离子电推进系统中的阴极配电与控制

崔铁民，唐福俊

（兰州物理研究所，甘肃 兰州 730000）

1 引言

国外离子电推进系统已经成熟，形成目前地球静止轨道卫星位保应用发展的主流[1～3]，而HS601HP卫星平台和HS702卫星平台就是其中的典型[1,2]。我国的离子电推进系统研究也已基本成熟，并开展了离子电推进系统在地球静止轨道卫星平台上的应用研究工作[4,5]，即将进入实用阶段。在离子电推进系统的设计和应用中，离子电推进系统的寿命是影响其应用的关键因素，而制约离子电推进系统寿命的主要因素之一是阴极的工作寿命。因此，研制长寿命阴极就成为必然，与研制长寿命阴极相辅相成的另一个方面是研究使阴极能够长寿命工作的条件和方法，以延长离子电推进系统的工作寿命，这2个方面构成了离子电推进系统研究工作的主线之一。作者以目前较为成熟的阴极为基础，以延长阴极工作寿命为主要目标，提出了阴极配电方案和控制策略，为离子电推进系统设计与应用提供参考。

2 离子电推进系统所用阴极的工作特性

在离子电推进系统中，每台离子推力器中装有放电室阴极和中和器阴极，2个阴极都为空心阴极，其性能和工作特性基本相同，甚至完全相同，在下面的论述中不再区分。

2.1 空心阴极的结构

空心阴极的基本结构如图1所示。阴极整体为一个管状空腔结构，发射体只有在较高温度下才具有很强的发射能力，工作时先由加热器将发射体加热到一定温度，再给空腔通入氙气，并在触持极与发射体之间施加一定的电压，发射体发出的电子在电场的作用下与氙气分子碰撞，使氙气电离形成等离子体，在外加电场的作用下，电子从阴极顶端小孔喷出。在阴极空腔内，因离子在电场作用下轰击发射体而对发射体具有加热作用，若停止加热器加热，发射体也能维持在工作温度范围，阴极能够持续工作。

阴极发射体是保证阴极性能和寿命的关键，离子电推进所用的阴极发射体材料主要有铝酸盐钡钨和LaB6两种，早期多用钡钨阴极，近年LaB6阴极应用逐渐增多。

图1 空心阴极结构示意图

2.2 阴极早期失效模式及原因分析

阴极早期失效发生最多的是阴极加热器故障，因设计或使用不当，启动或工作时温度过高，绝缘材料与加热丝或外壳材料之间发生反应而引起绝缘电阻下降，最后导致加热器失效。另一类故障是在阴极加热时，阴极各部分的温差过大，热应力引起结构变形或破坏，导致阴极失效。LaB6阴极的工作温度比钡钨阴极要高几百度，过热引起的失效问题更加突出。因此，防止阴极早期失效的主要措施就是防止阴极过热。

2.3 阴极的点火特性

阴极发射体在一定的温度下才具有较强的发射能力。首先要对发射体进行加热，当发射体达到工作温度时，提供阴极工作需要的供气和电气条件，通过施加点火电压使其进入放电工作状态。文献[6]给出了一个阴极在整个寿命期间的点火特性，阴极工作初期，发射体发射能力强，点火电压可以很低，一般小于40 V。随着使用时间的增长，阴极性能逐渐衰减，需要的点火电压逐渐增高，寿命末期点火电压高达1 000 V以上。点火电压与工作时间的关系如图2所示。

图2 阴极点火电压与累计工作时间之间的关系

2.4 影响阴极寿命的主要因素分析

阴极寿命主要取决于在工作温度下，发射体材料的蒸发速率，蒸发率随发射体电流密度的增大而增大，随发射体温度的升高而增大，随发射表面积的增大而增大。文献[7]给出了离子推力器用直径1.5 cm阴极的寿命计算结果，如图3所示，为LaB6和几种不同厚度的钡钨发射体的计算寿命。计算中假定发射材料全部蒸发完为寿命中止，因此，图中的阴极计算寿命是阴极寿命的上限值。实际应用中，当发射材料蒸发到一定程度时，推力器性能参数已偏离较大，就认为阴极寿终，取其极限值的1/10作为阴极寿命的估计值可满足工程要求。

从图3可以看出，阴极放电电流越小，寿命越长，在发射体发射表面积不变的情况下，放电电流小反映的是发射密度小，发射密度小就可以使发射体工作温度较低。因此，降低发射体的工作温度是延长阴极寿命的根本。

