LIPS-100电推进高精度宽范围连续可调电源测试验证

2022-02-12王成飞杨福全孙明明张兴民施凯敏

真空与低温 2022年1期

王成飞，杨福全，赵勇，孙明明，张兴民，施凯敏

（1.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；2.深圳航天新源科技有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

作为电推进系统的核心单机，电推进电源技术的发展对电推进系统有着决定性作用。典型的离子电推进电源由屏栅电源、加速电源、阳极电源、阴极加热电源、主阴极触持电源、阴极点火电源、中和器加热电源、中和器触持电源以及中和器点火电源组成。部分多工作点和连续可调电推进中还须采用励磁电源对推力器工作磁场进行调节，实现推力连续可调功能。其中屏栅电源为1 000 V以上的高压电源与阳极电源构成电推进电源输出功率的主要电源，占整个电源输出功率的90%以上。典型的霍尔电推进电源包括阳极电源、励磁电源、中和器加热电源、中和器触持电源及中和器点火电源，其中阳极电源为300 V以上的高压电源，输出功率占整个系统功率的90%以上。经过几十年的发展，电推进电源满足了从推力器单一工作点转变为连续可调工作点的发展需求，为从LEO到深空探测等不同类型的空间任务提供了重要的技术保障。

在连续可调电推进领域，国外典型的ESA海洋环流和地球重力场探测卫星GOCE均选用英国Qintiq公司的T5离子电推进进行阻力补偿，为重力梯度仪提供无拖曳飞行环境。T5离子推力器的推力范围为1～20 mN，推力分辨率优于12 μN，最大响应速度为2.5 mN/s，推力噪声优于1.2 mN/＠1 mHz或0.012 mN/＠100 Hz，比冲为300～3 500 s[1-2]。作为GOCE卫星电推进备选方案，德国的RIT-10电推进系统推力范围为1～41 mN，推力分辨率达20 μN[3-5]。日本SLATS任务中为实现精确的轨道高度控制，采用的推力为10～28 mN，比冲为2 000～2 500 s[6]。电源处理与控制单元PPCU的性能指标直接关系到电推进系统指标的实现。基于单机技术要求的指标体系及测试评价方法，是目前针对该类离子电推进研究的热点之一。

针对我国低轨卫星无拖曳任务及轨道位置对高精度宽范围连续可调离子电推进系统的需求，兰州空间技术物理研究所开展了LIPS-100离子电推进系统的研制。本文将结合推力器试验数据和理论分析，研究建立PPCU指标体系及测试评价方法，并对结果进行分析，以评估方法、有效性和最终指标的符合性为目标。

1 关键指标体系建立

LIPS-100离子推力器配套的PPCU主要为离子推力器提供运行所需的10路电源、推力器监测功能，并通过通信接口与星载计算机实现信息交互。相较于LIPS-200单点和LIPS-300多模离子推力器采用的永磁铁环尖场方案，为实现推力的宽范围精细调节，LIPS-100离子推力器采用了螺线管电磁铁发散场方案。通过阳极推进剂流率、放电磁场和电场三个决定离子推力器放电室中气体放电强弱和等离子密度大小的因素，确定了大推力比、高精度、高分辨率的推力调节[6-8]。任务要求推力范围为1～20.0 mN，推力分辨率优于15 μN。综合考虑电源设计复杂度和推力调节方案的优化，兼顾比冲指标，最终选定阳极流量、阳极电流、励磁电流作为控制参数，通过阳极流量、阳极电流的开环控制实现推力的宽范围调节，通过励磁电流的闭环控制实现对推力的精细调节。其中阳极电流和励磁电流由PPCU供电参数决定，其精度和调节范围对推力指标的实现有着十分重要的影响。

离子推力器的推力计算式为[9]：

式中：k为推力计算系数，由二价离子比例和束流发散角决定，通常取1.57；Vb为屏栅电压，取1 200.00 V；Ib为屏栅电流。

对式（1）微分可得：

式中：p为屏栅电流相对分辨率；q为屏栅电压相对分辨率；令dT=15 μN，T=20 mN可得到满足推力分辨率需求时的屏栅电压、电流的最小相对分辨率为p=q=0.5%。

根据推力器试验结果，励磁电流Im不变时，阳极电流IA与屏栅电流Ib成比例关系，即：

根据式（1）可计算出1～20 mN对应的屏栅电流为18.0～367.0 mA，代入式（3）可得阳极电流范围。对式（3）求偏导，结合式（1）可得推力变化15 μN时阳极电流的分辨率。

阳极电流IA不变时，励磁电流Im与屏栅电流Ib成二次方关系，即：

励磁电流的范围与分辨率计算与阳极电流相同。利用地面电源试验数据，得出式（3）中的kba，式（4）中a、b、c。最终确定PPCU屏栅电源、阳极电源、励磁电源的指标要求如表1所列。

表1 PPCU高精度电源指标要求Tab.1 The requirements of PPCU high-precision power

2 PPCU验证方法

PPCU对LIPS-100离子推力器的供电电源可分为三类：稳压源、稳流源和脉冲电源[10-12]。其中稳压源中的屏栅电源、稳流源中的阳极电源、励磁电源对推力的宽范围调节和高推力精度的实现至关重要。除常规测试项目外[13-14]，考虑到推力调节速度和精度的要求，须对其动态响应时间、输出精度和采集精度等进行专项测试，设计的PPCU测试验证流程为：

