2018, Vol. 39
当前，国际上已把霍尔电推进系统作为卫星南北位置保持、轨道转移、星际航行等的标准电推进装置[1, 2]。相对于离子推力器，霍尔推力器可以摆脱空间电荷的限制，能够实现更高的推力密度[3]。因此，使用霍尔推力器不仅在能源供给时可以减少系统的体积和重量，而且同化学推进系统相比，还可以减少所需携带的推进剂的质量，提高卫星的实际有效载荷，降低发射费用[4]。SPT-100霍尔电推进系统已按照美国标准完成了鉴定，现在已作为电推进系统在俄罗斯、美国和欧洲实现了空间应用[5]。兰州空间技术物理研究所研制的LHT-100霍尔推力器口径100mm，具有较高的推力效率（~50%）、推力83mN、比冲可达1600s[6]，LHT-100霍尔电推进系统可以广泛应用于地球同步轨道卫星的南北位置保持、东西位置保持及轨道转移，并在低轨道大型航天器轨道维持应用及深空探测主推进应用领域前景广阔。
LHT-100霍尔推力器属于稳态等离子体推力器，属于静电推力器类型，具有高可靠、长寿命和性能优异的优点[7]，其它优势包括中和器阴极冷备份、在适当电压（300V）条件下的最佳比冲和效率。国际上对霍尔推力器的基本原理、工作性能和与航天器相互作用等进行了详细研究[8~14]，Arhipov B A等[15]对SPT-100霍尔推力器在额定放电功率1350W（Id= 4.5A，Ud=300V）和更高功率即3015W（Id=6.7A，Ud= 450V）/3kW（Id=5.0A，Ud=600V）情况下开展了热平衡试验，获得了SPT-100霍尔推力器点火工作6h过程中外磁极、外磁屏、推力器安装法兰、阴极体和后罩盖处的温升规律。David Manzella和David Jacobson针对SPT-100霍尔推力器进行了低功率实验研究[16]，阳极电压范围为100~150V，在此阳极电压范围内，放电效率随着放电电压的降低而显著减小。俄罗斯Fakel和美国SS/L对SPT-100霍尔推力器开展了热真空环境测试鉴定[17]，法国SNECMA公司在1999年基于西方标准首次对PPS-1350霍尔推力器进行了鉴定[18]。Hobbs和Wesson针对一维平板绝缘壁面鞘层的研究表明二次电子发射会降低鞘层电势降[19]，从而降低鞘层的绝热特性。国内对LHT-100霍尔推力器宽功率范围工作性能[7]、热特性和热真空环境实验研究[20]、霍尔推力器等离子体鞘层理论及放电震荡抑制[21, 22]、星上布局安装应用[6, 23, 24]等进行了研究。研究结果表明，LHT-100霍尔推力器可在较宽功率范围内稳定工作，霍尔推力器零部件及其材料对高低温变化环境的稳定性和适应性较好，能够适应高低温变化的环境影响，建立的鞘层理论能有效地研究二次电子发射对霍尔推力器加速通道鞘层的影响，自励磁霍尔推力器能有效抑制放电震荡，建立的束流模型及沉积污染模型能有效指导霍尔推力器星上安装布局。
本文基于兰州空间技术物理研究所LHT-100霍尔电推进系统开展了集成测试研究，对相关测试数据与设计指标的符合性进行了分析。
2 霍尔电推进系统概述 2.1 在轨飞行试验任务兰州空间技术物理研究所研制的LHT-100霍尔电推进系统在轨飞行试验是国内80mN量级的霍尔电推进系统首次在轨飞行演示验证，在轨飞行试验LHT-100霍尔电推进系统配置如图 1所示，在轨飞行试验LHT-100霍尔电推进系统是最简单的单弦系统，包括LHT-100霍尔推力器、电源处理单元（PPU）、滤波单元（FU）、贮供单元（PSFU）和控制单元（DICU）等五台单机。其中霍尔推力器是系统功能的核心，是产生推力的核心单机。控制单元是霍尔电推进系统的电控中心，通过时序控制电源处理单元各模块电源的通断完成霍尔推力器供电需求，通过对贮供单元进行压力调节和流量调节实现霍尔推力器额定工作供气需求，最终实现霍尔电推进系统的推进功能。贮供单元由推进剂管理组件（PMA，由氙气瓶和压力调节模块PRM组成）和氙气流量控制模块（XFC）组成。LHT-100霍尔电推进系统主要技术指标见表 1所示。
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Fig. 1 LHT-100 Hall electric propulsion system block diagram for flying experiment |
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Table 1 Characteristics of LHT-100 Hall electric propulsion for flying experiment |
