空心阴极与霍尔推力器放电振荡关系实验研究①

谢 侃，衣晓龙，梁福文，田 丰，苗 龙，王宁飞

(北京理工大学 宇航学院，北京 100081)

0 引言

霍尔推力器作为一种应用较为成熟的电推力器，广泛应用于航天器的位置保持、轨道转移以及姿态调整。其中，小功率霍尔推力器以其推功比大、系统简单可靠、体积小等优势在低轨互联网卫星以及小型化卫星平台等领域展现出较大的竞争力，成为研究的热点。

空心阴极作为霍尔推力器的重要部件，主要用于产生电子电离气体工质，以及中和从霍尔推力器放电通道出口喷出的羽流，使其保持电中性。空心阴极与霍尔推力器之间的耦合一直是研究热点问题，TILLEY等在1999年对这一问题进行了研究，针对空心阴极放电与霍尔推力器等离子体之间的耦合，从空心阴极的位置、安装角度、质量流量等方面研究了优化推力器性能的方法，得到了提高推力器性能的空心阴极最佳位置和工况。SOMMERVILLE等的实验研究发现，阴极耦合电压与推力器性能受空心阴极径向和轴向位置以及磁场强度影响，当空心阴极位于霍尔推力器磁场的磁分界面以内时，推力器性能更优。丁永杰等通过采用“凸形”外磁极结构，研究了空心阴极与磁分界面的位置关系对霍尔推力器性能的影响，得到了相似的结果。HOFER、MCDONALD等研究了内置和外置的空心阴极对霍尔推力器性能的影响，发现内置的空心阴极有利于改善空心阴极羽流和霍尔推力器放电之间的耦合，在减小羽流发散的同时增强羽流的对称性，提高推力器的效率。KAMHAWI等研究了空心阴极流量百分比和位置对大功率霍尔推力器性能的影响，研究发现，当空心阴极处于额定状态时，降低和增加阴极流量百分比均会导致放电电流振荡略有增加。WALKER等在研究空心阴极位置对霍尔推力器放电的影响过程中发现，径向方向增大空心阴极与霍尔推力器轴线之间的距离，可以降低放电电流振荡频率。

总体来讲，此前对空心阴极与霍尔推力器的耦合研究主要包括以下几个方面：(1)空心阴极安装位置对霍尔推力器性能的影响；(2)空心阴极的工作参数(包括工质流量、放电电流、加热电流等)对霍尔推力器性能的影响；(3)空心阴极与霍尔推力器磁场的相对位置对霍尔推力器性能的影响；(4)空心阴极的工作参数对耦合电压的影响；(5)空心阴极等离子体桥区与霍尔推力器放电耦合的相关研究。

以上研究大多是关于稳态方面的耦合和中高功率霍尔推力器的研究，对小功率霍尔推力器的研究以及在空心阴极与小功率霍尔推力器放电振荡方面的耦合研究不足。霍尔推力器在工作中出现的放电振荡现象不仅会影响霍尔推力器的性能和寿命，而且会对霍尔推力器的电源处理单元以及推力器在卫星上的实际应用造成影响，如对电源的设计造成限制、高频或超高频振荡引起的电磁干扰影响卫星或深空探测器的通讯等。目前，哈尔滨工业大学、斯坦福大学、东京大学、密西根大学、波兰大学等科研机构，已经发现了不同类型的振荡现象，包括低频振荡、高频振荡以及耦合振荡等。通过振荡理论模型的建立、仿真模拟以及推力器等离子体羽流的诊断，研究放电振荡产生的原因、影响振荡的因素、振荡对推力器性能的影响以及抑制振荡的方法。但在上述研究中，一般认为空心阴极是稳定的，很少考虑空心阴极放电振荡带来的影响。单独空心阴极的放电也存在振荡现象，主要有电源因素的低频振荡、电离不稳定振荡以及高频振荡。在空心阴极振荡的研究中，主要考察的是平板型或圆筒型阳极，对实际霍尔推力器阳极的影响及相互耦合关系研究较少。而空心阴极振荡的影响可能是造成霍尔推力器阳极振荡的重要因素之一。

本文以小功率霍尔推力器为研究对象，在不同阳极流量和两种放电通道的磁感应强度下进行了变工况实验，采用快速傅里叶变换对空心阴极、阳极放电特性及特征频率进行分析，通过对单独空心阴极放电振荡实验以及空心阴极-霍尔推力器阳极耦合放电实验对比，研究了空心阴极与霍尔推力器的放电振荡耦合。

1 实验系统及测量方法

1.1 霍尔推力器与空心阴极

实验中使用了100 W功率量级的小功率霍尔推力器，其外径为90 mm。小功率霍尔推力器结构尺寸小，安装空间有限，电磁线圈发热会使热通量较大，可能导致绝缘失效等问题。因此，实验中采用了两套永磁体来产生所需的磁场。图1展示了放电通道在两套永磁体下的径向磁场结构，由特斯拉计测量数据点后绘图得出。图2为放电通道中心线的径向磁感应强度。从图2中可以看出，磁场具有凸向阳极的结构，且磁感应强度从阳极到放电通道出口呈正梯度。最大磁感应强度位置在放电通道出口处，符合霍尔推力器磁场设计的一般准则。两种磁场在下文中分别称为磁场(a)和磁场(b)，其基本的结构大致相同，不同之处在于放电通道中心线的径向磁感应强度。磁场(a)的放电通道中心线最大径向磁感应强度为526.4 G，磁场(b)的放电通道中心线最大径向磁感应强度为625.2 G。

