脉冲等离子体电推进系统实验技术研究进展

李兴达，张天平，王尚民，冯玮玮（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）

脉冲等离子体电推进系统实验技术研究进展

李兴达，张天平，王尚民，冯玮玮（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）

脉冲等离子体电推进是一种利用电容器脉冲放电产生电磁场，带电粒子被电磁场加速而产生推力的电推进系统。由于其结构简单、输入功率小、比冲较高，在微小卫星领域具有很好的应用前景。PPT从原理样机到飞行产品阶段需要进行大量实验，同时调研了英国、美国、日本以及国内部分高校的PPT电推进系统实验，从性能实验、环境实验、寿命实验方面讨论了PPT电推进系统需要开展的实验项目，其中性能实验包括元冲量测量、电参数测量、烧蚀质量测量、羽流诊断，环境实验包括力学、真空和EMC实验。

脉冲等离子体；电推进系统；性能；环境；寿命

0 引言

脉冲等离子体电推进（PPT）是一种电磁推进器，具有比冲高、功耗低、结构简单、重量轻等特点，在微纳卫星领域有很强的竞争力和应用前景，典型的任务包括轨道控制、位置保持、阻力补偿、精确编队飞行以及姿态控制等。当前，美国[1-3]、英国[4-6]、德国[7-8]、日本[9-10]、韩国[11]等国已在PPT领域开展了大量的研究工作，研制成功了多种规格的产品，至今已有Zond-2、LES-6、EO-1、SMS、TIP-2/3等十四款型号的飞行样机。我国主要是部分高校在从事PPT相关研究，但基本都没有到工程样机阶段，随着微纳卫星技术及其应用在我国的迅速发展，对推进系统的需求日益凸显，因而急需研制高性能PPT电推进系统，并加快PPT工程化应用。

从PPT原理样机阶段到飞行产品阶段，需要进行大量实验，由于PPT有其自身的特点，而且不同研制阶段需要的测试评价方法不尽相同。文章在系统调研国内外PPT实验技术的基础上，总结了PPT从原理样机阶段到工程样机阶段需要开展的实验项目及实验设备，提出了国内PPT电推进系统实验应该重点开展的工作。

1 脉冲等离子体电推进系统

脉冲等离子体电推进系统一般由推力器本体、电源和控制单元（PCU）组成。电源与控制单元为推力器提供充电电压、点火电压，同时实现点火时序控制、数据遥测等功能。推力器根据电极结构、推进剂种类等可分为多种类型，以最常见的平板电极、固态推进剂为例，推力器一般由储能电容、电极、火花塞、推进剂供应装置等组成，典型结构如图1所示。

图1 PPT工作原理图Fig.1 PPT working principle diagram

工作时，首先使储能电容器充电到工作电压，该电压同时作用到与该储能电容器直接相连的电极上；在放电控制电路的作用下，火花塞点火，产生的微量放电导通极板，使储能电容器放电；放电形成的沿推进剂表面的高温电弧烧蚀掉推进剂棒表面的薄层，并将其电离，形成等离子体；推力器极板间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的共同作用下，产生对带电粒子的洛伦兹力；同时，放电通道内未被电离的气体工质也受到放电产生的气动热作用；在洛仑兹力和气动热力的共同作用下，等离子体夹杂其他烧蚀产物一起喷出推力器，产生一个推力脉冲；储能电容器放电后，推力器进入下一个脉冲循环或者停止工作。

2 实验技术与设备

从电推进系统工程产品研制的角度，脉冲等离子体电推进系统的实验可以分为三类：性能实验、环境实验、寿命实验，这种分类与一般航天产品研制的实验流程类似。由于PPT电推进系统自身的特殊性，具体的实验项目有其自身的特点，下面将具体描述。

2.1 性能实验

性能实验的目的是为了摸清和确定电推进系统在既定工作条件和工作点下的工作性能，是产品研制阶段必须要进行的实验项目。同时，部分关键性能实验项目还在环境实验、寿命实验中出现，作为环境和寿命实验中确认产品性能是否正常的手段。电源与控制单元的性能主要是输入输出特性，本节主要介绍推力器性能实验项目。

2.1.1 元冲量测量

元冲量是PPT的核心指标之一，此外推力器的另外两个重要参数比冲和效率也由元冲量计算得到。元冲量测量可以真实、直观的反映推力器电参数、结构参数引起推力器性能的变化，为推力器设计及参数的选择提供必要的技术手段，因此元冲量测量是PPT研制过程中必须要开展的测试项目之一。

应用于微纳卫星的PPT自重一般在数kg量级，产生的元冲量在数十uN到数百uN量级，元冲量小、推重比小、推力测量难度大。目前国内外使用较多的是扭摆式和单摆式结构，美国Busek公司[12]、美国空军实验室[13]、日本大阪工业大学[14]、英国南安普顿大学[15]、国内的国防科技大学[16]、装备学院[17]、华中科技大学[18]等单位都研制了针对PPT冲量测量装置并开展了相关测试。

