离子推力器非预期电击穿特性及其主要影响因素对比研究

张雪儿，张天平，李得天*，杨 浩，孟 伟

（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室；2.甘肃省空间电推进技术重点实验室：兰州730000）

0 引言

离子推力器具有比冲高、性能调节便利、适用范围广、技术成熟度高等优势，但因为其工作时，阳极、屏栅极等电极在屏栅电源1000 V 以上的（正）高电位，外壳为零电位，加速栅极处于加速电源-200 V 以下的（负）低电位，且屏栅极和加速栅极间距小于1 mm，普遍存在非预期电击穿问题，离子推力器的研制和应用经验均表明，无论在地面试验还是空间工作环境条件下，离子推力器正常工作过程中都会发生栅极之间的电击穿，该事件被定义为离子推力器的非预期电击穿（以下简称击穿）。现阶段对该问题的研究揭示：离子推力器非预期电击穿的诱发因素较多、发生过程与机理非常复杂；击穿发生时存在损伤推力器结构、降低电推进系统工作可靠性的工程风险；通过采取针对性控制与防护措施，可以把击穿频次及影响降低到航天任务可接受的范围内。

经过40多年的发展，我国的离子电推进研究已经步入航天工程应用的快速扩展阶段，凸显出深化非预期电击穿问题研究的必要性：一方面，离子推力器非预期电击穿虽难以完全消除但可以有效抑制，其抑制措施对于确保离子电推进在航天器上的可靠应用非常关键；另一方面，随着更高比冲、更大功率离子推力器的开发应用被提上日程，对离子推力器击穿问题的工程解决将变得更加棘手。由此可见，正确认识离子推力器非预期电击穿问题，深入理解其相关机理与规律，并采取有效控制与防护工程措施极为重要和迫切。

本文在主要诱发因素及机理研究的基础上，通过对比分析空间与地面应用、不同工况、不同类型等情况下的离子推力器击穿数据，寻找离子推力器击穿频次与诱发因素之间的关联性；通过研究击穿频次与离子推力器累计工作时间的关系，找到推力器全寿命期间击穿特性变化趋势及其与主要影响因素之间的关联。期望能够为航天器工程应用中离子推力器非预期电击穿的抑制及防护提供支持。

1 离子推力器击穿特性的对比分析

1.1 空间应用与地面试验中击穿频次的对比分析

离子推力器空间应用和地面试验中击穿特性的直接比较应当以产品状态一致为前提，并且要求推力器累计工作时间足够长、击穿数据的代表性好。目前，具有这种可比性的推力器只有美国的NSTAR。NSTAR 的地面数据来自8000 h 以上的寿命演示试验（LDT）和30 000 h 以上的扩展寿命试验（ELT）；空间应用数据来自“深空一号”（DS-1）和“黎明号”（Dawn）航天器。基于文献得到的可对比击穿数据如表1所列，其中Dawn 的数据为3台推力器数据的平均值。

表1 NSTAR 离子推力器空间与地面击穿数据对比Table 1 Breakdown characteristics of NSTAR in space and in ground tests

从表1中数据可见，NSTAR 空间飞行应用中的平均击穿频次相对于地面试验中的要小近2个数量级。另外，文献[19]报道，BepiColombo航天器上的英国T6推力器在第1阶段空间飞行中的平均击穿频次为0.2 h，仅为地面试验中平均击穿频次的20%。综合分析认为导致天地间击穿频次显著差别的主要原因包括：

1）气压环境影响。地面寿命试验舱内的真空度一般在10Pa 量级，比空间真空环境差，再加上推力器在设备维修、低温泵再生等情况下会暴露于大气中并吸附气体，因此低气压电击穿的频次明显增加。

2）地面真空舱影响。地面试验真空舱内，推力器的高能束流对束流靶、舱壁等存在比较严重的离子溅射效应，产生的背溅射物沉积或漂浮到栅极，可能以微粒物或微凸结构形式引发击穿。

