霍爾推力器點(diǎn)火過程研究現(xiàn)狀及展望

魏立秋，李文博，蔡海闊，孫建寧，楊鑫勇，于達(dá)仁

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2. 航天等離子推進(jìn)技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 引 言

霍爾推力器(Hall thruster，HT)，又稱穩(wěn)態(tài)等離子體推力器(Stationary plasma thruster，SPT)，是一種典型的電推進(jìn)裝置。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、比沖和效率較高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星的南北位保和軌道轉(zhuǎn)移等空間推進(jìn)任務(wù)[1]。

俄羅斯是最早開展霍爾推力器研究工作和進(jìn)行空間應(yīng)用的國家，其綜合技術(shù)水平在世界上處于領(lǐng)先地位。俄羅斯研制的霍爾推力器功率范圍很廣(50 W～50 kW)[2]，其典型的代表產(chǎn)品SPT-100是目前在軌運(yùn)行數(shù)量最多的推力器型號[3]。

自20世紀(jì)90年代隨著蘇聯(lián)的解體和冷戰(zhàn)的結(jié)束，霍爾電推進(jìn)技術(shù)迅速擴(kuò)散進(jìn)入歐美國家，由于其具備優(yōu)越的性能，該技術(shù)引起了美國眾多研究機(jī)構(gòu)的重視。到目前為止，其典型的產(chǎn)品BPT- 4000被應(yīng)用于美國A2100地球同步航天器衛(wèi)星平臺[4]，Busek公司的BHT-200在2006年12月已成功應(yīng)用于TacSat-2號衛(wèi)星上[5]。

歐洲針對霍爾推力器進(jìn)行研究的國家主要是法國[6]，法國涉足霍爾推力器的研究領(lǐng)域始于20世紀(jì)90年代初SNECMA公司與俄羅斯Fakel的技術(shù)引進(jìn)合作，通過技術(shù)消化和改進(jìn)，在1996年研制出了性能參數(shù)比SPT-100稍高的產(chǎn)品PPS 1350，并將其成功應(yīng)用于2003年發(fā)射的探月衛(wèi)星SMART-1上[7-10]。

日本對于霍爾推力器的研究起步較晚，但近幾年在工程化研究方面進(jìn)展較快。各研究機(jī)構(gòu)在中、低功率霍爾推力器的放電特性實(shí)驗(yàn)研究上做了大量的工作[11-13]。

上?？臻g推進(jìn)研究所是我國最早開展霍爾推力器研究的單位，該所自行設(shè)計(jì)了霍爾推力器推力測量地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了SPT-70、SPT-100推力器的研究，并開發(fā)了和推力器配合使用的鋇鎢空心陰極[14-15]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2002年開始，同俄羅斯MIREA大學(xué)展開合作，建立了等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，在該領(lǐng)域上開展了全面的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作[16-18]。同時(shí)經(jīng)過和北京控制工程研究所的深度合作，已經(jīng)成功研制出了HET-100 MF型號工程樣機(jī)，并于2016年11月13日隨長征5號火箭首發(fā)星發(fā)射升空完成在軌驗(yàn)證試驗(yàn)[19]。

霍爾推力器穩(wěn)定工作的前提是確保其可靠點(diǎn)火，尤其在應(yīng)用于小衛(wèi)星的編隊(duì)飛行任務(wù)[20]或高精度的脈寬調(diào)制模式時(shí)，推力器將頻繁地經(jīng)歷點(diǎn)火與關(guān)機(jī)過程[21]。這一瞬態(tài)過程關(guān)乎到推力器能否穩(wěn)定運(yùn)行，如若點(diǎn)火失敗，則一切優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)將沒有任何意義。并且隨著霍爾推力器逐漸從衛(wèi)星平臺的輔助推進(jìn)系統(tǒng)變?yōu)橹魍七M(jìn)系統(tǒng)[22]，一旦點(diǎn)火失效，將對整個(gè)衛(wèi)星平臺帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

