LHT40低功率霍尔推力器放电特性试验

陈新伟，顾左，高俊，郭宁，王尚民，赵勇，冯杰，史楷，蒲彦旭，李贺

兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000

1 引言

近年来，微小卫星[1]因其应用广泛、经济高效受到卫星制造商们的广泛关注，在未来具有巨大的发展潜力。微小卫星高精度的轨道机动需求，进一步促进新一代高性能、高可靠性微小推进系统的应用。

在多款电推进系统中，霍尔推力器具有结构简单、推力小、寿命长、集成度高、比冲适中、推功比高[2-4]等诸多优点，实现了广泛的空间应用，主要执行姿态控制、轨道提升、深空探测等多种轨道任务。截止目前为止，1～5 kW的功率[5-6]范围内的霍尔推力器已有多款推力器实现在轨型号应用。

近几年，随着地轨互联网星座的蓬勃发展，以OneWeb、SpaceX“星链”(Starlink)为代表的商业互联网对低功率霍尔推力器的应用十分火热。英国通信公司OneWeb(一网公司)截至2020年3月，其发射卫星数达74颗，均采用了SPT-50M系列的霍尔推力器作为地轨卫星主推进系统。2019年以来SpaceX公司发射的875颗“星链”卫星均采用200 W的低功率霍尔推力器。

在低轨卫星星座、微纳卫星高速发展的迫切需求下，功率量级为0.5～500 W的低功率霍尔推力器受到各航天大国的关注。俄罗斯、美国等为代表的国家在低功率霍尔推力器领域的研究已经取得了突破，研制了多款低功率霍尔推力器，并开展了大量推力器性能优化、提升的试验研究工作，例如美国Busek公司研制200 W BHT-200[7-8](推力12.8 mN，比冲1 390 s，效率24.5%)，600 W BHT-600[9](推力39 mN，比冲1 530 s，效率49%)，俄罗斯火炬局研制的220W SPT-50[10](推力14.0 mN，比冲860 s，效率26%)，SPT-70[11](推力40.0 mN，比冲1 500 s，效率46%)等多种型号的低功率霍尔推力器产品已实现了空间在轨应用。此外，国际诸多知名机构纷纷开展低功率电推进系统的研制和性能测试，例如美国加利福尼亚大学的研究团队成功研制了400 W级MaSMi-40[12-13]小功率霍尔推力器，以色列Advanced Defense Systems公司研制了100～250 W的CAMILA霍尔推力器，法国国家科学研究中心研制了200 W ISCT200-MS[14-15]磁屏蔽霍尔推力器，波兰等离子体物理和激光微融合研究所(IPPLM)研制了500 W 霍尔推力器[16]。但是国外均采用独立励磁供电方式(推力器所需的磁场全部由外部电源对励磁线圈供电产生)对推力器的放电特性(推力、比冲)开展研究，未对混合励磁模式推力放电特性开展研究，也未对其宏观特性(推力、比冲等)和微观等离子参数开展详细的研究。

本文主要介绍300 W混合励磁模式低功率霍尔推力器，并针对不同工况开展推力器放电特性宏观性能参数(推力、比冲、效率等)和羽流等离子微观参数研究，建立推力器宏观参数和微观参数的联系，进一步确定推力器指标符合性和放电稳定性，为工程应用提供有效的数据支撑。

2 LHT40霍尔推力器

霍尔推力器通过内外电磁线圈在放电室内形成径向分布的磁场，与此同时，阳极和阴极之间的电势降产生轴向电场。阴极是霍尔推力器的电子发射源，其发射的电子一部分进入放电室，在正交的径向磁场与轴向电场的共同作用下发生霍尔漂移，在漂移过程中与从阳极(工质气体分配器)出来的中性推进剂原子(通常采用氙)碰撞，使得氙原子电离。由于存在强的径向磁场，电子被限定在放电通道内沿周向做漂移运动，也称霍尔漂移。而离子质量很大，其运动轨迹基本不受磁场影响，在轴向电场作用下沿轴向高速喷出从而产生推力。与此同时，阴极发射的另一部分电子与轴向喷出的离子中和，保持了推力器羽流的宏观电中性。