LHT-100霍尔推力器包括四个主要部件，即互为备份的中和器阴极、阳极/气体分配器、放电室和磁路系统。每只空心阴极包括LaB6发射体、加热线圈、热屏和点火触持极。阳极是一个圆环状部件用以通过一系列周向的孔来提供推进剂的分配并施加放电电压。放电室由BN和SiO2陶瓷材料组成用以确保霍尔推力器本体和等离子体绝缘。磁路系统包括一个内部电磁线圈和四个外部电磁线圈用以产生霍尔推力器正常工作所需的磁场。在轨飞行试验LHT-100霍尔推力器主要技术指标见表 2所示，LHT-100霍尔推力器、截面图及真空状态点火照片见图 2所示。
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Table 2 Characteristics of LHT-100 Hall thruster for flying experiment |
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Fig. 2 LHT-100 Hall thruster, cross-section and ignition photograph |
电源处理单元（PPU）的主要功能是将卫星100V一次母线电源转换为LHT-100霍尔推力器所需的7路电压电流输出电源，PPU采用了内部模块冗余设计，包括阳极电源、主份阴极点火电源、触持输出和加热电源，备份阴极点火电源、触持电源和加热电源，将霍尔推力器的内外线圈串联进主放电回路，以节省系统功率、减少励磁电源模块数量及重量。对PPU的7路输出功能电源进行分类组合，将主份阴极点火电源、主份阴极加热电源和主份阴极触持电源组成一个电源模块，将备份阴极点火电源、备份阴极加热电源和备份触持电源组成一个电源模块、而主份阳极电源和备份阳极电源分为两个独立电源模块，主备份阳极输出通过隔离二极管合并输出。
PPU阳极电源的输出电压、电流分别为310V、4.35A，过流保护点设计为5.1A，额定输出功率为1350W，峰值输出功率为1580W，采用单个全桥拓扑实现阳极电源，为满足阳极能源大功率输出要求，输出部分采用桥式整流，按90%的效率计算得到阳极电源额定输入功率为1500W，最大输入功率为1756W，阳极电源为稳压输出，根据阳极电源负载特性，采用了电压前馈稳压的方式。触持电源输出电流范围较宽（1.3~1.9A），且工作时间非常短（5~ 10s），加热电源为恒流源，输出电流为7.8A，稳定度要求达到±2%，点火电源点火电压幅值大约为800V，点火脉冲宽度为5.2μs。PPU的技术指标和实物照片分别见表 3和图 3所示。
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Table 3 PPU characteristics |
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Fig. 3 Photograph of PPU of LHT-100 electric propulsion system |
为了抑制LHT-100霍尔推力器在阳极放电时所产生的5~25kHz，0~9A的强烈震荡所造成的干扰，务必要在霍尔推力器与PPU之间串联“匹配网路”。滤波单元（FU）的主要功能是将PPU阳极电源输出的电流震荡进行滤波抑制，并实现LHT-100霍尔推力器与PPU之间可靠电连接，PPU输出到滤波单元共7路供电输出，其中只有阳极电源输出端经过滤波电路，其它4路直接输出。FU内部滤波电路中的电容采用高压电容并联，滤波电感采用铁粉芯材料磁芯，多个串联达到所需电感量。FU的技术指标和实物照片分别见表 4和图 4所示。
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Table 4 FU characteristics |
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Fig. 4 Photograph of FU of LHT-100 electric propulsion system |
推进剂贮供单元由推进剂管理组件（PMA由氙气瓶和压力调节模块（PRM）组成）和氙气流量控制模块（XSF）组成。PMA的功能是高压贮存推进剂氙气（额定5MPa）并通过PRM对高压氙气进行减压和稳压至XFC入口压力（0.35MPa）。通过对电磁阀SV1/SV2的闭环控制使缓冲罐LPV中的工作压力稳定在0.35MPa，对XFC阴极热节流器、阳极热节流器进行温度闭环控制实现微小额定流率输出。PSFU的原理组成图见图 5所示，PSFU的技术指标和实物照片分别见表 5和图 6所示。
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Table 5 PSFU characteristics |
