离子推力器栅极放电分析和保护设计

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

1 引言

电推进作为一种先进的推进技术，已成为衡量航天器先进性的标志之一。目前国际上主要应用离子推力器和霍尔推力器。离子推力器由于具有高比冲、高效率的特点，广泛应用于深空探测及通信卫星南北位置保持和轨道转移任务，以提高卫星寿命，降低发射质量，或增大航天器有效载荷。

由于霍尔推力器结构简单，没有复杂的栅网组件，因此从产品结构特性决定了不会发生放电现象。离子推力器的结构复杂，屏栅和加速栅间距小，两栅间电压普遍高达1000 V 以上，若栅极间存在尖端或污染物，容易在栅极之间发生放电现象。放电会引起推力器工作时发生束流闪烁，导致推力突然变小。放电不仅对电推进系统正常工作造成影响，对电推进系统电源处理单元（Power Processing Unit，PPU）的保护能力也是一种考验，关系到整个电推进系统可靠、安全工作。本文研究了离子推力器发生放电的主要原因，并给出了针对电推进系统在轨飞行发生放电的保护措施和方法。

2 离子推力器基本结构及工作原理

离子推力器是静电式电推进的一种，主要利用电离势较低的推进剂（如氙气），经电离后在静电场中加速产生推力，以满足航天器推进任务的需要。图1为离子推力器的结构示意图，主要由推力器外壳、放电室、放电室阴极、中和器阴极、阳极、离子光学引出系统（即由屏栅和加速栅组成的栅极组件）等基本部分构成。

图1 离子推力器组成结构示意图Fig.1 Ion thruster block diagram

离子电推进系统的工作原理如图2所示，推进剂氙气（Xe）中性原子进入放电室阴极、放电室和中和器阴极，放电室阴极和中和器阴极加热后开始热电子发射，其中的Xe原子因受到空心阴极发射电子的轰击而电离，当Xe原子和空心阴极发射的电子达到一定浓度后，再施加一定电压后，阴极开始放电。当接通阳极电源后，空心阴极发射的电子在阳极电场作用下被吸引进入放电室，电子在移动过程中轰击放电室内的Xe原子使其电离，在放电室中形成等离子体。在磁场和电场的共同作用下，由空心阴极发射的原初电子和工质气体电离产生的二次电子，以磁力线为导轴作螺旋式运动，由此增加了电子的运动路程，提高了推进剂工质的电离率，从而在放电室内形成气体放电低温等离子体。在放电室内被电离的Xe＋离子在屏栅极和加速栅极组成的离子光学组件的作用下，被聚焦、加速，形成等离子束流喷出，从而产生推力。中和器发射的电子与引出的离子束流中和，形成准中性等离子体束流排出。

图2 离子推力器原理示意图Fig.2 Ion thruster principium diagram

3 离子推力器放电原因分析

为了有效地引出离子束，推力器栅极组件的屏栅和加速栅之间的间隙设计仅有1 mm，两栅之间的电压差达到1000V 以上。栅极附近局部真空度过低，而栅极间存在凸起、尖端或污染物时，容易引起栅极间放电，放电发生的示意图如图3所示。放电将使推力器的屏栅和加速栅形成瞬间大电流或短路故障，轻微的放电可导致屏栅电源电压的降低，严重的放电可导致推力器束流熄灭，也称熄弧。

图3 离子推力器栅极放电示意Fig.3 Ion thruster grid discharge diagram

离子推力器发生放电的原因较多，主要有以下几种可能引起栅极放电［1-3］：①热形变引起局部的栅间距过小；②地面卫星组装、试验、发射过程中附带的细小污染物（如灰尘、指纹等）；③寿命初期栅极工艺缺陷（尖端毛刺、局部间距过小）；④工作一段时间后栅极表面产生的微突起；⑤工作产生的溅射碎屑漂浮到栅极表面；⑥推力器本身或周围出气（初期为主）等。这些放电现象具有随机性，在推力器工作过程中难以完全避免。

根据上述可能的放电原因，引起栅极放电的主要机理形式有以下3种：①推力器生产工艺或加工过程，以及工作后由于热变形造成的尖端、极小间距导致放电；②推力器装配、测试、运输、工作等过程，产生栅极表面绝缘污染物形成电荷积累击穿放电；③推力器内部材料或周围出气，导致栅极组件局部气压升高，使放电电压降低而发生放电。