2.1.2 烧蚀测量

推力器的比冲和效率都需要单次脉冲烧蚀质量计算得到：

式中：Isp为比冲；Ibit为元冲量；mbit为单脉冲烧蚀质量；g为重力加速度；E为能量。

因此，单位脉冲烧蚀质量是必须测量项目。由于单次脉冲消耗质量太小，一般通过对上千次点火实验前后推进剂的重量进行称量以确定推进剂的总烧蚀质量，总的烧蚀质量除以脉冲次数即为每次脉冲的平均烧蚀质量。一般使用精确电子天平进行称重，测量时要尽量保证实验前后推进剂吸收水蒸气的一致性，以保证准确测量烧蚀质量。

2.1.3 电参数测量

PPT电推进系统可以直接测量的参数不多，除了元冲量和烧蚀质量，电参数是很重要的直接测量参数。从系统的角度，电参数测量可以分为母线参数和放电参数。其中母线参数包括母线电压、母线电流、输入功率、频率等；放电参数包括放电电压、放电电流、点火电压、点火电流等。

电参数能够直观的反映推力器与PCU的匹配关系、推力器在不同结构和电气参数下的性能差异、不同火花塞与电容等关键部组件下的性能差异、样机点火状态、不同工况下的样机有效工作参数区间等。

典型的电参数测量示意图如图2所示，其中PPT点火电流和放电电流是一种迅速变化的大峰值冲击电流，无法使用普通电流表对其进行测量，通常采用Rogowski线圈等仪器设备进行测量，放电电压和点火电压使用高压差分探头进行测量。典型的PPT放电波形如图3所示。

图2 电参数测量示意图Fig.2 Schematic diagram of electrical parameter measuremeng

图3 典型放电波形曲线图Fig.3 Typical discharge waveform

2.1.4 羽流诊断

羽流诊断可以分为羽流成分测量、电子温度和电子密度测量、离子速度测量、高速相机拍照等。羽流成分分析一般采用质谱分析的方法，电子温度和电子密度测量一般采用三探针或发射光谱诊断，图4为三探针[19]诊断示意图。离子速度一般采用飞行时间测量方法。图5为日本μ-LabSat II PPT高速相机诊断[20]，在微秒级的放电时间内，连续进行十余次高速拍照，获取不同时刻放电照片。通过上述的电子温度、电子密度、离子速度、羽流成分的诊断研究以及放电过程高速拍照，能够反推PPT在工作过程中的微观物理过程和物理化学基本规律，加深PPT的放电过程、工质烧蚀及电离过程的认知。

图4 北航三探针Fig.4 The northern three probe

图5 日本μ-LabSat II PPT高速相机诊断曲线Fig.5 Diagnostic curve of Japanese μ-LabSat II PPT high speed camera

2.2 环境实验

脉冲等离子体电推进系统的环境实验包括力学实验、热真空实验、电磁兼容实验等，这些实验都是航天产品工程应用必须进行的实验。

2.2.1 力学实验

力学实验包括基频扫描、加速度力学实验、正弦振动实验、随机振动实验及冲击实验，实验条件根据总体要求确定。力学环境实验前后应分别进行性能实验以检测产品是否受到力学实验影响，性能测试项目主要包括放电参数测量、元冲量测量等，力学实验前后的性能指标应该不发生显著变化。每个实验项目之间应进行产品外观检查、火花塞阻抗、电容器容值、绝缘电阻等测试。

2.2.2 真空热实验

真空热实验旨在验证产品在高低温循环下的性能变化，一般情况下，真空热实验的工作温度范围为-20°～+65°，温度变化率≥1℃/min，共4～8个循环。真空热实验前后也应该分别进行性能实验，性能测试项目与力学实验一致。根据美国EO-1和Dawgstar实验结果，在高温段，PPT电容充电时间更长，相应的充电电压更低，而在低温段则相反，因此，除了基本性能测试外，还应重点关注高低温实验中充电时间和充电电压的变化。

2.2.3 EMC实验

EMC实验的目的是评价PPT电推进系统的电磁发射特性及发射敏感性，确保电推进系统和整星及其他分系统之间不产生电磁干扰。相对于航天器通用的EMC测试，PPT有两点是比较特殊的，第一，PPT必须在真空环境下工作；第二，PPT是脉冲式工作，以一定的周期连续放电，将充电过程、火花塞点火、主放电触发、主放电过程的电磁发射区分开是很重要的。美国EO-1和Dawgstar卫星搭载的PPT分别都在NASA GRC进行了EMC测试[21]，英国南安普顿大学[22]也进行了相同的测试，主要依据MIL-STD-462和MIL-STD-461C标准，进行了CE01、CE03、CE07传导发射和RE01、RE02辐射发射测试，以及CS01、CS02、CS06、RS03敏感性测试。图6为美国EO-1搭载PPT电推进系统进行电磁兼容实验的电场发射实验结果。根据飞行验证结果，PPT并未对航天器形成电磁干扰。