（1）采用等效电阻负载或电子负载对PPCU各电源模块进行评价，验证输出精度、采集精度等指标的满足性；

（2）模拟推力器工作方式，验证PPCU各电源之间的耦合特性；

（3）与推力器联试，验证PPCU与实际离子电推进工作的匹配性及最终指标的满足性。

PPCU流程如图1所示。PPCU常规项测试沿用电源常规测试方法，关键指标中的屏栅电源、励磁电源、阳极电源重点项测试方法为[15]：

（1）屏栅电源接高精度电子负载，采用VITREK4700高精度电压表测试输出电源，利用电子负载获取输出电流，依据设定输出、实际输出和采集值得到输出精度和采集精度；

（2）阳极电源和励磁电源接高精度电阻负载，采用KEITHLEY DMM6500高精度万用表测试它们的输出电流和电压；设置输出为1～20.0 mN对应工况点参数，评估它们的宽范围调节能力；在每个工况点处按照最小调节步长调节输出，测试输出分辨率；依据设定输出、实际输出和采集值得到输出精度和采集精度。

图1 PPCU测试验证流程Fig.1 The test and validation diagram of PPCU

3 结果及分析

按照流程建立PPCU指标体系，验证设计方案，最终通过PPCU与推力器的联试验证指标的符合性。试验在兰州空间技术物理研究所的TS-6S电推进试验真空设备中进行，设备真空室直径为1.5 m，长度为4 m；主泵为2台外置式氮气抽速为1×104L/s的低温泵和2台内置式氙气抽速为1.49×104L/s的低温泵，设备注入10 cm2/min流量的氙气，可获得低于1×10-3Pa的压力；供气设备采用TS-6S专用供气柜，可提供精度为0.4%读数+0.2%满量程的阳极流量及0.8%读数+0.2%满量程的中和器和阴极流量。

不同的负载下PPCU高精度电源的部分测试点输出情况如表2所列。其中屏栅电源在负载为15.1 mA、390 mA时可实现电压的稳定输出，电压、电流稳定度在0.1%；阳极电源输出可实现0.100 0 A、1.000 A、3.000 A，大范围输出，各个测试点的电流分辨率优于1.0 mA，输出励磁电源可实现0.015 0 A、0.500 0 A、1.000 0 A范围输出，分辨率优于0.5 mA。

表2 PPCU与模拟负载联试结果Tab.2 The results of test PPCU with load simulator

不同工况点阳极电流、励磁电流与推力的对应关系如图2所示，整个调节过程中中和器触持电流、主阴极触持电流、屏栅电压、加速电压保持恒定。从图2（a）（b）可以看出，PPCU在各工况点与推力器匹配良好，阳极电流、励磁电流可实现1.0～20.0 mN工况点的大范围调节。

图2 不同工况点推力调节结果Fig.2 The result of thrust adjustment at different operating points

图2（b）为在1.0～20.0 mN调节推力，当推力变化较大时，存在“下凹”情况，主要原因是推力从小到大调节时，须先调节阳极流量，再调节阳极电流到推力对应值，最后通过励磁电流进行精细调节，当阳极流量增大，未调节电参数时，放电室中的离子比例降低，引出束流减小，推力减小，从图2（d）阳极电压的变化中也可以证明该现象。当将阳极电流、励磁电流调节到位时，阳极电压恢复至期望值。图2（c）表明，调节时中和器触持电流、主阴极触电流保持恒定，而图2（d）中电压随着推力的增大而减小，表明调节过程中中和器和主阴极中的等离子体负载随着阳极流量的增大而减小。

图3（a）为20.0 mN工况点处阳极电流不变，励磁电流按照0.50 mA分辨率调节结果，图3（b）为对应的推力变化情况。在20.0 mN工况点增大励磁电流时，推力呈先减小后增大趋势。离子推力器采用氙工质的最大离子束电流密度J计算公式为：

图3 励磁电流和阳极电流分辨率测试结果Fig.3 The results of magnet current and anode current resolution

式中：VT为屏栅极和加速栅极电压绝对值之和；lg为热态栅间距；ts为栅极厚度；ds为栅极小孔直径。

20.0 mN工况点为推力器发热量最大的点，调节励磁电流时推力器未达到热平衡，导致栅间距lg逐渐增大，使离子束电流密度降低，进而使推力减小；随着励磁电流的增大，推力器内部磁场变强，工质利用率增大，逐渐抵消栅极距变化的影响，推力随之增大。

图3（c）为20.0 mN工况点处阳极电流不变，励磁电流按照0.50 mA分辨率调节结果，图3（d）为对应的推力变化情况。对比阳极电流和励磁电流测试结果：励磁电流设定值与采集值吻合良好，阳极电流设定值与采集值存在固定差值，主要原因是阳极电源采集电路介入等离子体负载时受到干扰影响，导致设定值与采集值存在固定差值；而励磁电源负载为阻性负载，不存在该现象。

表3为不同工况点阳极电流和励磁电流分辨率计算结果。采用式（5）计算分辨率Re：

式中：m为测量次数；N为每次测量的数据长度；Ai为测量值；mmedium为m次结果的中位数。

计算结果表明：阳极电流分辨率可达1.0 mA，励磁电流分辨率可达0.50 mA。在1～20.0 mN各工况点处，通过阳极电流、励磁电流的调节可使推力分辨率优于15 μN。

表3 不同推力设定值下PPCU阳极电流和励磁电流分辨率测试结果Tab.3 The results of PPCU anode current and magnet current resolution at different thrust settings

综合上述分析，PPCU关键电源指标——屏栅电压实测输出为1 200.76～1 201.35 V，稳定度和准确度优于0.1%，带载能力覆盖1.0～20.0 mN（束电流18.0～367.0 mA）需求；阳极电流可实现0.100 0～3.000 A，分辨率为1.0 mA的调节要求；励磁电流可实现0.015 0～1.000 0 A，分辨率为0.5 mA高精度宽范围调节。试验验证结果显示，指标体系的建立与电源的设计方案能够满足任务需求。