3）工况差异影响。对多模式离子推力器，地面寿命试验所选择工况与空间应用工况不尽相同，且地面试验一般选取磨损更恶劣的工况，因此相应工况相关影响参数的不同将导致击穿特性的差别。

从工程应用角度看，击穿事件在上述飞行任务中并未导致原定任务受到影响，但其地面试验中出现的由击穿导致的放电室熄弧现象存在工程隐患；另外，日本星际微卫星南河三（PROCYON）以及波音公司BSS-601HP平台等应用的离子电推进曾由于频繁击穿导致任务失败或服役寿命缩短。

1.2 不同工况的对比分析

离子推力器的工况参数较多，其中影响击穿的主要参数包括栅间电场强度、束流密度、栅极材料、背景真空度等。实际上这些工况参数对击穿特性的影响往往是相互耦合的，在分析某个工况参数的影响时需要其他参数尽量保持一致或相近，同时要避免天地差别和累计工作时间的影响，基于这些考虑，对比分析以短期地面数据为主。

1.2.1 电场强度对比

表2列出了美国的NSTAR 和NEXT、中国的LIPS-200和LIPS-300离子推力器的基本数据对比。由于不同国家的击穿测量方法和判定准则不一致，对比分析仅限于两国内部产品之间。

表2 不同离子推力器基本穿数据对比Table 2 Breakdown characteristics against field strength

由表2列举的数据可知，比较对象之间栅极材料相同、束流密度相近、试验周期和真空度相当，主要差别在于栅间电场强度。而电场强度对击穿频次的影响非常显著：NEXT 电场强度是NSTAR 电场强度的约1.5倍，而平均击穿频次提高了1个数量级；LIPS-300电场强度是LIPS-200电场强度的约1.5倍，而平均击穿频次提高了约50倍。但由于LIPS-300为三栅极，其累计击穿次数还包括加速栅与减速栅之间的击穿，测试结果显示这种击穿占击穿总数的30%左右，修正该因素影响后LIPS-300的击穿频次较LIPS-200的实际提高了30多倍。

电场强度增大对击穿频次的显著影响在多种因素及机理方面符合预期，它将成为更高比冲离子推力器研制及应用中的关键制约因素。

1.2.2 束流密度对比

单独对比束流密度对击穿影响的最佳数据来自多模式离子推力器，由于推力器结构状态完全一致，可选取电场强度一致或接近、束流密度不同的工况（此时束流密度与束流大小成正比）进行对比。NEXT 推力器地面寿命试验的TL12和TL40工作模式（工况）可直接进行对比；Dawn 航天器空间飞行第3台NSTAR 推力器的ML90、ML97和ML111工况可直接进行对比。具体数据如表3所列。

表3 不同束流密度下的击穿数据对比Table3 Breakdown data against beam current density of NEXT in ground test and NSTAR in space

根据表3 数据对比分析发现，无论是地面还是空间，束流密度对击穿频次的影响都较明显：NEXT 的TL40工况的束流密度比TL12工况的高约1.9倍，而击穿频次达到后者的3.7倍；NSTAR的ML111工况的束流密度是ML90、ML97工况的1.1～1.2倍，而击穿频次提高到后两者的4.7～5.1倍。

束流密度增大对击穿频次的影响机理目前还不完全清楚，应当与束流的欠聚焦或过聚焦溅射、交换电荷离子碰撞、电极表面鞘层厚度等相关。

1.2.3栅极材料对比

常用栅极材料包括钼、钛、热解石墨、C/C复合等，可直接对比的数据来自美国NSTAR 推力器]和日本IES-14推力器，如表4所列。

表4 不同栅极材料下的地面击穿数据对比Table 4 Breakdown data for ground test of ion thruster with different grid material

由表4数据可见：在同样工况下，NSTAR 推力器C/C栅相对钼栅的平均击穿频次高出1个数量级；IES-14推力器C/C栅的平均击穿频次明显比钼栅的高，甚至最终因连续击穿导致高压无法加载。

