電中斷工作時，電推進系統通過保護程序設定30s后自動重啟，沒有影響電推進系統的正常功能和主要任務。

表1 ETS-8衛星離子推力器放電統計Table 1 Discharge count of ETS-8Ion thruster

4.2.2 NSTAR-30推力器放電情況

美國NASA 于2007年9月27日，發射了黎明號（Dawn）小行星探測器，電推進系統采用了NSTAR-30離子推力器，共配置3臺，分別為FT1、FT2、FT3。電推進系統工作初期，首先是對3臺離子推力器在不同功率擋進行性能測試，測試順序為FT3推力器、FT1推力器、FT2推力器。

測試過程中發生了放電現象，情況如下。在初期測試階段，FT3在25h工作時間內共發生85次放電現象，其中第1小時20次、第2小時6次、第3小時1次。地面試驗時在累計65h時間內共發生43次放電，要小于在軌工作時的放電頻次。分析原因為離子推力器在整星組裝、測試、發射過程中產生了微小多余物（particulate contamination，如粉塵、指紋等）。隨著離子推力器累計工作時間增加，放電頻次越來越低。在后來系統性能測試時，FT3在累計工作165.7h后，放電發生頻次降為1.5 次／天。FT1在整個28h 測試工作時間內只發生11 次放電，說明FT1受到多余物污染較少。FT2在整個測試18h工作時間內，共發生21次放電現象。

以下對FT3 推力器的放電情況進行詳細分析［5-6］。FT3推力器在測試的25h工作時間內其性能曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，當推力器放電較嚴重時，屏柵電源、加速電源（輸出電壓為負）保護，屏柵電壓、電流及加速電壓、電流降到零，隨后屏柵電源、加速電源重新啟動。

截至2011年7月，FT3在7925h內發生放電恢復（由于放電導致推力器引出束流熄滅，需要重新點火，再次引出束流，整個過程稱為放電恢復）58次，平均137h發生1次。FT1在7600h內放電恢復65次，平均117h發生1次。FT2在7433h內放電恢復26次，平均289h發生1次。相比地面壽命試驗發生放電的頻率降低了2個量級。飛行中的絕大多數放電發生在束流引出后的數小時內，并且頻率隨時間降低。

從工作情況來看，NSTAR-30電推進系統工作性能穩定，柵極高頻次的放電現象并沒有影響黎明號電推進系統的工作性能，黎明號在此期間已完成灶神星（Vesta）的探測（在距離灶神星193km 的軌道上運行1年），并于2012年7月啟程趕往谷神星（Ceres），預計將在2015年抵達谷神星，完成其主要使命。

圖4 FT3累計工作25h期間的性能Fig.4 Performance of FT3for total 25hworking

4.2.3 GOCE衛星T5推力器在軌放電情況

2009年3月，歐洲發射的重力場與穩態洋流探測器（GOCE），使用2臺QinetiQ 公司研制的T5離子推力器。推力器從2009年9月13日起，在大約620d運行期間內總共出現60 多次推力器熄弧數據［7］。統計顯示到2010年7月平均13d 熄弧一次，到2010年10月平均7d熄弧一次。分析可能導致熄弧的原因有：①推力器運行過程中溫度改變引起雙柵間距的變化；②推力器工作中濺射的碎片附著在柵極表面；③等離子體穩態遭到破壞；④柵極制造過程引起的柵極組件工藝缺陷（毛刺，碎屑等），而這些缺陷會在壽命早期被束流離子濺射消除，因此不是整個壽命期間熄弧的主要原因；⑤推力器壽命初期的材料出氣效應。

GOCE衛星電推進系統發生放電熄弧后，均在8s內完成自動恢復而正常工作，推力器放電沒有影響電推進系統的正常工作。GOCE 衛星設計壽命20個月，超期工作18個月，電推進系統工作正常，并且始終沒有啟動備份系統，衛星圓滿完成任務。