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Fig. 5 PSFU block diagram |
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Fig. 6 Photograph of PSFU of LHT-100 electric propulsion system |
控制单元（DICU）通过指令对LHT-100霍尔电推进系统实施管理，霍尔电推进系统通过控制单元控制，协调各单机工作，完成子系统的控制和数据采集，实现霍尔电推进系统的推进功能，DICU的控制对象为电源处理单元和贮供单元。利用1553B总线下传指令，按照内部预置的控制逻辑，依次打开或关闭特定的阀门，同时根据预设的温度及压力，控制贮供单元的压力恒定及热节流器的温度恒定，从而实现额定流量的稳定输出，其次利用预设好的控制策略依次打开及关闭PPU各电源模块的输出，同时在后台实时检测各个需要测量的电气参数。DICU的技术指标和实物照片分别见表 6和图 7所示。
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Table 6 DICU characteristics |
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Fig. 7 Photograph of DICU of LHT-100 electric propulsion system |
LHT-100霍尔电推进系统集成测试试验是在兰州空间技术物理研究所TS-6A电推进真空试验系统上开展的，图 8给出了TS-6A电推进真空试验系统照片。TS-6A电推进真空试验系统包括一个直径为2.0m，长5.0m的圆柱形真空罐主舱和两个直径为1.0m，长1.0m的圆柱形副舱，真空抽气系统为低温泵抽气系统，对氙气有效抽速为1×105L/s，真空系统极限真空度优于1.0×10-5Pa，当推力器引束流过程氙气流量为5.3mg/s时，系统真空度优于5.0×10-3Pa。
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Fig. 8 Photograph of TS-6A vacuum system for integrated test of LHT-100 Hall electric propulsion |
LHT-100霍尔电推进系统连接关系图见图 9所示，图 10给出了霍尔电推进系统安装及连接现场照片。其中，LHT-100霍尔推力器放置于TS-6A真空系统的主舱内，PSFU放置在TS-6A真空系统的副舱内，DICU，PPU，FU均放置在舱外，试验前将各单机壳统一接地并与真空试验系统隔离，以模拟LHT-100霍尔电推进系统星上接地方式。
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Fig. 9 Schematic of integrated test of LHT-100 Hall electric propulsion |
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Fig. 10 Photograph of integrated test of LHT-100 Hall electric propulsion |
在轨飞行试验LHT-100霍尔电推进系统的控制输入架构是由模式选择、路径选择和地面配置参数三部分组成。其中系统模式包括待机模式、气路预处理模式、阴极预处理模式、放电室预处理模式、自主运行模式、单步指令模式和故障诊断模式组成。系统中各单机包括LHT霍尔推力器、控制单元、电源处理单元、贮供单元中压力调节模块、流量调节模块均采用主备份冷设计，因此在联试中涉及到比较繁杂的路径配置。地面配置参数即上传的数据指令，包括阳极、阴极热节流器目标温度值Ta，Tc，缓冲罐目标压力值p、推进时间L。全系统路径配置见图 11所示，霍尔电推进系统的路径以霍尔推力器主备份阴极选择为主体，霍尔推力器主份阴极由贮供单元的主份阴极流量控制支路供气，由PPU主份阴极电源支路供电，霍尔推力器备份阴极由贮供单元的备份阴极流量控制支路供气，由PPU备份阴极电源支路供电。
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Fig. 11 Schematic of configuration for LHT-100 Hall electric propulsion |