图6 美国EO-1 PPT电场发射测试结果曲线Fig.6 The results of EO-1 PPT electric field emission test

2.3 寿命实验

脉冲等离子体电推进系统的寿命是核心指标之一，直接关系到系统能够实现的总冲大小。影响整个系统寿命的主要因素有电容失效、火花塞失效、PPU失效等。在飞行验证之前必须要进行地面寿命考核实验，其主要目的包括：（1）充分验证系统寿命；（2）获得影响推力器寿命的失效模式及关键部组件；（3）获得推力器性能随点火次数增加的变化关系。各单位对PPT的寿命实验大体相同，又各具特色。

南安普顿大学分别对全系统和电容器进行了单独寿命考核，并且在寿命考核的同时开展了局部结构改变对性能的影响实验[23]。方案如图7所示，第一阶段，采用地面电源系统和推力器完成100万次考核，在此过程中进行了火花塞位置对性能影响评估、不同类型推进剂供给系统对性能的影响；第二阶段，使用电源与控制单元（PCU）和推力器本体联试，完成了80万次考核，期间进行了PCU噪声特性分析以及PCU扩展性寿命考核。对电容的考核是采用恒流模式对电容充电，电容两端连接两个间隙可调的螺钉，当电容两端电压充电到放电电压时发生放电，在限流电阻作用下，回路迅速完成放电，控制放电频率持续循环，已经考核完成150万次充放电。

图7 英国南安普顿大学PPT寿命实验流程图Fig.7 University of Southampton PPT life test process

日本μ-LabSat II卫星搭载的PPT进行50万次寿命考核实验[24]，在前27万次考核中，分别以3万次为间隔对关键性能参数比冲、元冲量、烧蚀质量进行持续跟踪测试，用于评估推力器性能随点火次数的变化趋势。图8可看出，在27万次点火过程中，比冲和烧蚀质量变化较小，后期元冲量出现了下降。

图8 日本μ-LabSat II PPT性能随寿命的变化曲线Fig.8 The variation of μ-LabSat II PPT performance with life in Japan

NASA GRC对EO-1搭载的PPT系统进行了寿命考核[21]，除了基本的寿命考核之外，还同时进行了全寿命过程中烧蚀物沉积对航天器其他部位的影响评估。以真实位置和结构模拟星上状态，对天线、散热器表面等多种不同表面受PPT沉积的影响进行了评估。经过近20万次的持续点火后，天线、散热器等多个功能单元性能没有发生明显变化，也验证了PPT沉积物对航天器几乎没有影响。

3 结论

国外在脉冲等离子体电推进系统研制方面已经取得了大量成果，尤其是从原理样机到飞行产品阶段开展了很多实验工作。针对国内微小卫星应用PPT的迫切需求，在PPT工程产品研制实验过程中建议重点关注以下工作。

（1）通过放电参数、羽流诊断、高速摄影等手段深入研究PPT工作的微观物理过程、放电过程、工质烧蚀及电离过程；

（2）通过放电参数、元冲量测量，尝试建立电参数、元冲量随推力器电气参数、结构参数、点火次数等的变化关系，为系统设计指标实现与优化等提供依据；

（3）在全系统寿命实验中，从测试全面性考虑，当其中一个关键部组件失效时，记录其寿命，更换新的部组件并继续开展系统寿命考核实验。最后分别得到火花塞、电容、PPU等部组件的各自寿命极限，为整机寿命评价和改进提升提供依据。

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TEST TECHNOLOGY DEVELOPMENT OF PULSED PLASMA ELECTRIC PROPULSION SYSTEM

LI Xing-da，ZHANG Tian-pin，WANG Shang-min，FENG Wei-wei
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Pulsed plasma electric propulsion systemis a kind of electric propulsion system.The electromagnetic field is generated by the discharge of capacitor，charged particles are then accelerated by electromagnetic field to produce thrust.PPT is a promising electric propulsion device for small satellite because of its simple structure，low input power and high specific impulse.Lots of tests need to be carried out from the PPT prototype to the flight products.In this paper，the PPT electric propulsion system tests in UK，USA，Japan and some domestic universities are systematically introduced.The test technology of PPT is discussed from performance test，environmental test and life test respectively.Performance test includes impulse bit measurement，electric parameter measurement，ablation mass measurement and plume diagnostic.environmental test includes mechanical test，thermal vacuum test，EMC test.

pulsed plasma electric propulsion system；performance test；environmental test；life test

V439

A

1006-7086（2017）01-0020-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.004

2016-10-09

李兴达（1988-），男，甘肃张掖人，工程师，从事空间电推进测试与诊断技术研究。E-mail：tjulxd@126.com。