1.2 真空系统

实验中使用的真空舱为圆柱形，舱体的材料为不锈钢，直径为1.8 m，包含舱门部分及抽气管道后长度为4 m。真空舱配有2台机械泵、1台罗茨泵以及1台油扩散泵。通入氙气时，真空舱内的真空度在10Pa量级，并保持动态平衡。真空泵组与舱体在同一个实验间，由PLC编程的控制柜控制。泵组由室外的冷却水塔进行冷却。

1.3 实验内容和测量设备

本文主要研究空心阴极与霍尔推力器之间的放电振荡关系，为此设计了两个实验，即空心阴极单独工作实验和空心阴极与霍尔推力器联合工作的实验。两个实验共用一套真空系统。

空心阴极与霍尔推力器在工作过程中都存在不稳定现象，为研究它们之间的关系，设计了空心阴极单独实验，在没有霍尔推力器的条件下，观察空心阴极的放电振荡特性，以作为霍尔推力器和空心阴极联合工作实验的对照。实验装置的示意图如图3所示。

图1 磁场构型Fig.1 Magnetic field configuration

图2 放电通道中心轴线的径向磁感应强度Fig.2 Radial magnetic induction of center axis of discharge channel

图3 空心阴极单独实验结构图Fig.3 Schematic diagram of separate experiment of hollow cathode

在空心阴极工作过程中，使用金属平板作为阳极。金属平板阳极的形状为圆形，直径为21 cm，由不锈钢切割而成。空心阴极触持极顶部与阳极板之间的距离为5 cm。实验中，阳极电流变化范围为0.5～1.5 A，调节步长为0.1 A。利用示波器实时监测触持电流。

图4是空心阴极与霍尔推力器联合实验的实验装置示意图。图4中，霍尔推力器以截面图的形式表示。空心阴极放置在其轴线与霍尔推力器轴线垂直的位置，触持与霍尔推力器轴线之间的距离是5 cm，空心阴极轴线与霍尔推力器出口平面之间的距离是2 cm。实验中，保持空心阴极与霍尔推力器相对位置不变，固定空心阴极的流量，在改变阳极流量和阳极电流的同时，利用示波器以及电压、电流探头实时监测和记录空心阴极的触持电压、触持电流以及霍尔推力器的阳极电压、阳极电流。霍尔推力器阳极流量变化范围为4～12 sccm，调节步长为1 sccm。在每个阳极流量下，阳极电流从0.5 A，以0.1 A为步长，最大增加到1.5 A。在不同的阳极流量之下，霍尔推力器正常工作能达到的最大阳极电流不同，故不同阳极流量下所能调整的阳极电流最大值也不同。

图4 空心阴极与霍尔推力器联合实验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of joint experimental device of hollow cathode and Hall thruster

在空心阴极单独实验以及空心阴极与霍尔推力器联合实验中，空心阴极和霍尔推力器均采用高纯度氙气(纯度为99.999%)作为工质，其流量由热式流量计控制。同时，空心阴极工作时，触持均保持打开，且恒流1.5 A供电，以避免由于工况的转换而导致发射电流过小造成阴极熄火现象的出现，空心阴极流量均设置为6 sccm。

2 结果与讨论

2.1 空心阴极单独实验结果

图5展示了空心阴极单独实验中在不同的阳极电流下触持电流去掉其平均值后快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform-FFT)的结果。图5中，为阳极电流值。可以看出，当阳极电流从0.5 A增加到1.2 A时，振荡幅度首先呈增大的趋势，当阳极电流达到1.2 A时，振荡幅度有所降低，但整个过程振荡频率仅有小幅度增长。这表明当阳极电流发生变化时，金属平板的存在对空心阴极的触持电流振荡频率没有显著影响。

(a)Ia=0.5 A (b)Ia=0.7 A

(c)Ia=0.9 A (d)Ia=1.0 A

(e)Ia=1.1 A (f)Ia=1.2 A图5 空心阴极单独实验结果Fig.5 Separate experiment results of hollow cathode

2.2 空心阴极与霍尔推力器联合工作结果

图6为空心阴极与霍尔推力器联合实验中，不同磁场和阳极电流条件下霍尔推力器阳极电流和电压之间的关系。图6中，实线表示磁场(a)下的结果，虚线表示磁场(b)下的结果。曲线的不同符号代表不同的阳极流量。从图6中可以得到，在每一个工况下，霍尔推力器的电压随着电流的增大而增大，但随着阳极流量的增大，电压随着电流增大的速率逐渐减缓。当阳极电流相同时，霍尔推力器的阳极流量越大，对应的放电电压越小，说明适当增大阳极流量，可以有效降低霍尔推力器的放电功率。当卫星上为推力器预留的功率有限时，增大流量不失为一种有效降低功率的方法，但这也增加了工质的成本。另外，在相同的阳极流量和阳极电流下，放电通道中心线最大径向磁感应强度越大，放电电压越大。