阴极工作的一个重要步骤是阴极点火，阴极的点火过程由高压击穿开始，在触持极和发射体之间产生放电。放电过程由辉光放电开始，很快过渡到弧光放电状态，进入持续放电的工作模式，一旦持续放电，立即关掉点火高压。由于辉光放电电压较高，辉光放电时发射材料的蒸发很快，对阴极的寿命影响很大。要减少阴极点火过程中发射材料的蒸发，除了要加快放电模式的过渡外，要尽量降低点火电压，但当点火电压太低时，又会加长放电模式的过渡时间，反而会缩短阴极的寿命。

由于阴极阻抗本身是不稳定的，会随阴极性能的衰减而增大，在要求发射电流不变的情况下，发射体的温度会升高，发射材料的蒸发率提高，将缩短阴极的工作寿命。为延长阴极寿命，必须设法降低阴极阻抗，适当增加阴极的气体流率可以达到降低阴极阻抗的目的。

3 阴极配电方案

由于各自阴极性能不同，使用时的条件和具体参数不同，实际工程应用中的配电电源也互不相同，但都有相同的配电思想，形成了阴极的基本配电方案。以基本配电方案为基础，针对影响阴极寿命的主要因素，提出具体的解决方案，达到能使阴极长寿命工作的目的。

3.1 阴极电源的基本配置

阴极基本配电如图4所示，由3个电源组成。在阴极点火前，先要加热发射体，为此设置一个加热电源为加热丝供电，在需要加热时打开电源，加热到达要求温度时关断。另一方面，阴极点火时需要在较高的电压下才能气体击穿而放电，设置一个点火电源，加在触持极与发射体之间，要求在气体没有击穿以前能够输出较高的电压，气体一旦被击穿，电源立即降低输出电压。实际使用的点火电源在气体击穿前能够输出1 000 V左右的点火电压，一旦气体被击穿，点火电源的输出电压降到30 V以下。在阴极的工作环境中，通常由系统配有阳极电源或提供等效的阳极电源，在阳极电源打开的状态下，阴极点火成功以后，即可进入正常工作状态。在正常工作状态下，阴极的负载通常不够稳定，而负载的变化会影响阴极的工作稳定，甚至会发生熄弧现象。为了减小负载变化对阴极工作状态的影响，维持放电的稳定，需要设置一个触持电源加在触持极和发射体之间，为阴极提供一个维持放电状态的稳定电流，消除负载变化引起的熄弧现象，使推力器能够连续工作而不间断。

图4 阴极电源的基本配置

3.2 阴极电源的改进配置

改进后的配电如图5所示，共由5个电源组成。在基本配电方案的基础上，将加热电源分成2个，一个大功率加热电源，一个小功率加热电源，2个电源不同时工作，加热开始时用小功率电源加热，工作大约1 min后，改用大功率电源加热，加热时间总共约3～5 min。这样做的目的是在阴极加热过程中，减小阴极各部分之间的温差，避免因热应力过大而造成阴极早期失效。另一方面，将点火电源也分为2个，一个为高压点火电源，另一个为低压点火电源。若以图2特性的阴极为例，在阴极工作的前25 000 h用低压点火电源点火，以减小点火对阴极的损伤，从而延长寿命。在阴极寿命末期，阴极性能已经衰减很多，低电压已不能启动阴极进入放电时，改用高电压点火电源进行点火。改进后的配电方案可使阴极寿命明显得到延长。

3.3 阴极电源的优化配置

图5给出的配电方案确有长处，但还可以再行优化，形成如图6所示的优化配置，加热电源被设计成一个输出功率可调的电源，能够在比较大的范围内连续调整电源的输出功率。在控制单元的控制下，通过测量加在加热丝两端的电压和电流，得到加热丝的温度，进而推知发射体的温度，可以根据阴极的冷热程度和不同的加热任务随时调节加热功率，把阴极加热过程始终控制在优化状态，彻底消除了阴极加热过程中过热情况的出现。在阴极正常工作状态下，加热电源应处于非加热状态，可以将加热电源输出功率调到很小以至对阴极的加热影响可以忽略，并以脉冲方式工作，实现对阴极温度的实时监测。点火电源输出的空载电压可调，为简化工程实现，将点火电源输出分为三档，使用时可选择不同的档位。第一档为低电压输出，在阴极寿命初期使用；第二档为高电压输出，在阴极寿命末期使用；第三档为大功率输出档，输出电压与第二档相同，电源内阻比第二档小，可以输出较大功率，实现阴极加热部分故障时的应急点火。触持电源一般都设计成恒流工作方式，短期内工作点稳定，长期工作，需要根据阴极衰减情况进行调整，因此，把电源设计成为可设定电流值的恒流电源，恒流值在给定范围内连续可调。