5 離子電推進放電保護措施

5.1 離子電推進放電現象總結

綜上所述，離子電推進系統在軌工作時均發生放電是一個共性現象，對放電現象規律及影響分析如下：

（1）離子推力器放電是普遍存在的現象，難以完全避免；

（2）在軌工作初期，推力器放電比較頻繁，隨著推力器累計工作時間增加，放電頻次越來越低，再到后期又有比較頻繁的放電；

（3）造成放電的原因較復雜多樣，每次放電具體原因有隨機性，難以區分。

5.2 離子電推進放電對系統及衛星影響的分析

離子電推進系統在軌工作普遍存在放電現象，根據引起柵極放電發生的原因可以分為輕微放電和嚴重放電。

例如，主要由微小污染物、柵極工藝缺陷產生的尖端毛刺、推力器本身或柵極周圍出氣等導致柵極放電就屬于輕微放電。輕微放電表現為推力器屏柵和加速柵之間呈現瞬間的短路或低阻特性，使PPU的屏柵電源和加速電源出現短暫的大電流輸出。由于是瞬間的大電流負載特性，如果PPU 產品具備快速響應的過流保護功能，當放電發生時屏柵電源出現大電流的時候，就可以起到保護作用，使屏柵電壓迅速降低，而此時導致發生點火的尖端或微小污染物也將同時消除，放電現象消失，屏柵電流恢復正常，PPU 的供電也恢復正常。從推力器發生放電，到PPU 過流檢測電路響應執行保護功能，直至放電消失后PPU 供電恢復正常，整個放電及恢復時間在1ms以內完成。因此，對于輕微放電，電推進系統的表現為束流發生瞬間閃爍，PPU 的屏柵電源和加速電源會出現一次瞬間的大電流和電壓降低，之后又恢復正常工作。

因此對離子推力器的輕微放電，若PPU 具備有效的放電保護功能，可以很好地抑制放電，對系統正常工作無影響。如果PPU 沒有完善的保護功能，輕微放電時產生的大電流可能會對PPU 內部電路造成大電流沖擊，對部分器件造成過功率的潛在損傷或直接損壞，從而影響到PPU 單機功能電路的可靠性下降或損壞，由于對器件的損傷將降低系統的可靠性，如果損壞產品的功能電路將直接導致PPU 單份失效，使衛星的電推進系統失去備份冗余功能。

離子推力器嚴重的放電，主要是推力器柵極由于加工工藝產生較大的尖端或表面變形產生的凸起等，導致兩柵產生搭接形成嚴重短路故障。該故障將導致PPU 的屏柵和加速電源供電負載呈現持續或較長時間的短路特性。發生嚴重放電時，若PPU具有保護功能，將出現屏柵電源和加速電源輸出大幅下降，將直接導致推力器熄弧。推力器熄弧意味著電推進系統工作停止，若再不采取控制措施，將使電推進系統不能執行位置保持、軌道變換等功能，對衛星正常在軌運行產生影響，但這些影響對衛星不會造成嚴重影響，可以通過后續的電推進工作進行軌道補充推進或修正。

離子推力器發生嚴重放電導致短路故障，還可以分為可恢復和不可恢復兩類。對于較大的柵極尖端引起的短路故障，可以通過控制系統進行數次的重新啟動，利用啟動電流的沖擊或使用PPU 自帶的短路燒蝕功能，通過大電流產生的熱燒斷尖端形成的短路搭接，消除故障，使電推進系統恢復正常工作。

但是，如果發生嚴重的柵極變形導致較大的面接觸，將很難用大電流燒蝕的方法消除故障，最終將導致該臺推力器失效。在這種最壞情況下，可以通過電推進控制系統切換PPU 連接備份推力器進行工作。

若PPU 沒有保護功能，在發生嚴重放電時，有可能直接損壞PPU 產品，或由于沒有PPU 的及時保護功能，導致推力器兩柵間的嚴重放電產生的大電流，使柵極變形導致更嚴重的搭接或粘連，將直接影響推力器的正常使用，有可能導致推力器柵極永久粘連而失效，使衛星的電推進系統喪失備份冗余功能。

