韓羅峰，朱康武，黃文斌，于學(xué)文，張辰乙，魯 超，劉 通，李 航，黃 靜

（上海航天控制技術(shù)研究所 上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108）

0 引言

高比沖離子推力器能夠顯著減輕微納衛(wèi)星的質(zhì)量，提供傳統(tǒng)推進(jìn)方式無(wú)法提供的軌控能力[1]。微納衛(wèi)星受供電能力的限制，要求電推進(jìn)系統(tǒng)具有較小的功耗與較高的效率[2]，同時(shí)要求推進(jìn)系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，盡量減小質(zhì)量與體積以提高適裝性。

針對(duì)50 kg及以下微納衛(wèi)星的的升軌、離軌、編隊(duì)控制、軌道維持等軌道控制任務(wù)，國(guó)內(nèi)外的研究院所、高校與企業(yè)開(kāi)展了大量的研究工作，研制了多種工作機(jī)制的電推進(jìn)系統(tǒng)。上?？臻g推進(jìn)研究所、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所開(kāi)展了電噴與場(chǎng)發(fā)射電推力器技術(shù)研究[3-4]，但受限于發(fā)射針的壽命，目前距離工程應(yīng)用還有一定距離。微陰弧[5-6]與脈沖等離子推力器[7]具有功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但由于工作原理的限制，存在著壽命較短、電磁脈沖干擾與總沖較小的問(wèn)題?；魻柾七M(jìn)系統(tǒng)雖然具有較高的推功比[8]，但由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)等離子體電離與加速過(guò)程的分離，并且對(duì)于較小的陶瓷通道電離效率較低，因而很難用于功耗50 W以下的應(yīng)用場(chǎng)合。離子推進(jìn)由于可以較好地控制放電功率，電離與加速過(guò)程分離，因而容易實(shí)現(xiàn)小功率下的放電與引出。同時(shí)，離子推進(jìn)具有較長(zhǎng)的壽命與點(diǎn)火次數(shù)，對(duì)于50 kg及以下的微納衛(wèi)星，是綜合性能較優(yōu)的一種電推進(jìn)選擇。

法國(guó)TRUSTME公司為商業(yè)衛(wèi)星市場(chǎng)開(kāi)發(fā)了NPT30-I2s碘工質(zhì)離子推力器，最大推力1.1 mN，體積1 U，功耗35～65 W，應(yīng)用在北航空事衛(wèi)星一號(hào)衛(wèi)星上[9]。日本JAXA開(kāi)發(fā)了代號(hào)為μ1的低功率微波離子推力器[10]，在1 W凈微波輸入功率和0.15 cm3/min氙氣流量下，可獲得3.3 mA的引出束流。美國(guó)BUSEK公司研制的BIT-1型射頻離子推力器輸入功耗10 W，輸出推力100 μN(yùn)，比沖2 150 s。

上海航天控制技術(shù)研究所于2015年開(kāi)始研制微波離子推力器，系統(tǒng)解決了微型微波離子推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)[11]、微流量控制技術(shù)[12]、微推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用及推力控制策略[13-14]等技術(shù)難題，成功研制M系列微波離子推進(jìn)系統(tǒng)，推力覆蓋0.1～15 mN。其中，M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)主要應(yīng)用于20～50 kg微納衛(wèi)星。該型產(chǎn)品額定功耗40 W，額定推力0.3 mN，比沖1 200 s，系統(tǒng)質(zhì)量3 kg，總沖4 000 N·s。

首套M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)于2020年9月交付，安裝于太空科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星NEO-1衛(wèi)星上，如圖1所示。2021年4月27日NEO-1衛(wèi)星隨長(zhǎng)六運(yùn)載火箭發(fā)射升空，2021年5月10日點(diǎn)火成功，2021年8月20日在軌成功引出推力，隨后共完成5次在軌推力引出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與地面測(cè)試結(jié)果一致。2021年10月27日，在軌運(yùn)轉(zhuǎn)半年后再一次完成多次重復(fù)點(diǎn)火與推力引出。

1 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)利用微波電子回旋共振的原理實(shí)現(xiàn)高效電離，如圖2所示。其工作過(guò)程為：微波通過(guò)天線(xiàn)輸入放電室內(nèi)，在微波能和磁場(chǎng)作用下，通入的氣體中的少量初始電子以頻率ω=eB/me（B為靜磁場(chǎng)強(qiáng)度；me為電子質(zhì)量；e為電子電量）做回旋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子回旋頻率與微波頻率相等時(shí)，電子與微波共振。此時(shí)，電子最大限度耦合微波能量使氣體放電，產(chǎn)生ECR等離子體，其中的離子在屏柵與加速柵的靜電作用下被加速，產(chǎn)生推力。

圖1 安裝在NEO-1衛(wèi)星上的M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)Fig.1 M2 microwave ion propulsion system installed on NEO-1 satellite

圖2 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of M2 microwave ion propulsion system

推力器有效束流直徑2 cm，配置了雙柵極離子光學(xué)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、操作方便、可大范圍調(diào)節(jié)工作狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，具備0.1～0.5 mN的連續(xù)推力調(diào)節(jié)能力。