图6 电压-电流曲线Fig.6 Voltage-current curves

磁场的磁感应强度的增加提高了对电子的约束作用，同时也提高了霍尔推力器正常工作所需要达到的电压。

图7和图8展示了两种磁场下阳极电流振荡和触持电流振荡的比较。图7为磁场(a)下的结果，图8为磁场(b)下的结果。此时霍尔推力器的阳极流量为9 sccm，阳极电流分别为0.5、0.7、0.9、1.0、1.1、1.2 A，在图中用表示。空心阴极触持打开且电流设置为1.5 A，空心阴极的流量为6 sccm。

图7 磁场(a)下阳极电流与触持电流FFT结果对比Fig.7 Comparison of FFT results of anode current and keeper current under magnetic field (a)

图8 磁场(b)下阳极电流与触持电流FFT结果对比Fig.8 Comparison of FFT results of anode current and keeper current for magnetic field (b)

从图7和图8中触持电流振荡和霍尔推力器阳极电流振荡的纵向比较可看出，空心阴极触持电流振荡和霍尔推力器阳极电流振荡是同步的。随着阳极电流增大，触持电流振荡和霍尔推力器阳极电流振荡在幅值和频率上呈现相同趋势，两者具有相同的放电振荡频谱。阳极电流增大到临界值时，空心阴极触持电流和霍尔推力器阳极电流的振荡频谱发生突变。

图9和图10是霍尔推力器在两种磁场下阳极电流和空心阴极触持电流的横向比较。从图9(a)和图10(a)阳极电流的实验结果中可以发现，当阳极电流从0.5 A开始增大时，其振荡幅度开始增大，当阳极电流为0.9 A时，振荡幅度达到最大值。然后，随着阳极电流增大而减小。但在整个阳极电流增大的过程中，振荡的主频始终保持逐渐升高的趋势。同时，图9(b)和图10(b)触持电流的实验结果中也可以发现同样的变化，随着阳极电流的增大，触持电流振荡幅度增大，振荡的主频逐渐升高，当阳极电流增大到一定程度时，振荡的幅度开始下降，而振荡的频率向高频的方向扩展。另外，从图9和图10中可以发现，当阳极电流为0.9 A和1.0 A时，阳极电流的振荡主频率数量有所增加，而当阳极电流继续增大时，增加的主频率消失。在触持电流的结果中，同样发现了主频率增加后随着阳极电流的增大而消失的现象。

(a)Anode current (b)Keeper current图9 磁场构型(a)下阳极电流和触持电流FFT结果Fig.9 FFT results of anode current and keeper current under magnetic field configuration (a)

(a)Anode current (b)Keeper current图10 磁场(b)下阳极电流和触持电流FFT结果Fig.10 FFT results of anode current and keeper current under magnetic field configuration (b)

图11为空心阴极单独实验和空心阴极与霍尔推力器联合实验条件下空心阴极触持电流振荡主频率的比较。从图11中可看出，空心阴极单独实验时，触持电流振荡的两个主频率虽然随电流的增大呈增加的趋势，但增加很小，与空心阴极与霍尔推力器联合实验的结果相比，单独实验结果曲线已经接近水平线，增幅可以忽略。因此，通过实验结果的比较可以得到，当金属平板作为空心阴极的阳极时，随着阳极电流的增加，空心阴极触持电流振荡频率变化幅度非常小。而当空心阴极与霍尔推力器联合工作时，随着阳极电流的增加，空心阴极触持电流与霍尔推力器阳极电流的振荡频率持续向更高的频率扩展，且频率变化较大。当霍尔推力器的阳极电流超过临界值时，与单独空心阴极的固有振荡频谱对比，空心阴极的放电振荡频谱发生了变化，表明阳极又可反过来影响空心阴极的放电振荡，两者的放电振荡相互耦合。

图11 触持电流振荡主频率比较Fig.11 Comparison of main frequency of keeper current oscillation

3 结论

(1)在相同的磁场下，随着霍尔推力器阳极工质流量的增加，阳极电压随阳极电流上升的速率降低。当霍尔推力器工质流量和阳极电流相同时，放电通道中心线最大径向磁感应强度越高，对应的阳极电压越高。

(2)在实验过程中，随着霍尔推力器阳极电流的增大，空心阴极触持振荡和霍尔推力器阳极振荡同步变化，振荡频率升高，振荡幅度先升高、后降低。

(3)空心阴极触持的振荡与霍尔推力器的振荡可相互耦合。在阳极电流增大的过程中，以金属平板作为阳极时，空心阴极触持电流的振荡频率并未发生明显的改变，而与霍尔推力器联合工作时，其振荡频率向更高的频率扩展。在阳极电流增大的过程中，存在一个临界电流，当霍尔推力器的阳极电流达到临界电流时，空心阴极与霍尔推力器的振荡模式都会发生改变。