因此，對現(xiàn)有的霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并梳理未來推力器點(diǎn)火啟動過程方面的研究方向很有必要。本文首先對推力器的點(diǎn)火啟動過程進(jìn)行了詳細(xì)地分析，然后對陰極電子源效應(yīng)對點(diǎn)火啟動過程的影響、點(diǎn)火啟動條件、點(diǎn)火啟動過程、點(diǎn)火過程中出現(xiàn)的沖擊電流及其抑制方法以及點(diǎn)火過程向穩(wěn)態(tài)放電過程轉(zhuǎn)換進(jìn)行了詳細(xì)的文獻(xiàn)總結(jié)，最后，針對未來霍爾推力器的應(yīng)用和研究方向，給出了推力器點(diǎn)火啟動過程方面的研究展望。

1 霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程分析

霍爾推力器的點(diǎn)火電路如圖1所示。霍爾推力器的點(diǎn)火啟動過程主要包括以下幾個(gè)步驟：首先對陰極進(jìn)行供氣并閉合加熱電源開關(guān)S4給陰極發(fā)射體加熱，使其達(dá)到發(fā)射電子的溫度；其次，閉合勵(lì)磁電源開關(guān)S2，對勵(lì)磁線圈進(jìn)行供電，閉合放電電源開關(guān)S1給推力器陽極施加電壓并供給工質(zhì)氣體(通常為氙氣)，在陰極和陽極之間形成軸向電場；然后，閉合點(diǎn)火回路的點(diǎn)火開關(guān)S3，瞬間在陰極觸持極上施加一個(gè)高電壓，使得陰極發(fā)生氣體擊穿點(diǎn)火同時(shí)將電子從陰極引出。隨后，從陰極發(fā)射的電子會被推力器出口附近強(qiáng)磁場區(qū)域的磁力線所捕獲，然后在正交電磁場下做霍爾漂移運(yùn)動，并通過碰撞和擴(kuò)散向放電通道內(nèi)運(yùn)動。在這個(gè)過程中電子會在陰極和陽極之間的軸向電場獲得能量，并會和先前聚集在推力器羽流區(qū)和放電通道內(nèi)的中性氣體發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生電子和離子。離子會受到軸向電場的加速作用迅速向推力器出口移動，而這些新產(chǎn)生的電子會繼續(xù)向陽極運(yùn)動并電離工質(zhì)氣體；最后，在沒有外界條件的限制下，就會發(fā)生工質(zhì)氣體的雪崩電離過程，并形成一個(gè)數(shù)倍于穩(wěn)態(tài)放電電流的點(diǎn)火沖擊電流，此時(shí)霍爾推力器的點(diǎn)火過程就基本結(jié)束了，而放電電流會以低頻振蕩的狀態(tài)逐漸向穩(wěn)態(tài)放電過程進(jìn)行過渡。

圖1 霍爾推力器點(diǎn)火回路Fig.1 Ignition circuit of Hall thruster

由上述分析可知，霍爾推力器的點(diǎn)火啟動過程是一個(gè)機(jī)理復(fù)雜且多因素耦合的非定常過程，包括陰極點(diǎn)火、瞬態(tài)時(shí)刻的電子傳導(dǎo)過程、中性氣體瞬間電離和加速以及等離子體建立和外部電磁場以及濾波回路耦合等過程。推力器點(diǎn)火過程可能會發(fā)生異常，如出現(xiàn)陰極啟動失效、點(diǎn)火啟動延遲、點(diǎn)火沖擊電流峰值較大導(dǎo)致放電電源保護(hù)熄火等。因此，總結(jié)霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程中主要的研究點(diǎn)如下：1)陰極電子源效應(yīng)對點(diǎn)火啟動過程的影響；2)點(diǎn)火啟動條件；3)點(diǎn)火啟動過程及等離子體演化過程；4)點(diǎn)火沖擊電流及其抑制方法；5)點(diǎn)火過程向穩(wěn)態(tài)放電轉(zhuǎn)換過程。

