高比冲霍尔推力器启动特性研究

陈杰，康小录,*，赵震，程佳兵，梁伟

1. 上海空间推进研究所，上海 201112 2. 上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112

1972年，世界上首个在轨应用的霍尔推力器，搭载在流星号卫星上由苏联成功发射[1]。霍尔推力器凭借其可靠性高、推力密度高、推力功率比大及综合性能好等优势，在航天器南北位保、大气阻力补偿及轨道转移等任务中得到了广泛的应用[2-3]。截至2019年8月，已有723台霍尔推力器在超过12种GEO平台、208个航天器上成功应用，在轨飞行成功率100%。

霍尔推力器在工作过程中，放电参数会发生相应的变化。由于推力器工作时阳极电压保持不变，放电电流的平均值变化可以反映推力器功率的变化，放电电流的振荡特性可以反映推力器放电室内等离子体的物理过程。影响推力器放电电流变化的因素主要有放电电压、工质流量、磁场位形和磁场强度。实际情况中，由于放电电压和工质流量固定，研究推力器磁场变化对放电电流的影响以及工作过程中放电电流随时间的变化具有更重要的价值[4]。磁场对放电电流的影响在国内外均有较多的研究，武志文、刘广睿、鄂鹏等均通过试验验证了磁场强度太高或者太低推力器放电电流均会升高[5-7]。磁场位形对推力器性能影响的研究也较为完备，普遍认为霍尔推力器放电室出口处磁场强度最大，且存在能够约束电子减少电子与壁面作用的磁镜结构[8-9]。

霍尔推力器工作时频率在1～100 kHz的低频振荡幅值较大，会对推力器稳定工作和电源系统造成影响[10-12]。研究推力器工作过程中放电振荡特性对推力器性能的影响，有利于进一步理解推力器工作机理并对推力器进行优化设计。本文通过HET-80HP高比冲霍尔推力器的点火试验，考察推力器性能参数的变化，并将该推力器与传统霍尔推力器的性能进行对比。此外，研究放电电流平均值随时间的变化过程，以及放电电流低频振荡与推力器性能的关系。

1 试验设备

HET-80HP霍尔推力器，是上海空间推进研究所研制的一款中等功率高比冲霍尔推力器。在500 V额定工况下，比冲为2 100 s左右，推力约65 mN。在大推力工况(300 V)下，比冲约1 600 s，推力可达80 mN左右。

试验所用VF-4真空舱是上海空间推进研究所现有的两个大型真空设备之一。具有中小功率霍尔推力器高低温试验和长寿命试验能力。真空舱直径2.5 m，长度6 m，氙气抽气速率达1.26×105L/s，极限真空度可达2×10-5Pa。

由于霍尔推力器的推力一般为毫牛量级，推力的精准测量也是霍尔推力器性能研究的重要组成部分。试验所用推力测量设备能够安装质量不超过12 kg的霍尔推力器，推力测量范围为5～1 000 mN，分辨率为0.1 mN，测量综合误差为±2%。

2 试验结果

2.1 性能试验

(1) 性能包络

霍尔推力器性能包络试验是研究推力器推力、比冲等参数随推力器放电电压、工质流量等参数的变化，对霍尔推力器的研究及参数对比具有重要的意义。针对HET-80HP霍尔推力器开展了性能包络测量试验，主要研究了HET-80HP霍尔推力器的推力和比冲随放电电压和阳极流量的变化。为了保证测量的准确可靠，试验均在推力器点火20 min后(热启动)，推力器放电电流等参数达到相对稳定时开始测量。性能试验中所用磁场位形相同，不同电压下磁场强度不同。

图1所示为推力器推力随放电电压和阳极流量的变化，在测量范围内，推力随阳极电压和阳极流量增加而增加。测量推力在19～116 mN之间变化，随着阳极流量增加推力随电压变化的斜率逐渐增大，而不同电压下推力随阳极流量变化的斜率变化不大。

图2所示为HET-80HP霍尔推力器阳极比冲随放电电压和阳极流量的变化，比冲在987～2 624 s之间。由于霍尔推力器中喷出的离子的动能主要由加速区的电场对离子加速产生，推力器阳极电压的变化能够改变加速区电势差，对提高霍尔推力器比冲有直接的作用。在试验设定的电压和流量范围内，每提高100 V电压比冲提高约270～ 400 s。提高推力器流量能够增加推力器放电室内粒子密度，对提高推力器效率和比冲也有一定作用。