另外的专题对比研究也证实了碳基材料的耐击穿特性比钼栅的差。除了加工制造因素外，这也是导致具有更好耐溅射和热稳定特性的碳基栅极没有得到广泛应用的主要原因。

1.2.4 背景真空度对比

背景真空度与离子推力器击穿特性的关联程度相对较弱，原因之一是地面试验的背景真空度都较高，一般优于5×10Pa；另一更主要的原因是电场强度、束流密度、栅极材料等敏感因素的差别掩盖了背景真空度的影响。但离子电推进发展早期的地面试验数据表明，当真空度低于5×10Pa 时会导致击穿频次明显升高。由此可以推测，在较低背景真空度下，低气压放电是影响击穿频次的主要机理；而在较高真空度下，影响主要来自真空环境与其他因素的耦合作用。

1.3 不同类型离子推力器的对比分析

有可对比数据的推力器类型包括美国环型会切场类型NEXT和NSTAR，英国发散场类型T5，德国射频类型RIT-22，中国柱型会切场类型LIPS-200和环型会切场类型LIPS-300等；累计工作时间较长（5 kh 以上）情况下的击穿数据如表5所列，可以看到不同类型离子推力器平均击穿频次差别较大。

表5 不同类型离子推力器击穿数据对比Table 5 Breakdown data of different types of ion thrusters

通过具体分析认为，除了天地差别外，导致不同国家及不同类型离子推力器平均击穿频次差别的主要原因依次为：

1）不同国家和产品击穿判据的具体设置阈值差别。美国NEXT 和NSTAR 推力器采用束电流和加速电流监测及判读的方法，英国GOCE任务能够区分T5推力器由放电室和加速极引发的击穿，德国Artemis任务监测RIT-10离子推力器的束电压并以其降至额定值90%为击穿判据，德国RIT-22地面试验以束电源和加速电源的过流监测结果为击穿判据，我国对LIPS-300推力器束电流和加速电流进行监测并以电流增大超出阈值作为击穿判据。

2）推力器平均束流密度工况差别。例如T5在GOCE 上为低功率（小束流密度）工作，而NSTAR在DS-1和Dawn 上较大部分时间为高功率（大束流密度）工作。

3）三栅极与双栅极结构差异。如LIPS-300为三栅极而LIPS-200为双栅极，三栅极的击穿可以在屏栅和加速栅、加速栅和减速栅、屏栅和减速栅之间发生，而双栅极的击穿只在屏栅和加速栅之间发生。

4）不同栅极材料影响，如1.2.3节所述。

目前分析暂无法得出哪种类型离子推力器（放电室）的非预期电击穿可能性更高或更低的明确结论。

2 离子推力器全寿命期间击穿特性的对比分析

无论是地面长寿命试验还是航天器空间飞行应用，均显示了离子推力器击穿特性随累计工作时间呈现阶段性分布的特征。图1所示为NEXT 推力器地面长寿命试验的累计击穿次数及平均击穿频次随推进剂消耗量的变化情况（其中推进剂消耗量与时间近似呈线性相关），可见图中细实线所示击穿频次存在显著的时间分布特征。图2所示为Dawn 航天器上3台NSTAR 推力器（FT1、FT2、FT3）在飞行任务周期内击穿次数与累计工作时间的关系，可见不同工作时段上累计击穿次数增长速率存在明显差别。因此对击穿次数受累计工作时间影响特性进行对比分析，不仅有助于找出其阶段特性的内在影响因素，而且对以推力器长期工作为特征的工程应用具有重要意义。