针对商业卫星星座、低轨道导航通信卫星等轨道提升、位置保持和离轨的任务需求，兰州空间技术物理研究所开展了专项技术攻关，研制了300 W级低功率霍尔推力器LHT40。LHT40主要由放电室组件、空心阴极组件、磁路组件和安装组件等组成。LHT40霍尔推力器放电室采用氮化硼-二氧化硅材料组成的环形腔结构，放电口径外径为40 mm，其周围均匀排布着4个励磁线圈，在放电室的一侧布置空心阴极，阴极轴线与推力器轴线成45°。

空心阴极采用发射电流为3 A的空心热阴极LHC-3[17]，该阴极大幅度继承LHC-5阴极(发射电流为5 A)的研制经验，已经在实践9A卫星电推力器得到飞行验证，经过地面20 000 h寿命试验和21 000次开关机试验。

霍尔推力器磁路组件包括内线圈、外线圈、内极靴、外极靴和导磁底座等，磁路结构组成如图1所示。

图1 霍尔推力器磁路结构组成Fig.1 Hall thruster magnetic circuit structure composition

霍尔推力器磁路原理如图2所示。霍尔推力器具有较为复杂的磁路结构，其磁路基本构型为C型磁路结构。将软磁材料设计成C型结构，并缠绕上线圈，当线圈通电流时，在两个磁极之间就会形成磁场。在霍尔推力器放电室中，磁场的方向基本为径向。当磁路的几何尺寸确定后，磁场的构型可以通过调节线圈的电流和匝数来实现。典型的加速通道径向磁场分布特征为，沿着通道轴线方向从底部至出口磁场逐渐变大，并在通道出口处达到最大值。

图2 霍尔推力器磁路原理Fig.2 Hall thruster magnetic circuit schematic

在LHT40推力器设计过程中引入目前国外常用的霍尔推力器延寿设计技术——磁屏蔽技术[18]。通过推力器磁路组件设计，在推力器放电通道内形成一个“U”型的磁场，磁场越过放电通道陶瓷边缘且逐渐延伸到阳极附近，磁力线与放电通道不存在相交点。壁面处磁力线向阳极延伸，且保持等势特点，于是呈现恒定不变的高电势和低电子温度的特点。根据广义欧姆定律：

σE=J+J×β

式中：E、J和β分别为电场强度、电流密度和霍尔参数，σ为电导率。电流密度在垂直于磁力线方向(j⊥)为：

在平行于磁力线方向上：

E‖=j‖/σ

(1)

由式(1)可知E⊥(垂直磁力线的电场强度)比E‖(平行于磁力线的电场强度)大得多。电场的形成与电子的运动有密切关系，根据磁力线绝热的特性，电子在平行于磁力线方向上的阻抗远小于垂直于磁力线方向上的阻抗。

从通道中心到壁面沿磁力线进行积分可以得到平行于磁力线的等离子体电势：

φ‖=φ0+Te0ln (ne0/ne)

式中：ne为电子数密度；φ0、Te0和ne0分别为放电室通道中心的电势、电子温度和电子数密度。

壁面附近的磁力线向阳极延伸，由于磁力线绝热的特性，壁面附近的电子温度约等于阳极附近较低的电子温度，此时有φ‖≈φ0。由于造成离子 向陶瓷壁面的加速能量减小，使得放电通道壁面溅射得到有效抑制，从而推力器实现长寿命目的。

LHT40霍尔推力器通道内的磁场位型如图3所示。由图3可见，磁场分布在符合霍尔推力器磁场设计准则的基础上，磁力线在出口处形成U型，磁场与通道陶瓷仅仅存在局部相切，整体磁场位型与国外设计结果具有高度一致性[16]。推力器通道轴向磁场强度见图4，从中可以看出推力器放电通道内磁场轴向强度最大位于推力器出口位置，大约142 Gs(1 Gs=10-4T)，推力阳极位置约1.5 Gs。

图3 LHT40仿真磁场位型Fig.3 LHT40 magnetic field simulation

图4 放电通道的感应强度沿轴向分布曲线Fig.4 Discharge channel magnetic induction distribution curve along the axial