LHT-100霍尔电推进系统集成测试项目主要包括系统闭环控制测试、系统工作模式试验、系统工作性能试验、系统集成拉偏测试及系统宽功率范围测试等，以充分有效验证LHT-100霍尔电推进系统控制策略及系统工作模式的正确性、系统性能指标（电参数、推力、比冲、功率、效率、束流发散角等）的符合性、整星供电系统及温度等变化条件下系统工作的健壮性、系统自身在宽功率范围内工作的稳定性等，具有重要的研究意义。要实现对霍尔电推进系统的推力及束流发散角进行准确测量难度很大，霍尔电推进系统工作推力只有几十mN，而束流发散角的准确测量需要对系统工作时喷射出的高能离子束流密度进行准确测量并进行有效处理方能得到。
4.2 系统闭环控制结果分析图 12给出了LHT-100霍尔电推进系统压力闭环控制曲线图和热节流器温度闭环控制曲线图。系统集成测试试验在真空状态下进行，真空度优于5.0×10-3Pa。当设定目标压力0.35MPa后，待输出稳定测得缓冲罐压力最大值为0.356MPa，最小值为0.344MPa，计算得到控制精度为±1.7%，满足±2%的系统压力控制精度要求，当控制单元设定贮供单元阳极热节流器目标温度90℃，阴极热节流器目标温度60℃，系统进入“气路预处理模式”。以常温为初始值，阳极热节流器和阴极热节流器达到目标温度分别为385s和415s，均未超过600s的要求。达到目标温度后，阳极热节流器温度最大值为91.5℃，最小值为88.6℃，计算得到控制精度为±1.6%，阴极热节流器温度最大值为60.8℃，最小值为58.9℃，计算得到控制精度为±1.5%，满足±2%的系统温度控制精度要求。
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Fig. 12 Schematic of pressure and temperature closed-loop control of LHT-100 Hall electric propulsion |
LHT-100霍尔电推进系统工作模式包括预处理模式（含气路预处理、阴极预处理和放电室预处理）、自主运行模式、单步指令模式、故障诊断模式和安全模式等，这里重点对自主运行模式试验结果进行分析。图 13给出了LHT-100霍尔电推进系统自主运行模式加电时序测试图。LHT-100霍尔电推进系统启动流程为首先通过系统压力闭环控制和温度闭环控制实现霍尔推力器稳定供气，然后开启阴极加热电源给霍尔推力器阴极加热，阴极加热电流为7.8A恒流，同步开启阴极触持电源，阴极触持电压60V，阴极加热90s后，开启阴极点火电源，阴极点火成功的标志是阴极触持电流增加至1.6A，待霍尔电推进系统监测到阴极点火成功后，开启阳极电源，阳极电压经过7s左右的时间软启动稳步达到310V，在阳极电源开启后的10s时间后，关断阴极触持电源，霍尔推力器阳极电流稳步增加至最大值4.8A后快速下降并稳定在4.35A左右，滤波后的阳极电流震荡维持在1A左右，可见霍尔电推进系统FU滤波效果很好。图 14给出了LHT-100霍尔电推进系统正常工作时测试得到的阳极震荡电流曲线，表 8给出了霍尔电推进系统集成测试得到的电气参数，根据表 7计算得到PPU实际点火的效率为92%以上。
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Fig. 13 Schematic of integrated test of LHT-100 Hall electric propulsion |
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Fig. 14 Measured evolution of the discharge current for the LHT-100 Hall electric propulsion |
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Table 8 Down-deflection of LHT-100 Hall electric propulsion for integrated test |
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Table 7 Electrical parameters of LHT-100 Hall electric propulsion integrated test |
对LHT-100霍尔电推进系统集成后的工作性能包括推力、比冲、功率、效率、束流发散角等进行了测试，推力测量系统实物照片及构型见图 15所示，推力测量装置基于一个双摆构建，工作原理是通过高精密的光纤应变计来测量沿着主方向上面的弯曲产生的位移来测量推力。图 16给出了LHT-100霍尔电推进系统正常工作时的推力测量曲线，测量得到的LHT-100霍尔推力器推力范围为81~85mN，推力平均值为83mN，由此计算得到LHT-100霍尔电推进系统比冲为1600s，功率为1536W，总效率为48.2%。图 17给出了测量得到的LHT-100霍尔电推进系统束流分布情况，按照90%的总束流对应的发散半角为36.2°。