图1 NEXT 地面长寿命试验中累计击穿次数及平均击穿频次曲线Fig.1 Breakdown eventsduring LDTof NEXT

图2 NSTAR 在Dawn 航天器上的累计击穿次数Fig.2 Breakdown eventsof NSTAR in Dawn mission

以下分析以NEXT 地面长寿命试验和NSTAR 在Dawn 航天器上的应用情况18]为主线，同时参考其他型号推力器或不同应用场景下的击穿数据。尽管NEXT 和NSTAR 不是完全相同的推力器产品，但两者在放电室类型（环型会切场）、栅极结构（钼双栅）、产品成熟度（定型产品）、研制单位（GRC和L3）等多个方面具有很高的相似度，再加上两者在地面长寿命试验中击穿特性的相近性，对两者进行比较具有一定的合理性和工程意义。结合前述影响击穿的因素和机制，对NEXT地面试验和Dawn 飞行过程中击穿事件的时间分布特性分析如下：

1）不论地面还是空间，离子推力器在工作初始阶段击穿频次均较高。地面上的主要影响因素为推力器暴露于大气时的吸湿、附着尘埃和出气等。空间飞行中，推力器入轨后工作初期击穿频次较高、推力器之间差别较大的特点具有普遍性，具体数据见表6。分析确认其主要原因为存在污染物，污染物来源包括地面、发射场、星箭分离、化学推进工作等；次要原因是推力器出气，如日本μ-10推力器在“隼鸟一号”航天器上的情况。

表6 离子推力器入轨检测击穿数据Table6 Breakdown data of ion thrusters during initial checkout

2）随着工作时间的累积，空间和地面上击穿频次的走势有明显差别。地面上频次趋于随机稳定，但每次试验设备维修（暴露于大气）、低温泵再生（暴露于氙气）等情况均会使击穿频次出现明显峰值。如图3所示，NEXT 在累计工作6300 h 时出现的击穿频次峰值（9 h）对应于一次试验设备系统的维修；该现象在NSTAR 等多个推力器寿命试验中出现过，其主要机制为沉积碳膜吸收水分后破裂。而空间应用较地面试验时击穿频次显著降低。图4所示为入轨检测后FT3在工作老炼期间的击穿情况，可以看到，除了开始时过渡段的击穿频次较高外，其后的平均击穿频次为1.5 d。频次降低的主要原因是入轨检测过程中的击穿蒸发有效清除了污染物及出气影响。其他相似例证包括：英国T6推力器在BepiColombo航天器上应用时，FT1在入轨检测阶段工作4 h、击穿5次，后续第1阶段轨道转移工作中近千小时内平均击穿频次为0.2 h，且基本恒定；我国SJ-20卫星上LIPS-300推力器的平均击穿频次从入轨检测初期的10 h降低到开始正式位置保持工作后的4.5 h，在累计20多小时的工作过程中下降了约1/2。

图3 NEXT工作11570 h 的累计击穿次数及击穿频次曲线Fig.3 Breakdown data of NEXT through 11570 h of test time

图4 FT3工作老炼期间的击穿特性曲线Fig.4 Breakdown characteristicsof FT3 during long-duration system test

3）不论地面还是空间，推力器重启42-44]以及工作模式的切换往往会使击穿频次出现峰值。图1中，NEXT在累计消耗推进剂265 kg 和475 kg时出现的击穿频次峰值分别对应于推力器工况从TL40到TL37以及TL12到TL40的转变。图2中，Dawn 在后期（FT1累计工作7 kh 以上）任务中，FT1于7 kh 后出现的击穿频次峰值、FT3在8 kh 时的峰值以及FT2在19 kh 和20 kh 时的峰值等，均发生于较长时间关机后的再次启动。该类现象的主要原因为推力器热暂态和热平衡态的差异以及束流分布变化的溅射作用，导致栅极及放电室溅射沉积物（膜）的开裂、翘起甚至剥离，由此引起击穿频次显著增大；随后在击穿电弧的烧蚀作用下，诱发击穿的沉积物逐渐被消除，击穿频次趋于正常。

4）比较2种推力器在整个试验或飞行任务中的击穿数据，其中NSTAR 推力器主要工况参数见文献[37]，排除工作初期因素和工况转换过渡段的热状态变化等影响，推力器转入低功率模式工作后击穿频次明显降低。其主要机制为在电场强度减小、束流密度减小、栅极孔径变大等因素影响下场增强效应和束流离子碰撞效应的消除。这与1.2节中的对比分析结论一致。