LHT40霍尔推力器的内外磁场励磁线圈绕组，用于产生霍尔推力器工作所必需的径向磁场。经过推力器可靠性热测试摸底试验，得出励磁线圈温度不超过500℃。霍尔推力器内、外电磁线圈进行串联方式，可以减少一个励磁电源。励磁电源的负极串入放电回路的负极(阳极电源负极)，此种接线方式进一步考虑励磁线圈绝缘的可靠性设计。若励磁电源与阳极回路正极相连，励磁线圈耐压、绝缘要求将进一步提高。若线圈材料选择不合适、推力器设计没有达到最优工况，推力器长期工作将导致工作不稳定，严重时导致推力器熄弧。由于放电回路电流不足以提供最优的磁场位形，需要一个励磁电源进一步为励磁线圈供电，LHT40霍尔推力器配电网络见图5。

图5 LHT40霍尔推力器配电网络Fig.5 LHT40 Hall thruster electrical network

3 试验系统及装置

3.1 真空设备和推力测量设备

LHT40霍尔推力器试验在兰州空间技术物理研究所电推进实验室TS-6S电推进真空试验系统上开展。TS-6S系统Φ1 500 mm×5 000 mm，空载极限真空度优于10×10-5Pa，当推力器引束流过程氙气流量为1.0 mg/s时，系统的带载真空度可保持在(1.0～1.3)×10-3Pa。

LHT40霍尔推力器安装在推力器安装平台上，通过弹性件悬垂于真空室内。弹性件在两种情况下发生弹性形变(即推力器安装平台端发生位移)：一是当推力器没有工作时通过尼龙细线由不同质量的校准砝码产生的拉力；二是电推力器工作时产生推力。由于发生的位移很小，可以近似考虑为线位移。试验前通过已知质量的法码开展标定工作。由于校准砝码的质量已知，即产生的拉力大小已知，位移由激光干涉仪测量得到，通过不同质量的校准砝码，可以得到“力-位移”曲线：

F=kx+b

(2)

式中：F为推力；x为位移；k为弹性系数；b为误差系数。

已知两种情况下的位移大小，用式(2)由激光干涉仪经由靶标反射镜和90°折射镜测量得到推力，微小推力直接测量法的系统组成如图6所示。

图6 LHT40霍尔推力器推力测量装置Fig.6 Thrust measurement device for LHT40 Hall thruster

3.2 等离子体诊断设备

推力器羽流发散角测量采用81个法拉第探针阵列组成的测试装置。LHT40霍尔推力器安装在安装支架上，法拉第探针阵列安装在圆盘型金属支架上，其中推力器喷口轴线与法拉第探针阵列探测面中轴线重合，推力器与羽流诊断装置相对位置见图7。通过线性插值法计算出90%总束流值对应推力器中轴线的距离，记为r90%，束流发散角θ计算如下：

图7 推力器与羽流诊断装置相对位置示意Fig.7 Schematic diagram of the relative position of the thruster and the plume diagnostic device

(3)

式中：d为霍尔推力器喷口直径；L为霍尔推力器喷口与法拉第探针阵列探测面的轴向距离。

4 试验结果及分析

4.1 性能

(4)

式中：γ为由束流发散和多荷离子引起的推力修正系数；M为氙离子质量；e为元电荷；Ib为束电流；Ub为束电压。霍尔推力器的推力修正系数γ为：

式中：α为束流修正系数；I++/I+为束流中双荷离子电流所占比例。

霍尔推力器阳极效率ηa定义为：

式中：Pd为阳极功率。

比冲Isp的计算公式为：

推功比(F/Ptotal)是衡量系统性能的重要指标，其定义为推力与系统功率的比值：

式中：Ptotal为系统总功率；Pmag为励磁功率；Pc为阴极自持放电功率。

不同电压下推力和阳极电流变化曲线见图8。由图8可以看出，随放电电压由200 V增至280 V，推力随之增大，由8.8 mN增大到12.8 mN，推力增大约45%，此放电电压段推力与放电电压呈现正相关的关系，该关系与式(4)(T～V1/2)一致。随放电电压继续增大(280 V→300 V)，推力由280 V时的12.8 mN下降到12.5 mN，推力在200～300 V存在一个最大值。由式(4)中推力修正系数可以看出，束流中双荷离子电流增大推力器推力逐渐减小。分析可能主要原因为，280～300 V阳极电压的推力器放电双核离子增加的速度大于电压对推力贡献的程度。推力器工作过程阳极电流主要来自放电室内电离产生的二次电子和阴极发射的原初电子。