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Fig. 15 Photograph and configuration of the thrust measurement system |
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Fig. 16 Schematic of the thrust measurement of LHT-100 Hall electric propulsion |
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Fig. 17 Schematic of the plume of LHT-100 Hall electric propulsion |
为对LHT-100霍尔电推进系统工作的健壮性进行评估，开展了霍尔电推进系统集成后的拉偏测试，拉偏的主要对象为一次母线供电电压和贮供单元热节流器温度，以实现对霍尔电推进系统供电和供气流量变化对系统电参数的变化进行有效评价，霍尔电推进系统的放电电压和放电电流直接表征了系统的工作性能。表 8给出了霍尔电推进系统拉偏的测试结果，拉偏测试共计八组，通过系统集成拉偏测试表明，霍尔电推进系统的输入电压和阳极电流均在系统设计指标范围内，LHT-100霍尔电推进系统工作正常，表征推力的放电电流等指标随阳极供气流量增加而明显增加。
4.6 系统宽功率范围测试结果分析为了对LHT-100霍尔电推进系统在较宽功率范围内的工作性能进行研究，对LHT-100霍尔电推进系统集成后在较宽的推进剂流率范围内开展了试验，图 18给出了推进剂流率4.7~6.1mg/s变化时LHT-100霍尔电推进系统的阳极电流和推力的变化，从图中可以看出，LHT-100霍尔电推进系统的阳极电流和推力随着推进剂流率的增加而增加，阳极电流变化为3.76~5.14A，推力变化为69.9~97.4mN，这与文献[7]在霍尔推力器上取得的研究结果一致，但在霍尔电推进系统上开展的流率调节更偏大一些，有效地补充了LHT-100霍尔电推进系统宽功率范围的研究结果。
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Fig. 18 Anode current and thrust versus total mass flow rate of LHT-100 Hall electric propulsion |
图 19给出了LHT-100霍尔电推进系统比冲和推力器总效率随推进剂流率的变化关系，从图中可以看出，霍尔电推进系统的比冲随着推进剂流率的增加而增加，变化为1519~1632s，推力器总效率随着推进剂流率增加整体呈现出增加的趋势，变化为44.8%~50.2%。
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Fig. 19 Specific impulse and total efficiency versus total mass flow rate of LHT-100 Hall electric propulsion |
图 20给出了LHT-100霍尔电推进系统PPU效率随着推进剂总流率的变化关系，从图中可以看出，霍尔电推进系统PPU的效率均在90%以上，最高达92.3%。
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Fig. 20 PPU efficiency versus total mass flow rate of LHT-100 Hall electric propulsion |
通过本文研究，得到以下结论：
（1）LHT-100霍尔电推进系统包括霍尔推力器、电源处理单元、滤波单元、贮供单元和控制单元，LHT-100霍尔电推进系统技术指标满足卫星轨道转移、位置保持、深空探测主推进等任务应用需求；
（2）LHT-100霍尔电推进系统真空状态下的集成测试项目包括系统闭环控制测试、系统工作模式试验、系统工作性能试验、系统集成拉偏测试及系统宽功率范围测试等项目，LHT-100霍尔电推进系统工作兼容性良好，系统集成拉偏后及系统宽功率范围工作正常稳定，各项性能指标满足要求，系统压力控制精度、阳极热节流器及阴极热节流器温度控制精度分别为±1.7%、±1.6%及±1.5%，系统推力83mN，比冲1600s，功率1536W，总效率48.2%，束流发散半角36.2°。
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