2 霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程研究現(xiàn)狀

2.1 陰極電子源效應(yīng)對點(diǎn)火啟動過程影響

霍爾推力器的點(diǎn)火啟動過程首先從陰極發(fā)射電子開始，而陰極不同的安裝位置和所處的磁場環(huán)境會對陰極初始發(fā)射的電子進(jìn)入放電通道的路徑和能量獲取過程產(chǎn)生重要的影響。Ellison等[23]采用一臺Phantom v7.3高速相機(jī)得到了點(diǎn)火啟動過程中推力器羽流區(qū)正面的圖片。結(jié)果顯示，由于陰極的存在導(dǎo)致霍爾推力器的點(diǎn)火圖像存在周向不對稱性。Ermilov等[24]對采用熱發(fā)射陰極的非自持放電的霍爾推力器點(diǎn)火過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在點(diǎn)火時(shí)刻，總放電電流可能超過穩(wěn)定狀態(tài)的10～20倍；放電電流的峰值和持續(xù)時(shí)間取決于陰極的發(fā)射能力。并且發(fā)現(xiàn)推力器通道中的磁場值對點(diǎn)火電位有一定的影響，當(dāng)磁場處于某一范圍時(shí)，推力器的點(diǎn)火電位存在最小值。

Li等[25]采用高速相機(jī)拍照和PIC數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了陰極軸向位置改變對霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程的影響，發(fā)現(xiàn)主要存在兩個(gè)方面的差異：1)當(dāng)陰極軸向位置距離推力器出口平面更近時(shí)，點(diǎn)火啟動過程初始階段推力器出口附近產(chǎn)生的離子密度更多；2)當(dāng)陰極軸向位置距離推力器出口平面更近時(shí)，點(diǎn)火啟動過程中的工質(zhì)雪崩電離過程會提前發(fā)生，并且會形成峰值更高的點(diǎn)火沖擊電流。然后，Li等[26]采用高速相機(jī)拍照的方法研究了陰極位于不同的磁場環(huán)境對推力器點(diǎn)火啟動過程的影響，結(jié)果顯示主要存在三個(gè)方面的差異:1)在點(diǎn)火初始時(shí)刻，與陰極位于磁分界面外相比，陰極位于磁分界面內(nèi)時(shí)陰極和推力器出口附近的光強(qiáng)亮度較弱；2)當(dāng)點(diǎn)火開始之后，與陰極位于磁分界面外相比，陰極位于磁分界面內(nèi)可以在陰極出口和推力器內(nèi)磁極之間看到明顯的等離子體橋現(xiàn)象；3)與陰極位于磁分界面內(nèi)相比，陰極位于磁分界面外時(shí)點(diǎn)火過程向穩(wěn)態(tài)過程轉(zhuǎn)換中可以觀察到典型的低頻振蕩現(xiàn)象。造成二者點(diǎn)火啟動過程不同的主要原因是陰極和磁分界面相對位置不同使得陰極發(fā)射電子傳導(dǎo)的路徑不同。當(dāng)陰極位于磁分界面內(nèi)時(shí)，陰極發(fā)射的電子通過陰極和推力器之間的等離子體橋進(jìn)入放電通道內(nèi)部；當(dāng)陰極位于磁分界面外時(shí)，陰極發(fā)射的電子首先在磁分界面外做霍爾漂移運(yùn)動，然后橫向穿越磁力線進(jìn)入放電通道內(nèi)部。

同時(shí)，Li等[27]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同陰極工作參數(shù)對霍爾推力器點(diǎn)火電壓閾值的影響，如圖2所示。由圖2(a)～圖2(b)可知，霍爾推力器的點(diǎn)火電壓閾值隨著陰極觸持極電流增大而降低，尤其是陰極流量較大時(shí)。由圖2(c)可知，霍爾推力器的點(diǎn)火電壓閾值隨著陰極流量增大而降低；與陰極觸持極電流較低時(shí)相比，當(dāng)陰極觸持極電流較大時(shí)，這種降低的效果會更加明顯。造成這種現(xiàn)象的原因主要是由于陰極觸持極電流和質(zhì)量流量增大導(dǎo)致點(diǎn)火過程中陰極初始發(fā)射電子的密度顯著增大。

