M5型微波离子推力器10000h寿命实验*

黄文斌，周绍辉，刘 通，韩罗峰，鲁 超，张辰乙，李 航

（1.上海航天控制技术研究所·上海·201109；2.上海航天空间技术有限公司·上海·201109）

0 引 言

微波离子推力器是一种静电型推进装置，它利用微波能量击穿气体形成电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance, ECR）等离子体[1-3]，其中的离子在加速栅极的作用下被高速引出产生推力，引出的离子束流再被电子中和。微波离子推力器具有比冲高、无热电极烧蚀、寿命长、电源系统简单等优点，非常适用于长时间工作的空间飞行器。微波离子推力器2003年在“隼鸟1号”返回式深空探测器上首次得到空间应用，2010年6月探测器成功返回地面。长达7年的空间飞行历程证明了微波离子推力器的长寿命和高可靠性[4-6]。

M5型微波离子推力器是上海航天控制技术研究所研发的一款百瓦级离子推力器，目前正在开展工程样机转飞行样机的研究工作。寿命实验是所有电推进产品在空间应用之前必须进行的地面实验之一，美国“深空一号”卫星搭载的离子推力器在地面进行了高达30000h的寿命验证实验后才进行了飞行应用[7-9]。M5型微波离子电推力器目前还处于工程化研究和空间飞行验证实验阶段，对其寿命还没有进行深入的研究，尚未取得M5型离子推力器的确切寿命指标。因此，开展M5型离子推力器的寿命验证实验是非常必要且紧迫的。目前已经完成了M5型离子推力器10000h寿命地面验证的实验，记录并研究了在10000h的寿命实验过程中，其工作性能变化、启动性能变化以及栅极系统工作情况的变化。

1 实验设备

实验采用氪气作为推进剂，质量流率由地面微小流量控制器控制。实验电源采用地面实验电源。实验推力器为第四代M5型微波离子推力器，屏栅采用钼栅极，加速栅为石墨栅极。

图1给出了M5型微波离子推力器10000h寿命实验的系统示意图。如图1所示，实验装置包括真空舱、计算机和数据采集系统、M5型微波离子推力器、微波传输系统、气体供给系统和栅极电源。

1）真空舱：直径1.5m、长3m，配有4台磁悬浮分子泵机组，极限真空度可达10-4Pa，实验过程中保持真空度在5×10-3Pa以下；

2）计算机系统和数据控制板块：用于控制微波和工质供给，同时完成推力器工作参数的采集和记录；

3）微波传输系统：由集成化固态微波源和隔直器构成，微波源最大输出功率35W；

4）气体供给系统：由气瓶、质量流量控制器、气路隔直器等构成，氪气通过金属管路通入推力器，利用质量流量控制器控制氪气工质的供给；

5）栅极供电系统：主要由屏栅电源和加速栅电源构成，屏栅电源最大输出电压2000V，加速栅电源最大输出电压-500V。

图1 实验系统简图Fig.1 Schematic diagram of the test system

2 实验过程及实验结果

第四代M5型微波离子推力器采用多ECR区设计以提高放电室电离效率[10-12]。针对因加速栅形变造成栅极短路的故障模式，采用石墨栅极和钼栅级组合使用的设计，即屏栅采用钼栅级，加速栅采用变形量更少的石墨栅极。第四代M5型微波离子推力器设计推力3mN，比冲2500s，微波输入功率35W。考虑到经济性，寿命实验采用了氪气推进剂，所以推力器性能较氙气条件下有略微下降。氪气条件下推力器额定工作参数如表1所示。

表1 M5型微波离子推力器额定工作参数

M5型离子推力器寿命实验从2020年1月开始一直进行到2021年7月，累计工作10000h，整个实验过程中推力器状态稳定，定期开舱检查推力器状态。M5型推力器的全寿命周期的性能参数如表2所示。在寿命实验过程中进行了重复启动实验，验证了推力器在全寿命周期内的启动性能变化。

表2 M5型微波离子推力器全寿命周期内参数变化

2.1 M5型微波离子推力器性能变化

推力器的推力、比冲和放电损坏等性能参数可由实验数据计算得到，计算公式如下：

推力F

（1）

其中，Ib为离子源的引出束流；Us为加速电压；e为电子电荷量；M为氙气的分子质量。

比冲Isp

（2）

其中，t为时间；mp为气体质量流量。

放电损耗ε

（3）

其中，Pi为微波输入功率。

图2给出了推力器推力和比冲的变化趋势。由图2（a）可知，在全寿命周期内推力呈下降趋势，通过推进剂流量和微波输入功率的调节，推力变化很小，基本保持稳定。由图2（b）可知，比冲随着工作时间的增大而减小，当推力器工作10000h后，比冲由2460s降低为1844s。