4 国内外离子电推进系统放电情况

4.1 国内离子推力器放电情况

国内电推进空间应用较晚，2012年开始首次空间飞行验证，推力器在轨工作次数少，放电记录数据有限。离子推力器在轨试验每次推进模式工作10min，通过目前已完成的推力器工作情况记录得到：在离子电推进系统200多次工作中发生了1次严重的放电，导致推力器熄弧；轻微放电发生10余次，放电现象很快消除，对系统正常工作基本无影响。同时发现在轨工作初期的放电频次较高，在最初的20 次点火中，出现了4 次轻微放电，达到了20%。

4.2 国外离子推力器放电情况

4.2.1 日本工程试验卫星-8推力器在轨放电情况

日本工程试验卫星-8（ETS-8）采用离子推力器，2007年1月进行了初始测试，4台推力器工作时间和放电情况如表1所示［4］。放电主要原因为出气，一旦发生放电，则系统自动重启。PPU 的硬件保护电路为推力器放电防护提供了快速控制能力。

其中推力器NB累计工作3400h后，出现频繁的高压击穿，工作中断。当发生栅极间放电中断工作时，电推进系统通过保护程序设定30s后自动重启，没有影响电推进系统的正常功能和主要任务。

表1 ETS-8卫星离子推力器放电统计Table 1 Discharge count of ETS-8Ion thruster

4.2.2 NSTAR-30推力器放电情况

美国NASA 于2007年9月27日，发射了黎明号（Dawn）小行星探测器，电推进系统采用了NSTAR-30离子推力器，共配置3台，分别为FT1、FT2、FT3。电推进系统工作初期，首先是对3台离子推力器在不同功率挡进行性能测试，测试顺序为FT3推力器、FT1推力器、FT2推力器。

测试过程中发生了放电现象，情况如下。在初期测试阶段，FT3在25h工作时间内共发生85次放电现象，其中第1小时20次、第2小时6次、第3小时1次。地面试验时在累计65h时间内共发生43次放电，要小于在轨工作时的放电频次。分析原因为离子推力器在整星组装、测试、发射过程中产生了微小多余物（particulate contamination，如粉尘、指纹等）。随着离子推力器累计工作时间增加，放电频次越来越低。在后来系统性能测试时，FT3在累计工作165.7h后，放电发生频次降为1.5 次／天。FT1在整个28h 测试工作时间内只发生11 次放电，说明FT1受到多余物污染较少。FT2在整个测试18h工作时间内，共发生21次放电现象。

以下对FT3 推力器的放电情况进行详细分析［5-6］。FT3推力器在测试的25h工作时间内其性能曲线如图4所示。从图4中可以看出，当推力器放电较严重时，屏栅电源、加速电源（输出电压为负）保护，屏栅电压、电流及加速电压、电流降到零，随后屏栅电源、加速电源重新启动。

截至2011年7月，FT3在7925h内发生放电恢复（由于放电导致推力器引出束流熄灭，需要重新点火，再次引出束流，整个过程称为放电恢复）58次，平均137h发生1次。FT1在7600h内放电恢复65次，平均117h发生1次。FT2在7433h内放电恢复26次，平均289h发生1次。相比地面寿命试验发生放电的频率降低了2个量级。飞行中的绝大多数放电发生在束流引出后的数小时内，并且频率随时间降低。

从工作情况来看，NSTAR-30电推进系统工作性能稳定，栅极高频次的放电现象并没有影响黎明号电推进系统的工作性能，黎明号在此期间已完成灶神星（Vesta）的探测（在距离灶神星193km 的轨道上运行1年），并于2012年7月启程赶往谷神星（Ceres），预计将在2015年抵达谷神星，完成其主要使命。

图4 FT3累计工作25h期间的性能Fig.4 Performance of FT3for total 25hworking

4.2.3 GOCE卫星T5推力器在轨放电情况

2009年3月，欧洲发射的重力场与稳态洋流探测器（GOCE），使用2台QinetiQ 公司研制的T5离子推力器。推力器从2009年9月13日起，在大约620d运行期间内总共出现60 多次推力器熄弧数据［7］。统计显示到2010年7月平均13d 熄弧一次，到2010年10月平均7d熄弧一次。分析可能导致熄弧的原因有：①推力器运行过程中温度改变引起双栅间距的变化；②推力器工作中溅射的碎片附着在栅极表面；③等离子体稳态遭到破坏；④栅极制造过程引起的栅极组件工艺缺陷（毛刺，碎屑等），而这些缺陷会在寿命早期被束流离子溅射消除，因此不是整个寿命期间熄弧的主要原因；⑤推力器寿命初期的材料出气效应。