图8 不同电压下推力和阳极电流变化曲线Fig.8 Variation curves of thrust and anode current under different voltages

由图8可以看出阳极电压在200 V→250 V增大过程中放电电流基本保持在0.78 A，阳极电压继续增大，放电电流逐渐增大。当放电电压增大到280 V，推力器放电电流达到最大为0.835 A。继续增大阳极电压，放电电流呈现减小的趋势。主要原因分析为，放电电压增大，通道内电场作用增加，诱导磁感应强度增加，对原初电子的约束增加，电子螺旋约束路径增大，导致到达阳极的电子单位时间减小，最终导致放电电流较小。

图9所示为不同阳极电压下推力器比冲和阳极效率变化曲线。由图9可以看出，随放电电压由200 V增至280 V，比冲随之增大，由944 s增大到1377 s，此放电电压段比冲与放电电压呈现正相关的关系。随放电电压继续增大(280 V→300 V)，推力由280 V时的1 377 s下降到1 355 s，推力在200～300 V之间存在一个最大值。阳极效率随放电电压的变化趋势与推力器推力、比冲的变化趋势一致。

图9 不同电压下比冲和阳极效率变化曲线Fig.9 Variation curves of specific impulse and anode efficiency under different voltages

图10 不同电压下推功比变化曲线Fig.10 Variation of thrust to power ratio under different voltages

4.2 低频振荡特性

霍尔推力器在放电过程中会存在固有的低频振荡[19]现象，低频振荡的存在会使推力器的性能下降，可靠性降低，严重时会导致推力器熄弧，研究推力器低频振荡现象对推力器的设计具有重要的指导意义。文献[19]采用“捕食模型”和“吸效振荡”对低频振荡的机理进行描述，其根本原因都是中性原子周期性的消耗和补充，引起的电离不稳定性。放电电压、磁感应强度、磁场位形、工质种类和流量、电源系统、阴极等放电参数都对霍尔推力器的低频振荡效应有一定的影响，其中离子和原子守恒方程为：

(5)

(6)

式中：ni、no分别为离子和原子数密度；Vi、Vo分别为离子和原子速度；σi为电离截面；Ve为电子速度；L为轴向电离长度；t为时间。其中：

(7)

式中：ni,o，no,o分别为未电离状态下离子和原子数密度；ε为介电常数。

式(7)与式(5)(6)联立可以得到：

(8)

由式(8)可以推出放电电流振荡频率呈现无阻尼谐波振荡伴随振荡频率fi如下：

(9)

由式(9)可以看出推力器放电过程放电电流振荡与电离区长度、放电通道内离子和中性原子的速度有关，振荡频率的变化也反映了轴向电离长度的变化，与推力器内部电离机制密切相关。

图11所示为阳极流率1.0 mg/s、阴极流率0.1 mg/s ，励磁电流2.4 A工况下阳极电流和阳极电压随时间变化曲线。放电电流平均值约1.0 A，电压和电流均呈现随时间振荡特性，对放电电压和电流波形进行傅里叶变换，得到电压和电流振幅随频率变化的曲线，如图12所示。由图12可以看出放电电压和电流主振荡频率在4.05 kHz左右。

图11 阳极电压和阳极电流随时间变化曲线Fig.11 Anode voltage and anode current curves as a function of time

图12 电压和电流频率-振幅Fig.12 Frequency-amplitude diagrams of voltage and current

4.3 羽流特性

羽流等离子是霍尔推力器内部工质电离、加速的外在体现。探究束流等离子体分布特性，一方面有利于获悉推力器离子能量损失机理、工质利用率等特性，改善和提升推力器性能，另一方面获悉推力器空间羽流分布，对推力器空间在轨应用和羽流效应防护提供宝贵的地面实验数据支持，为推力器数值模型提供有效的边界条件输入。

LHT40霍尔推力器束流离子电流密度测量时，推力器出口平面距离束流发散角测量装置探针阵列前端面的距离为700 mm。试验过程中分别测试了阳极流率0.65～0.95 mg/s(间隔0.1 mg/s)下的离子电流密度，分布云图如图13所示。推力器在各工况下工作真空度(氙气负载)始终优于2.0×10-3Pa。