放电损耗的变化反映了推力器的电离性能。由图3可知，推力器放电损耗随工作时间的延长而缓慢下降，说明放电室性能有所下降。由于推力器效率下降，产生相同推力所需的微波功率和推进剂流量随之增加。虽然推力器工作全寿命10000h内效率是下降的，但下降速率较小，通过适当调整微波功率和推进剂流量,仍然可以使推力器在满足性能指标的前提下正常工作。M5型离子推力器天线直接暴露在等离子体环境中，随着工作时间的增加，天线在等离子体作用下会出现导电性下降的趋势，从而影响微波能量传输效率，降低放电室内的电离效率，最终导致推力器效率和比冲的下降。

（a） 推力

（b） 比冲图2 M5型离子推力器推力和比冲变化趋势Fig.2 Trend of thrust and specific impulse of M5 ion thruster

图3 M5型离子推力器放电损耗变化趋势Fig.3 Trend of discharge loss of M5 ion thruster

2.2 M5型微波离子推力器启动性能变化

M5型微波离子推力器的启动过程如图4所示，红线代表微波和工质输入信号，黑线代表加速栅上收集电流的变化。从图4中可以看出，收集电流的变化略微滞后于微波和工质的输入，因为推力器内等离子体产生到达到稳态需要一定的时间。推力器点火信号发出后5s内可以在栅极处收集到电流，因此M5型离子推力器点火时间小于5s。

图4 推力器工作过程收集电流变化Fig.4 Collecting current changes during the working process of the thruster

图5给出了寿命实验不同阶段M5型推力器启动性能的测试记录。由图5可知，在10000h寿命实验过程中，推力器状态稳定，在整个实验阶段重复点火性能一致，并未出现点火性能明显下降的趋势。

在整个寿命实验周期内，推力器累计成功重复点火10000次，存在47次点火失败，点火失败在寿命末期出现的概率大于寿命初期，原因在于寿命末期微波天线受等离子体溅射影响，微波传输效率下降。所有点火失败发生后，推力器在下一个点火周期内都实现了成功启动，并未出现连续性的点火失败。在整个实验周期内，M5型离子推力器一次点火成功的概率达到了99.6%，二次点火成功率为100%。

（a） 寿命实验0h

（b） 寿命实验5000h

（c） 寿命实验10000h图5 重复启动性能测试Fig.5 Repeated start performance test

2.3 栅极系统变化

栅极系统是离子推力器的重要组成部分，在轨运行的离子推力器中栅极失效是主要的失效模式之一，因此提高栅极可靠性是离子推力器长寿命的关键。M5型离子推力器采用双栅极设计，加速栅在推力器工作过程中受到上游截获离子溅射腐蚀，以及下游交换电荷（Charge Exchange, CEX）碰撞产生的慢离子反流引起的溅射作用是加速栅腐蚀的重要原因，加速栅腐蚀速度随离子溅射能量的增加而加快，从而减少栅极系统的寿命。此外，加速栅的热变形也是造成栅极失效的重要原因之一。

为了提高栅极系统的可靠性，M5型离子推力器采用了钼屏栅和石墨加速栅组合使用的设计。石墨具有抗溅射能力强、热变形小的优点，是加速栅材料的理想选择之一。在整个10000h实验过程中，栅极系统并未出现短路故障，证明了石墨栅极可靠性满足M5型推力器使用需求。

图6所示为加速栅在实验前和10000h寿命实验后的照片。从图6中可以看出，10000h寿命实验后，加速栅极下游表面存在明显的被溅射腐蚀痕迹，加速栅下游圆形孔被腐蚀成六边形，并有明显的深槽台阶，这一现象反映出羽流区电荷交换碰撞后离子反流对加速栅产生侵蚀，栅极孔腐蚀现象随时间推移而加重。加速栅上游表面的腐蚀情况较轻，用游标卡尺测量极孔径没有明显变化。整个实验过程中，加速栅截获电流并未发生明显变化，实验结果证明了M5型离子推力器的栅极系统寿命大于10000h。

（a） 实验前下游

（b） 实验后下游

（c） 实验前上游

（d）实验后上游

3 结 论

通过M5型离子推力器的10000h寿命实验过程和结果分析，可以得到如下结论：

1）M5型离子推力器的寿命已超过10000h，在10000h的寿命实验过程中，推力器推力、比冲和放电损耗发生略微下降，性能指标在设计允许范围内，工作状态稳定。

2）10000h寿命实验过程中进行了10000次重复点火实验，充分证明了全寿命周期内M5型微波离子推力器具有重复点火可靠、启动响应快、运行平稳、工作参数稳定的特点。整个寿命周期内推力器的启动性能未出现明显下降。

3）M5型离子推力器的栅极系统通过了10000h寿命考验。加速栅上游栅极孔腐蚀较轻，直径还没有明显扩大。加速栅下游被离子反流腐蚀出深槽，孔型变成六边形。全寿命周期内栅极截获电流未发生明显变化。实验证明了M5型离子推力器的钼栅极和石墨栅极组合系统寿命已超过了10000h。