图1 HET-80HP霍尔推力器推力变化Fig.1 Thrust variation of HET-80HP hall thruster

图2 HET-80HP霍尔推力器阳极比冲变化Fig.2 Specific impulse variation of HET-80HP hall thruster

(2) 性能对比

为了分析HET-80HP高比冲霍尔推力器与传统霍尔推力器在比冲上的差异，将该推力器分别与国内和国外同尺寸的传统霍尔推力器进行比较。

图3为HET-80HP霍尔推力器与国产HET-80M霍尔推力器(上海空间推进研究所研制的300 V磁层霍尔推力器，额定工况下阳极比冲约为1 690 s)在放电电压分别为300 V和500 V时，比冲随阳极流量变化情况的对比。放电电压为300 V时，HET-80HP霍尔推力器在阳极流量大于30 mL/min时，才具有更高的比冲。放电电压为500 V时，阳极流量大于22 mL/min就能体现出HET-80HP霍尔推力器的比冲优势。

图3 HET-80HP与HET-80M阳极比冲对比Fig.3 Comparison of specific impulse between HET-80HP and HET-80M

图4 HET-80HP与SPT-100阳极比冲对比Fig.4 Comparison of specific impulse between HET-80HP and SPT-100

图4为HET-80HP高比冲霍尔推力器与俄罗斯SPT-100传统磁层霍尔推力器在放电电压分别为200 V和300 V时，比冲随阳极流量变化情况的对比[13]。放电电压为200 V时，HET-80HP与SPT-100在阳极流量小于50 mL/min时，阳极比冲相近。阳极流量大于50 mL/min时，HET-80HP具有更高的比冲。放电电压为300 V时，在实验流量范围内HET-80HP相对于SPT-100具有更高的比冲。

通过以上分析结果可知,相对于传统霍尔推力器，HET-80HP高比冲霍尔推力器在较大阳极流量和较高放电电压时，比冲均得到了明显提高。

2.2 不同磁场情况下推力器电流随时间的变化

霍尔推力器在不同磁场情况下，由于磁场位形和磁场大小的不同会对推力器的性能产生影响，从而使放电电流发生变化。试验首先研究了正常磁场情况下放电电流随工作时间的变化，然后研究了外磁极磁场不均匀时推力器放电电流随时间的变化。

(1)正常磁场情况

图5为正常磁场冷启动情况下，放电电压300 V阳极流量50.8 mL/min时，推力器放电电流随时间变化过程。在推力器工作前10 min，推力器放电电流逐渐增加。推力器工作20 min后，放电电流逐渐减小，约70 min时达到相对稳定。

图5 冷启动放电电流随时间变化Fig.5 Discharge current change with time when cold start

图6为正常磁场热启动时不同内外磁电流比情况下，推力器放电电流随时间的变化。在内外磁电流比较大时，存在电流尖峰(电流均呈先增加后减小的趋势)。由于推力器的初始温度不同，不同内外磁电流比尖峰出现的时间有所差异。但是，电流变化范围均小于0.2 A并且工作20 min左右放电电流均趋于稳定。当内外磁电流比小于或等于0.7时，电流在增长一段时间后趋于稳定，且不存在电流尖峰。

图6 热启动放电电流随时间变化Fig.6 Discharge current change with time when hot start

(2)异常磁场情况

图7 磁场异常情况放电电流随时间变化Fig.7 Discharge current change with time when magnetic is abnormal

试验中研究了推力器磁场异常情况下推力器的稳定工作特性。磁场异常情况下，推力器外极板对角磁感应强度一致。通过高斯计测量，相邻磁柱顶点处磁场强度相差约0.002 T。试验中验证了推力器在放电电压300 V、阳极流量49.4 mL/min时，推力器冷启动和热启动情况下放电电流随时间的变化。图7分别为冷启动和热启动两种不同情况。相比于正常磁场情况，异常磁场情况冷启动时推力器放电电流达到稳定的时间更短。异常磁场情况热启动时，放电电流达到稳定的时间与正常情况一致，电流值的变化大于正常情况。此外，试验中异常磁场情况下，不同内外磁电流比均存在电流尖峰。

2.3 低频振荡与比冲的关系

霍尔推力器在工作时的原子电离过程，电子周向漂移运动等，都伴随着许多振荡现象。振荡的频率分布从千赫兹到吉赫兹，对霍尔推力器影响较大的是1～100 kHz的低频振荡[14]。其中，10～20 kHz的呼吸效应研究相对完善，呼吸效应振荡频率的简单表达式为[15]：

(1)