从图13可以看出，推力器随阳极流率从0.65 mg/s增大到0.95 mg/s的过程中，推力器轴线处离子电流密度中心呈现增大趋势，其中推力器中心束流密度最大值从0.158 mA/cm2增到0.189 mA/cm2，最大离子电流密度增加19.6%。当阳极质量流量增大到0.95 mg/s，推力器中心轴线位置处电流小于相邻探针的电流值，即电流密度测量结果呈现“双峰”结构。分析主要原因为：随质量流率增加，推力器内部电离作用增强，推力器工作模式聚焦型增强，对等离子定向作用增强，束流聚焦性增强。从图13还可以看出同一阳极质量流率下，推力器轴线处(离子电流中心处)离子电流密度最大，偏离推力器轴线束流密度逐渐减小(沿径向逐渐减小)，说明推力器束流等离子呈现双极扩散的性质。

图13 不同阳极流率下束流密度分布云图Fig.13 The map of thruster beam density distribution under different anode mass flow rates

电离过程可以用原子和离子沿放电通道轴向的一维稳态连续性方程表示：

(10)

式中：ne(z)为通道轴向电子数密度；βiz(z)为电离速率系数；z为推力器中轴线距离。

根据式(3)获得LHT40霍尔推力器在阳极电压为290 V、励磁电流为2.4 A，阳极流量为0.65～0.95 mg/s条件下的束流发散角，试验结果见图14。由图14可以看出，随阳极质量流率增加，束流发散角呈现逐渐减小的趋势。当阳极流率0.65 mg/s时发散角为33.1°，当质量流率增大至0.95 mg/s时发散角为29.2°，减小3.9°(约11.7%)。分析主要的原因为：由于推力器采用混合励磁模式供电(配电网络见图5)，主放电回路与励磁回路并联。当阳极质量流率增大，推力器放电通道内部工质电离率增大，离子电流增大，导致放电电流增大，放电电流增大的部分串入励磁回路，激发励磁线圈诱导磁场强度增大，进一步导致放电通道引起电磁场强度增大，对离子聚焦性增强，更多的离子汇聚推力器轴线，推力器偏离轴线离子损失减小，束流发散角减小。推力器的工质利用率为：

图14 不同阳极流率下束流发散角和质量利用效率变化Fig.14 Variation of beam divergence angle and mass utilization efficiency under different anode flow rates

(11)

式中：m为原子质量；Ii为离子电流。

工质利用率是衡量电离效果的重要指标，其中阳极质量流率是工质的来源。工质利用效率代表从阳极注入中性氙原子经放电通道电场和磁场电离加速喷出后转化成离子的比率，对推力器推力形成具有重要的贡献，其表达式见式(11)。从图14可以看出，随着阳极质量流率增大，工质利用率逐渐增大，最大达到0.89(阳极流率0.95 mg/s时)。分析主要原因为，随阳极质量流率增大过程中，中性氙原子在放电通道中与原初电子碰撞导致电离率增大，引起放电电流增大。由于推力器采用混合励磁供电模式，进一步导致放电通道磁场强度增大，对原初电子做霍尔漂移约束增大，电子的停驻时间延长，最终导致电离率增大，质量利用效率不断提高。

5 结论

通过研究，可得到如下结论：

1)LHT40霍尔推力器在特定工况下可以满足推力器12 mN、比冲1 200 s的指标要求，满足型号任务的需求。放电电压从200 V增至280 V，推力随放电电压的增大而增大，由8.8 mN增大到12.8 mN，推力增大约45%。推力增大主要由于电场强度增加，对离子加速增强。阳极电压继续增大，推力由280 V时的12.8 mN下降到12.5 mN，推力在200～300 V存在一个最大值。

2)推力器放电电流、放电电压呈现无阻尼谐波振荡特性，其一阶频率基本一致，大约4.05 kHz。

3)阳极流率从0.65 mg/s增大到0.95 mg/s过程中，推力器中心轴线束流密度最大值逐渐增大，当阳极流率达到0.95 mg/s，等离子体膨胀呈现典型的双峰结构，表现双极扩散的性质。特定混合励磁模式供电下，阳极流率从0.65 mg/s增大到0.95 mg/s过程中，质量利用效率逐渐增大，与质量流率呈现正相关的特性。