因此，通過以上分析，電推進系統如果沒有針對放電進行保護設計，輕微的放電可以造成PPU 的潛在損傷或損壞，嚴重的放電可以導致PPU 或推力器損壞，使電推進系統冗余功能失效。

5.3 離子推力器放電保護設計

有效的保護措施可以保證在推力器發生放電時對推力器、電源處理單元產品進行保護，避免在發生放電時損壞產品，并且保證電推進系統能穩定、可靠工作。

電推進系統放電保護的硬件電路由PPU 完成，主要依靠電路中設置的輸出電流采樣和保護電路進行，當采樣電路發現有放電情況，輸出電流會異常增大，通過控制信號將使PPU 的屏柵電源和加速電源輸出電壓降低。對于輕微的放電，電壓降低后，放電將消失，此時PPU 將自動恢復正常供電，這樣可以實現推力器不熄弧，而繼續工作。但當發生嚴重的放電時，PPU 將處于較長時間的短路保護狀態，此時需要控制系統判斷，關閉屏柵電源和加速電源，消除放電故障，通過間隔時間設置，再次啟動屏柵和加速電源，若放電故障消除，推力器將繼續正常工作。

因此，PPU 對于推力器放電保護措施的實施作用重大。首先保護電路需要具有快速的響應時間，其次具有在發生嚴重放電故障時能承受短時間的短路保護能力，而不至于損壞產品。此外，電推進系統的控制單元需要設計有效的保護控制程序，在發生嚴重放電時，可以控制PPU 進行重啟，嘗試恢復正常工作。此外，針對長壽命應用衛星需求，防止搭接短路故障的發生，需要PPU 配置專門針對柵極短路的燒蝕電源［8-10］。

針對離子推力器柵極放電可采取以下幾種處理方式：

（1）當出現放電，保護檢測電路如果檢測到屏柵電流參數超出設定值時，PPU 實施快速的屏柵電源和加速電源過流保護功能，響應時間一般應不大于1ms，減低電源電壓，消除放電故障；

（2）當嚴重放電導致推力器熄滅時，由程序控制PPU 在30s后重新啟動推力器點火程序，完成電推進系統自動恢復正常工作；

（3）當發生放電導致屏柵電源、加速電源關斷時，先將陽極電流降到低擋位，接著重新開啟屏柵電源、加速電源，當束流引出穩定后，將陽極電流恢復到正常擋位；

（4）當發生嚴重短路故障時，可以啟動PPU 燒蝕電源功能，對短路故障進行燒蝕處理，達到消除短路故障目的；

（5）通過遙測數據判讀，若推力器發生不可恢復的短路故障時，通過PPU 輸出切換控制，使PPU連接備份推力器。

國內離子電推進系統，在設計之初就將推力器放電保護作為關鍵電路進行設計，在地面進行了多次考核，取得了很好的效果。衛星發射后，電推進系統在軌工作后，通過測試數據顯示，在電推進工作發生的數十次放電中，PPU 的保護作用起到了很好的效果，對輕微的放電采取了及時的保護，不影響電推進系統的正常工作。對發生的一次嚴重放電，通過有效的保護措施，電推進系統熄弧后又重新啟動，系統正常工作。在電推進系統在軌試驗的整個過程，推力器放電對系統的工作及功能沒有造成影響。通過國外電推進系統的放電統計及衛星運行情況調研，也證實對推力器放電采取相應保護措施后，不會對電推進系統各單機的性能、可靠性和壽命造成實質危害。因此，離子電推進系統的放電保護設計對電推進系統及衛星的正常工作和可靠性非常重要。

6 結束語

離子推力器由于屏柵和加速柵結構復雜、間距小、電壓高，導致其空間應用中不可避免地出現放電現象，因此電推進系統中放電保護設計非常關鍵。在電推進系統設計中，要重點關注PPU 的過流和短路保護設計，以及系統的自動重啟控制設計，并在地面試驗中進行充分的試驗驗證。完善的放電保護設計，可有效防止由于放電對電推進系統正常工作帶來的影響，是保證電推進系統完成在軌任務，提高系統可靠性和壽命的重要手段。

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