式中：F为呼吸效应振荡频率；vi为离子速度；va为中性原子速度；L为加速区长度。

忽略推力器放电室内原子速度的差异，呼吸效应的频率主要取决于加速区的长度和离子速度。当加速区长度保持稳定时，通过振荡频率的高低能够判断离子速度的大小。假设离子运动速度只有轴向分量且加速区长度保持不变，那么推力器的比冲可以近似表示为：

(2)

式中：Isp为比冲；g为重力加速度。

从式(2)可以看出，在加速区长度和原子速度保持不变的情况下，呼吸效应的振荡频率越高推力器的比冲越高。由于推力器放电过程中加速区不规则、原子速度差异和离子运动方向的偏差，导致放电电流低频振荡频谱不是单峰。需要对振荡频率进行加权平均，从而得到低频振荡平均频率与比冲的关系。考虑到频谱分析的幅值与对应频率振荡强弱有关，引入平均频率作为推力器低频振荡频率高低的判据。平均频率的计算方式可以简单表示为：

(3)

(1)仅改变磁场情况下低频振荡与比冲的关系

为了验证低频振荡频率与推力器比冲的关系，在放电电压为300 V、阳极流量49.4 mL/min工况下，改变内磁电流和外磁电流的比值(即内外磁电流比)，研究低频振荡平均频率与阳极比冲的关系。

图8给出了平均频率和阳极比冲随内外磁电流比的变化。两者均在内外磁电流比为0.8时达到最大值，对应的比冲和频率分别为1 680 s和17.43 kHz。内外磁电流比小于0.8时，平均频率和阳极比冲均随内外磁电流比增加逐渐增大。内外磁电流比大于0.8时，平均频率和阳极比冲均随内外磁电流比增加逐渐减小。

图8 低频振荡平均频率与阳极比冲的关系Fig.8 Relationship between the average frequency of low-frequency oscillations and anode specific impulse

(2) 400 V不同振荡模式分析

1)低振荡模式。图9所示为放电电压400 V阳极流量31.4 mL/min时，推力器低振荡工作模式羽流形状及振荡分析。该工况下推力器放电电流为2.81 A，放电电流振荡峰峰值为770 mA，推力51.8 mN，比冲1 717.6 s。放电电流振荡最大幅度值为0.011 5 A,平均频率为13.64 kHz。低振荡模式下，羽流方向较为分散，放电电流低频振荡频谱分布较为分散。

2)高振荡模式。图10所示为放电电压400 V阳极流量31.4 mL/min时， HET-80HP的羽流形状及放电电流振荡频谱分析结果。该模式下，放电电流为2.70 A，放电电流振荡峰峰值为3.01 A，推力54.9 mN，比冲1 820.4 s。放电电流振荡最大幅度值为0.214 1 A,平均频率为14.89 kHz。高振荡模式下，羽流较为集中，放电电流振荡频率分布比较集中，推力器内部的振荡模式单一。

图9 400 V低振荡模式Fig.9 Low oscillation mode when operation at 400 V

图10 400 V高振荡模式Fig.10 High oscillation mode when operation at 400 V

3 结束语

本文对HET-80HP高比冲霍尔推力器开展了点火试验研究，分析了该推力器的性能并与HET-80M和SPT-100进行了对比。此外，研究了该推力器放电电流平均值随时间的变化和放电电流低频振荡的特点。得出的主要结论如下：

1)试验条件范围内，推力器比冲与放电电压和流量均正相关，试验测量最高比冲达2 624 s。将HET-80HP与HET-80M和SPT-100进行对比发现HET-80HP在大流量和高电压情况下，推力器的比冲均有明显提高。

2)正常磁场冷启动情况下，推力器放电电流达到相对稳定大约需要70 min。在推力器设定的工作参数范围内电流尖峰是否存在，主要取决于推力器磁场位形。异常磁场冷启动时，电流单调递减且相对正常磁场能够更快达到相对稳定。试验中异常磁场情况下，均存在电流尖峰，可能是异常磁场情况下外场较弱导致的。

3)仅改变磁场情况下，阳极比冲与低频振荡的平均频率随内外磁电流比的变化趋势基本一致。对于推力变化较小或者推力测量不方便的情况，平均频率可以作为判断推力器比冲高低的参考因素。

4)推力器放电电压为400 V时，具有低振荡和高振荡两种工作模式。低振荡模式下，电流峰峰值较低，放电电流振荡频率分布较分散平均频率较低，离子速度差异较大导致推力器比冲相对较低。高振荡模式下，电流峰峰值较高，推力器电流振荡频率分布较为集中平均频率较高，离子速度差异较小推力器比冲相对较高。