全系統(tǒng)由推力器模塊、微波源模塊、電源模塊、控制器模塊與貯供模塊五部分組成，如圖3所示。

圖3 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)Fig.3 M2 microwave ion propulsion system

推力器模塊由1臺(tái)M2型離子推力器（圖4）和2臺(tái)熱子中和器組成。中和器為雙備份熱子陰極。電源模塊將一次母線(xiàn)供電轉(zhuǎn)換為推力器工作所需的各路供電，包含屏柵電源、加速柵電源和陰極電源。微波源為長(zhǎng)壽命固態(tài)微波源，最大輸出功率10 W，用于工質(zhì)電離。貯供模塊將高壓氣瓶中的氙氣減壓，再通過(guò)流量控制模塊調(diào)節(jié)輸出流量，滿(mǎn)足推力器點(diǎn)火與不同工況對(duì)流量的需求。

圖4 M2型離子推力器Fig.4 M2 ion thruster

1.2 工作參數(shù)

M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)的主要工作參數(shù)如表1所列。由于采用微波電離原理，因而無(wú)須提前預(yù)熱，可實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火。根據(jù)任務(wù)需求，通過(guò)調(diào)節(jié)工質(zhì)流量與微波功率，可實(shí)現(xiàn)0.1～0.5 mN的大范圍推力調(diào)節(jié)。推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置有多種工作模式，主要包括額定工況、小推力、高比沖、燒灼、手動(dòng)等。推進(jìn)系統(tǒng)在額定模式下功耗40 W，由于微納衛(wèi)星熱控能力較弱，為保證推進(jìn)系統(tǒng)安全，單次最長(zhǎng)工作時(shí)間設(shè)定為30 min，重復(fù)點(diǎn)火時(shí)間間隔不小于20 min。

表1 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)典型工作參數(shù)Tab.1 Main technical parameter of M2 microwave ion propulsion system

2 M2型離子推力器壽命試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)

為了驗(yàn)證M2型離子推力器的穩(wěn)定性和可靠性，在上海航天控制技術(shù)研究所V1真空試驗(yàn)室內(nèi)，完成了推力器7 000 h長(zhǎng)壽命地面試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖5所示。推力器和微波源放置在真空室中，電源和流量控制單元放置于真空室外，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)推力器性能參數(shù)。V1真空室尺寸為D1.5 m×3 m，壓力低于3×10-3Pa；流量控制單元流量調(diào)節(jié)范圍0.1～1.2 cm3/min，屏柵電源輸出范圍0～1 500 V，加速柵電源輸出為-500～0 V。

圖5 M2型離子推力器壽命試驗(yàn)裝置圖Fig.5 Equipment diagram of life test for M2 ion thruster

壽命試驗(yàn)參數(shù)如表2所列。

表2 M2型離子推力器壽命試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)Tab.2 Setting parameters of life test for M2 ion thruster

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

M2型離子推力器引出束流如圖6所示，整個(gè)試驗(yàn)耗時(shí)18個(gè)月，共完成累計(jì)7 000 h壽命試驗(yàn)，2 000次重復(fù)啟動(dòng)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

圖6 M2型離子推力器引出束流Fig.6 Beam current of M2 ion thruster

如圖7所示，壽命試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，推力器可在6 W微波和0.4 cm3/min流量的工質(zhì)下點(diǎn)火。壽命試驗(yàn)后期，微波啟動(dòng)功率須提高至10 W，氣體流量增加到0.9 cm3/min。

圖7 M2型離子推力器啟動(dòng)工質(zhì)流量和微波功率變化曲線(xiàn)Fig.7 Start-up gas flow and microwave power change diagram of M2 ion thruster

在維持工作氣體流量、微波功率和加速電壓不變的情況下，屏柵電流會(huì)隨工作時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，由初始的5.6 mA降至5.2 mA，如圖8所示。分析發(fā)現(xiàn)，隨工作時(shí)間增長(zhǎng)天線(xiàn)和屏柵表面會(huì)出現(xiàn)鍍層，磁鋼的磁場(chǎng)隨工作時(shí)間退化，在這些因素的綜合作用下，推力器引出能力下降。

圖8 M2型離子推力器屏柵電流變化曲線(xiàn)Fig.8 Screen grid current change diagram of M2 ion thruster

壽命試驗(yàn)后拆解推力器發(fā)現(xiàn)，天線(xiàn)和磁鋼表面有不均勻的由離子濺射產(chǎn)生的多余物沉積的鍍層和顆粒物。受中心區(qū)域電荷交換（CEX）碰撞影響，加速柵中間位置部分孔變形，邊界呈現(xiàn)多邊形；加速柵邊緣孔呈現(xiàn)橢圓形，如圖9所示。壽命試驗(yàn)后，磁鋼、天線(xiàn)、加速柵結(jié)構(gòu)完好，推力器能夠正常啟動(dòng)，雖然性能略有下降，但不影響正常工作。

圖9 壽命試驗(yàn)前后加速柵對(duì)比Fig.9 Acceleration grid comparison before and after life test