GOCE卫星电推进系统发生放电熄弧后，均在8s内完成自动恢复而正常工作，推力器放电没有影响电推进系统的正常工作。GOCE 卫星设计寿命20个月，超期工作18个月，电推进系统工作正常，并且始终没有启动备份系统，卫星圆满完成任务。

5 离子电推进放电保护措施

5.1 离子电推进放电现象总结

综上所述，离子电推进系统在轨工作时均发生放电是一个共性现象，对放电现象规律及影响分析如下：

（1）离子推力器放电是普遍存在的现象，难以完全避免；

（2）在轨工作初期，推力器放电比较频繁，随着推力器累计工作时间增加，放电频次越来越低，再到后期又有比较频繁的放电；

（3）造成放电的原因较复杂多样，每次放电具体原因有随机性，难以区分。

5.2 离子电推进放电对系统及卫星影响的分析

离子电推进系统在轨工作普遍存在放电现象，根据引起栅极放电发生的原因可以分为轻微放电和严重放电。

例如，主要由微小污染物、栅极工艺缺陷产生的尖端毛刺、推力器本身或栅极周围出气等导致栅极放电就属于轻微放电。轻微放电表现为推力器屏栅和加速栅之间呈现瞬间的短路或低阻特性，使PPU的屏栅电源和加速电源出现短暂的大电流输出。由于是瞬间的大电流负载特性，如果PPU 产品具备快速响应的过流保护功能，当放电发生时屏栅电源出现大电流的时候，就可以起到保护作用，使屏栅电压迅速降低，而此时导致发生点火的尖端或微小污染物也将同时消除，放电现象消失，屏栅电流恢复正常，PPU 的供电也恢复正常。从推力器发生放电，到PPU 过流检测电路响应执行保护功能，直至放电消失后PPU 供电恢复正常，整个放电及恢复时间在1ms以内完成。因此，对于轻微放电，电推进系统的表现为束流发生瞬间闪烁，PPU 的屏栅电源和加速电源会出现一次瞬间的大电流和电压降低，之后又恢复正常工作。

因此对离子推力器的轻微放电，若PPU 具备有效的放电保护功能，可以很好地抑制放电，对系统正常工作无影响。如果PPU 没有完善的保护功能，轻微放电时产生的大电流可能会对PPU 内部电路造成大电流冲击，对部分器件造成过功率的潜在损伤或直接损坏，从而影响到PPU 单机功能电路的可靠性下降或损坏，由于对器件的损伤将降低系统的可靠性，如果损坏产品的功能电路将直接导致PPU 单份失效，使卫星的电推进系统失去备份冗余功能。

离子推力器严重的放电，主要是推力器栅极由于加工工艺产生较大的尖端或表面变形产生的凸起等，导致两栅产生搭接形成严重短路故障。该故障将导致PPU 的屏栅和加速电源供电负载呈现持续或较长时间的短路特性。发生严重放电时，若PPU具有保护功能，将出现屏栅电源和加速电源输出大幅下降，将直接导致推力器熄弧。推力器熄弧意味着电推进系统工作停止，若再不采取控制措施，将使电推进系统不能执行位置保持、轨道变换等功能，对卫星正常在轨运行产生影响，但这些影响对卫星不会造成严重影响，可以通过后续的电推进工作进行轨道补充推进或修正。

离子推力器发生严重放电导致短路故障，还可以分为可恢复和不可恢复两类。对于较大的栅极尖端引起的短路故障，可以通过控制系统进行数次的重新启动，利用启动电流的冲击或使用PPU 自带的短路烧蚀功能，通过大电流产生的热烧断尖端形成的短路搭接，消除故障，使电推进系统恢复正常工作。

但是，如果发生严重的栅极变形导致较大的面接触，将很难用大电流烧蚀的方法消除故障，最终将导致该台推力器失效。在这种最坏情况下，可以通过电推进控制系统切换PPU 连接备份推力器进行工作。