5）从整体击穿频次看，飞行应用中的平均击穿频次比地面试验中的低得多。NSTAR 飞行应用的平均击穿频次最大为12.2 kh，NEXT 地面试验平均击穿频次约770 kh，进一步印证了1.1节的对比结论。

6）NEXT 地面试验中出现了由放电阴极触持与阴极地短路导致的击穿，以及小比例的放电室熄弧情况，具体数据如图5所示。短路击穿在击穿事件总数中占有较大比例（约38%），该短路源于溅射物在触持极和阴极顶之间的沉积，对NEXT 推力器工作性能影响不大，但短路增大了触持极的离子碰撞能量（触持电压），会导致阴极点火困难（击穿从阴极到触持变为从触持到阳极）甚至需要再次点火，最严重的后果是低发射电流工况下阴极熄弧。尽管短路击穿事件在Dawn 航天器应用中未见报道，但在其他应用离子推力器的飞行任务中曾出现过。熄弧现象在NSTAR 推力器ELT 中总计发生8次，在5 kW 离子推力器900 h 寿命试验中也发生过5次；由图5可知熄弧主要发生于TL05、TL01等小功率工作模式下。分析认为，在小功率模式下阴极发射电流相对较小，抗干扰能力较差，导致熄弧概率增大。NSTAR 飞行应用中未见到熄弧现象，可能的原因之一是PPU（电源处理单元）与地面电源的动态响应存在差异。从航天任务要求角度看，应避免发生短路击穿和熄弧的现象。

图5 NEXT寿命试验中各阶段（模式）熄弧、短路击穿和其他击穿次数Fig.5 Discharge extinguish events,shortcut,and other breakdownsduring LDT of NEXT

3 总结与展望

通过对离子推力器地面试验和飞行应用中的击穿特性研究及对比分析，获得了离子推力器击穿频次及其随累计工作时间分布等主要特征，确认了影响击穿的主要因素，找出了天地间影响因素的主要差别及其与击穿特性的关联性，初步分析了影响因素与击穿特性之间的主要机制：

1）长期空间应用中的离子推力器平均非预期电击穿频次在2～12 kh范围内，入轨检测阶段的击穿频次在0.4～10 h范围内，正式工作初期的击穿频次在0.5 h以下；地面寿命试验中的离子推力器平均非预期电击穿频次在20～1700 kh范围内，相对飞行应用高出1～2个数量级。

2）击穿特性的主要影响因素包括：离子推力器暴露于大气环境后的吸气和出气，地面试验舱背溅射、发射、推力器内部溅射等过程产生的内外污染物，推力器工作的电场强度和束流密度等参数，推力器的热状态及变化，电极材料等。

3）暴露于大气、试验舱背溅射是地面试验中最主要的击穿影响因素，不仅产生击穿频次峰值，也是造成天地间击穿特性显著差别的主导因素。发射过程污染和内部溅射物是空间应用中最主要的击穿影响因素，往往会产生击穿频次峰值。电场强度、束流密度、热状态及变化、栅极材料是地面试验和空间应用共有的击穿影响因素，基本决定了相对稳定的低频次击穿特性，但其中的热状态及变化影响存在天地差异。

4）吸气和出气引发低气压放电，污染和沉积物微凸结构引发场增强尖端放电，带电或极化漂移溅射（剥离）物引发高能颗粒轰击是几种主要的击穿诱发物理机制，其中等离子体在主要因素与常规因素之间的耦合并引发击穿中扮演重要角色。

5）溅射沉积物短路诱发的非预期电击穿和低功率模式下击穿导致的阴极熄弧对离子电推进工程应用可靠性的潜在影响较大，其机理和解决措施值得进一步深入研究。

总之，离子推力器的非预期电击穿现象具有普遍性和复杂性；为保障航天工程应用的可靠性和进一步提升离子电推进高比冲性能优势，需要对该问题进行持续深入的研究。