图5 阴极电源的改进配置

图6 阴极电源的优化配置

4 阴极控制

以图6给出的阴极配电方案为基础，以长寿命工作为目的，提出阴极工作过程中的控制策略，分别从加热、点火和阴极阻抗调节三方面作以说明。

4.1 加热控制

对钡钨阴极而言，首次工作之前，需要对发射体进行激活处理，使发射体具有强的发射能力。激活是通过对发射体进行适当的加热来完成的。阴极激活加热过程较长，典型加热过程分为三段，分别称为低温除气、高温除气、高温激活阶段。低温除气时，用较小的功率进行加热，将发射体的温度控制在摄氏几十度量级，靠在空间真空环境下发射体表面的自然放气来完成。而高温除气则需要对发射体温度控制在几百度，通过高温烘烤，释放出吸附在发射体内的有害气体，并使阴极制造过程中的一些辅助材料汽化挥发。发射体激活时，要将发射体温度控制在1 000℃以上。激活加热过程在卫星上只执行一次，在卫星入轨以后，离子电推进系统首次工作前，阴极状态比较确定，采用程序控制较为合适。每个加热段都可多次循环执行加热一定时间、停止一定时间这样的工作程序。每个加热段的加热功率设定、加热与停止时间、循环次数不同。在加热过程中，可不间断地检测温度，防止发射体过热。

对阴极正常启动的加热过程来说，阴极加热开始时，整个阴极处于冷态，开始加热功率要小一些，随着温度的升高，散热逐渐加大，加热功率也需要逐渐加大。如果阴极加热不是从冷态开始，可以用适当大的功率进行加热。称这一段加热过程为启动加热的前段，以测量的阴极温度为依据，控制加热功率。电源输出功率与阴极温度之间的控制规律如图7所示。当温度升高到接近点火温度，达到控制方式切换温度点时，改变温度控制方式，转入以发射体温度为控制目标，实施加热回路的闭环控制，直到点火成功并停止加热，称这段加热过程为启动加热后段。后段加热期间，闭环控制执行PID控制算法，但必须严格控制超调量，防止发射体过热。

图7 启动加热前段控制函数示意图

4.2 点火控制

点火过程的控制，本质上是控制点火过程中点火电源输出的总能量，消耗的能量越少，对阴极引起的溅射也越少，阴极的工作寿命就会越长。为减少点火过程消耗的能量，首先要尽量缩短辉光模式下的放电时间，使其尽量短，第二是降低点火电压。点火时，以上次点火参数或前段时间点火参数为依据，首先对阴极的点火性能作一个初步判断，在设定的三档中选定一个合适的档位。与档位配合的是点火时发射体的最佳温度。在对阴极实施加热时，实时检测发射体的温度，当温度达到最佳点火温度时，启动点火电源发出一个点火脉冲。若该脉冲点火未成功，可延迟一小段时间（几秒到几十秒）后再行点火，三次点火不成功判为点火失败。最佳温度的工程定义为以选定的点火电源档位输出一个点火脉冲，以一次点火90%的概率成功点火时的发射体温度。

4.3 触持电流控制

触持电流的作用是稳定放电，消除意外熄弧，电流值的大小可以调节。调大触持电流，对放电稳定有利，但对阴极寿命不利，因此，触持电流的选定是在放电稳定与延长寿命之间权衡的结果。如果负载稳定，可以关断触持电源以延长寿命；如果负载不够稳定，可适当增加触持电流。另一方面，可通过调节触持电流微调发射体的温度，使发射体工作在最佳温度上。

4.4 供气控制

阴极的供气控制与触持电源的控制一起实现对阴极性能衰减的补偿，是一个长周期的缓慢调整过程，正常情况下，阴极累计工作上千小时可能才需要调整一次，在配电与控制上提供调整气体流率和触持恒流值的功能，其设定值由卫星运行管理系统提供。

5 结论

作者提出的配电与控制方式，在阴极的地面试验中得到了采用，取得了较好的效果，既减少了阴极早期失效的几率，又延长了阴极的工作寿命，但要在工程上实用，还需要针对具体的阴极做细致的工作，确定具体的工作和控制参数，使阴极工作在最佳状态，与阴极一起进行寿命试验和评价。

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[4]崔铁民，唐福俊.地球静止轨道卫星平台位保应用离子电推进系统方案[J].真空与低温，2009，15（2）：90～94.

[5]唐福俊，张天平.离子推力器羽流测量E×B探针设计及误差分析[J].真空与低温，2007，13（2）：77～80.

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