圖2 陰極工作參數(shù)對霍爾推力器點(diǎn)火電壓閾值的影響[27]Fig.2 Effects of cathode operating parameters on the ignition voltage threshold of Hall thrusters[27]

2.2 霍爾推力器點(diǎn)火條件研究

霍爾推力器的點(diǎn)火啟動過程是一個(gè)多因素耦合的過程，只有多個(gè)因素滿足一定條件下，霍爾推力器才能夠點(diǎn)火成功。Oghienko等[28-29]分析磁場強(qiáng)度、放電電壓和質(zhì)量流量對推力器點(diǎn)火啟動過程的影響，初步得到了推力器點(diǎn)火電壓與磁場強(qiáng)度和質(zhì)量流量的理論表達(dá)式，并在一臺SPT M-70推力器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，推力器點(diǎn)火電壓與磁場強(qiáng)度成正比，與質(zhì)量流量成反比。

推力器點(diǎn)火啟動過程中電子雪崩之前，陰極發(fā)射的電子與壁面和少量中性粒子碰撞會形成一個(gè)微小的電子傳導(dǎo)電流(暗電流)。魏立秋等[30]通過實(shí)驗(yàn)測量了暗電流隨質(zhì)量流量和勵(lì)磁電流的變化特性，如圖3所示。結(jié)果顯示，放電電壓越大，質(zhì)量流量越大，勵(lì)磁電流越小，點(diǎn)火前暗電流越大，達(dá)到電離雪崩發(fā)生的條件時(shí)間越短，推力器點(diǎn)火成功機(jī)率越大。

圖3 暗電流隨宏觀放電參數(shù)變化特性[30]Fig.3 Variation characteristics of dark current with macro discharge parameters[30]

2.3 點(diǎn)火啟動過程及等離子體演化過程研究

當(dāng)電子進(jìn)入放電通道內(nèi)部后，會發(fā)生瞬態(tài)時(shí)刻的電子傳導(dǎo)過程、中性氣體瞬間電離和加速以及等離子體建立過程。這一過程中不同時(shí)刻的等離子體參數(shù)變化，以及推力器羽流區(qū)和放電通道內(nèi)點(diǎn)火過程的轉(zhuǎn)化對于整個(gè)過程十分重要。Ellison等[23]采用一臺Phantom v7.3高速相機(jī)得到了點(diǎn)火啟動過程中推力器羽流區(qū)正面的圖片，如圖4所示。結(jié)果表明推力器的點(diǎn)火啟動過程約為50 μs，大致可以分為三個(gè)不同的階段。第一個(gè)階段為0～7 μs，陰極附近的工質(zhì)氣體首先被電離；第二階段為7～28 μs，工質(zhì)原子的雪崩電離過程發(fā)生；第三階段為28～50 μs，推力器逐漸向穩(wěn)態(tài)放電過程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖4 霍爾推力器點(diǎn)火羽流區(qū)正面圖像[23]Fig.4 Frontal image of Hall thruster ignition plume[23]

Vial等[31]使用高速相機(jī)拍攝了推力器點(diǎn)火啟動過程中羽流區(qū)側(cè)面的圖像。結(jié)果顯示點(diǎn)火啟動過程中推力器羽流區(qū)離子束的圖像顯示出與“呼吸”不穩(wěn)定性有關(guān)的等離子光強(qiáng)度的振蕩。Yan等[32]采用相似的方法研究了點(diǎn)火啟動瞬間推力器放電通道內(nèi)的等離子體參數(shù)變化特性。結(jié)果顯示工質(zhì)氣體中的激發(fā)和電離過程開始在通道出口附近，然后沿著通道向陽極上游傳播。朝陽極移動的電子的能量變化導(dǎo)致電離過程和激發(fā)過程交替出現(xiàn)，這是推力器啟動過程中通道不同區(qū)域的光強(qiáng)度變化的主要原因。