3 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)在軌驗(yàn)證

3.1 在軌點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果分析

M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)于2021年5月10日完成重復(fù)點(diǎn)火測(cè)試，一次點(diǎn)火的遙測(cè)結(jié)果如圖10所示。由圖可知，10:22開(kāi)始點(diǎn)火，10:23點(diǎn)火成功，至10:24系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)，完成一次點(diǎn)火試驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程持續(xù)2 min，自動(dòng)程序工作正常。

加速柵加電后，加速柵電流1.90 mA，屏柵電流2.93 mA，根據(jù)判定條件，M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)點(diǎn)火成功。熱子電流6.3 A，中和器電流1.04 mA，中和器工作正常。

圖10（k）和（l）中，壓力2為減壓閥后端中壓壓力傳感器2測(cè)得的壓力，壓力3為節(jié)流閥前端低壓壓力傳感器3測(cè)得的壓力。調(diào)壓過(guò)程中壓力2下降，壓力3上升；調(diào)壓完成后，壓力2上升，壓力3下降，貯供單元工作正常。

圖10 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)點(diǎn)火遙測(cè)數(shù)據(jù)Fig.10 Telemetry data of M2 microwave ion propulsion system for starting up

地面測(cè)試結(jié)果與在軌測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表3所列。微波源供電電流地面測(cè)試值比在軌值大10.7%，電源供電電流地面測(cè)試值比在軌值大6.1%，原因在于地面測(cè)試時(shí)真空室線(xiàn)纜較長(zhǎng)，線(xiàn)纜內(nèi)阻分壓導(dǎo)致電流偏大。中壓壓力傳感器布置在減壓閥后端，在軌壓力下降5.3%，該數(shù)據(jù)與后端負(fù)載和前端氣瓶壓力有關(guān)，遙測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象。其余遙測(cè)參數(shù)誤差均在3.3%范圍內(nèi)。

表3 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)在軌點(diǎn)火測(cè)試結(jié)果與地面測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of on-orbit test and ground data of M2 propulsion system for starting up

3.2 在軌推力引出試驗(yàn)結(jié)果分析

2021年8月20日推進(jìn)系統(tǒng)完成在軌引出試驗(yàn)。遙測(cè)結(jié)果如圖11所示。從曲線(xiàn)可知，從10:44引出試驗(yàn)開(kāi)始，10：46點(diǎn)火成功，同時(shí)引出推力，整個(gè)過(guò)程持續(xù)4 min，自動(dòng)程序工作正常。

屏柵和加速柵加電后，屏柵電流5.85 mA，加速柵電流0.3 mA，根據(jù)判定條件，M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)推力引出成功。中和器發(fā)射電子電流5.55 mA，實(shí)現(xiàn)離子與電子中和。

地面測(cè)試與在軌測(cè)試結(jié)果如表4所列。加速柵電流在軌測(cè)試比地面小0.1 mA，在合理范圍內(nèi)。屏柵電流、中和器電流、加熱電流等參數(shù)誤差均在4.1%范圍內(nèi)。根據(jù)微波源和電源電壓電流反饋值計(jì)算出系統(tǒng)總功耗為40.7 W。

表4 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)在軌推力引出測(cè)試結(jié)果與地面測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Comparison of on-orbit test and ground data of M2 propulsion system for rated work

圖11 M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)推力引出遙測(cè)數(shù)據(jù)Fig.11 Telemetry data of M2 microwave ion propulsion system for rated work

3.3 在軌性能參數(shù)計(jì)算

由于工作時(shí)間較短，未測(cè)出明顯的軌道變化，因而使用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[15]，主要公式如下：

式中：ηm為工質(zhì)利用率，%；Ib為引出電流，mA；q為工質(zhì)流量，cm3/min。

氙氣工質(zhì)下推力器的比沖為：

式中：Isp為比沖，s；Vb為屏柵電壓，V；λ為修正因子。

假設(shè)離子推力器的束流發(fā)散半角為100，2價(jià)離子的占比為10%，則λ=0.958。

使用氙氣作為工質(zhì)的離子推力器的推力T：

經(jīng)數(shù)據(jù)判斷與換算，在軌時(shí)工質(zhì)輸入流量為0.25 cm3/min，屏柵電壓1250 V，引出電流為5.55 mA。由公式計(jì)算可知，M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)在軌推力0.31 mN，比沖1 272 s。

4 結(jié)論

（1）M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)采用微波電離原理，解決了離子推進(jìn)系統(tǒng)小型化的問(wèn)題，具有推力連續(xù)可調(diào)、模塊化、啟動(dòng)快的優(yōu)點(diǎn)，適用于20～50 kg級(jí)微納衛(wèi)星的軌道維持與軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)；

（2）完成了M2型離子推力器7 000 h壽命試驗(yàn)和2 000次重啟試驗(yàn)，證明具有長(zhǎng)壽命與高可靠性能；

（3）M2型微波離子推進(jìn)系統(tǒng)在軌點(diǎn)火并引出推力，推力0.31 mN，比沖1 272 s，各模塊功能正常，遙測(cè)結(jié)果與地面數(shù)據(jù)一致。