若PPU 没有保护功能，在发生严重放电时，有可能直接损坏PPU 产品，或由于没有PPU 的及时保护功能，导致推力器两栅间的严重放电产生的大电流，使栅极变形导致更严重的搭接或粘连，将直接影响推力器的正常使用，有可能导致推力器栅极永久粘连而失效，使卫星的电推进系统丧失备份冗余功能。

因此，通过以上分析，电推进系统如果没有针对放电进行保护设计，轻微的放电可以造成PPU 的潜在损伤或损坏，严重的放电可以导致PPU 或推力器损坏，使电推进系统冗余功能失效。

5.3 离子推力器放电保护设计

有效的保护措施可以保证在推力器发生放电时对推力器、电源处理单元产品进行保护，避免在发生放电时损坏产品，并且保证电推进系统能稳定、可靠工作。

电推进系统放电保护的硬件电路由PPU 完成，主要依靠电路中设置的输出电流采样和保护电路进行，当采样电路发现有放电情况，输出电流会异常增大，通过控制信号将使PPU 的屏栅电源和加速电源输出电压降低。对于轻微的放电，电压降低后，放电将消失，此时PPU 将自动恢复正常供电，这样可以实现推力器不熄弧，而继续工作。但当发生严重的放电时，PPU 将处于较长时间的短路保护状态，此时需要控制系统判断，关闭屏栅电源和加速电源，消除放电故障，通过间隔时间设置，再次启动屏栅和加速电源，若放电故障消除，推力器将继续正常工作。

因此，PPU 对于推力器放电保护措施的实施作用重大。首先保护电路需要具有快速的响应时间，其次具有在发生严重放电故障时能承受短时间的短路保护能力，而不至于损坏产品。此外，电推进系统的控制单元需要设计有效的保护控制程序，在发生严重放电时，可以控制PPU 进行重启，尝试恢复正常工作。此外，针对长寿命应用卫星需求，防止搭接短路故障的发生，需要PPU 配置专门针对栅极短路的烧蚀电源［8-10］。

针对离子推力器栅极放电可采取以下几种处理方式：

（1）当出现放电，保护检测电路如果检测到屏栅电流参数超出设定值时，PPU 实施快速的屏栅电源和加速电源过流保护功能，响应时间一般应不大于1ms，减低电源电压，消除放电故障；

（2）当严重放电导致推力器熄灭时，由程序控制PPU 在30s后重新启动推力器点火程序，完成电推进系统自动恢复正常工作；

（3）当发生放电导致屏栅电源、加速电源关断时，先将阳极电流降到低挡位，接着重新开启屏栅电源、加速电源，当束流引出稳定后，将阳极电流恢复到正常挡位；

（4）当发生严重短路故障时，可以启动PPU 烧蚀电源功能，对短路故障进行烧蚀处理，达到消除短路故障目的；

（5）通过遥测数据判读，若推力器发生不可恢复的短路故障时，通过PPU 输出切换控制，使PPU连接备份推力器。

国内离子电推进系统，在设计之初就将推力器放电保护作为关键电路进行设计，在地面进行了多次考核，取得了很好的效果。卫星发射后，电推进系统在轨工作后，通过测试数据显示，在电推进工作发生的数十次放电中，PPU 的保护作用起到了很好的效果，对轻微的放电采取了及时的保护，不影响电推进系统的正常工作。对发生的一次严重放电，通过有效的保护措施，电推进系统熄弧后又重新启动，系统正常工作。在电推进系统在轨试验的整个过程，推力器放电对系统的工作及功能没有造成影响。通过国外电推进系统的放电统计及卫星运行情况调研，也证实对推力器放电采取相应保护措施后，不会对电推进系统各单机的性能、可靠性和寿命造成实质危害。因此，离子电推进系统的放电保护设计对电推进系统及卫星的正常工作和可靠性非常重要。

6 结束语

离子推力器由于屏栅和加速栅结构复杂、间距小、电压高，导致其空间应用中不可避免地出现放电现象，因此电推进系统中放电保护设计非常关键。在电推进系统设计中，要重点关注PPU 的过流和短路保护设计，以及系统的自动重启控制设计，并在地面试验中进行充分的试验验证。完善的放电保护设计，可有效防止由于放电对电推进系统正常工作带来的影响，是保证电推进系统完成在轨任务，提高系统可靠性和寿命的重要手段。

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