同時(shí)，為了更好地理解霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程中等離子體參數(shù)的變化特性，Taccogna等[33]采用二維軸對稱PIC模型計(jì)算了推力器點(diǎn)火過程中等離子體參數(shù)隨時(shí)間的變化特性。但是，他在模型中并未充分考慮到點(diǎn)火過程與穩(wěn)態(tài)放電過程的差異性，因此未能再現(xiàn)點(diǎn)火啟動過程中的點(diǎn)火沖擊電流。

Liu等[34]對其模型進(jìn)行了改進(jìn)，成功再現(xiàn)了推力器點(diǎn)火啟動瞬間的沖擊電流。并且更加細(xì)致地將點(diǎn)火過程中等離子體密度的變化過程分為三個(gè)階段：第一階段，1 μs左右，最大等離子體密度出現(xiàn)在了羽流區(qū)，并且在此形成了等離子體橋來傳輸電子；第二階段，20 μs左右，隨著電離逐漸發(fā)生，羽流區(qū)和靠近通道出口處的中性氣體密度逐漸降低，電離區(qū)在通道內(nèi)部形成；第三階段，50 μs左右，推力器進(jìn)入穩(wěn)定和正常工作模式，羽流區(qū)和靠近通道出口處的中性氣體密度再次降低。

考慮到PIC模型[33]中，模擬中不包括陰極區(qū)域和模擬時(shí)間太短，無法顯示整個(gè)點(diǎn)火過程，而在第二項(xiàng)研究中[34]，每個(gè)區(qū)域中的電子具有與實(shí)際工作條件不相似的最小數(shù)量，Wei等[35]對二者的PIC模型進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)。然后通過這個(gè)新模型，得到了推力器點(diǎn)火過程中等離子體參數(shù)的變化特性，如圖5所示。結(jié)果表明：在點(diǎn)火初始階段(見圖5(a))，產(chǎn)生的離子密度較低，主要分布在推力器出口羽流區(qū)；隨著點(diǎn)火過程逐漸增強(qiáng)(見圖5(b)～圖5(d))，原子和電子碰撞電離產(chǎn)生的離子密度顯著增高，在圖5(d)所對應(yīng)的工質(zhì)原子雪崩電離時(shí)刻達(dá)到最大值；之后點(diǎn)火過程逐步減弱(見圖5(e)～圖5(f))，放電通道內(nèi)的離子受到軸向電場的加速作用運(yùn)動到推力器出口外，離子密度顯著降低。

圖5 等離子體密度在點(diǎn)火不同階段的空間分布[35]Fig.5 Spatial distribution of plasma density at different stages of the discharge ignition[35]

2.4 霍爾推力器點(diǎn)火沖擊電流及其抑制方法研究

1)點(diǎn)火沖擊電流研究

由于霍爾推力器在點(diǎn)火啟動瞬間產(chǎn)生的電流量級可能高于百安培，遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)放電電流。這一瞬態(tài)點(diǎn)火沖擊會對整個(gè)推力器的電路和衛(wèi)星平臺母線產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾特性。因此，有必要了解點(diǎn)火沖擊電流的變化特性。

Zhakupov等[36]和Vial等[31]分別在霍爾推力器的放電試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在點(diǎn)火啟動過程中存在一個(gè)遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)放電電流的點(diǎn)火沖擊電流。不同的是，Zhakupov等[36]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明推力器點(diǎn)火瞬間存在兩個(gè)沖擊電流峰值，第一個(gè)沖擊電流峰值約為140 A，主要與濾波回路的電容放電相關(guān)；第二個(gè)沖擊電流的峰值為20 A左右，主要和大量的氙氣原子電離相關(guān)。

Li等[37]實(shí)驗(yàn)研究了宏觀放電參數(shù)(放電電壓、質(zhì)量流量和勵(lì)磁電流)對推力器點(diǎn)火沖擊電流的影響。結(jié)果表明勵(lì)磁電流對沖擊電流峰值和持續(xù)時(shí)間無明顯影響；隨著放電電壓增加，點(diǎn)火沖擊電流峰值增加，同時(shí)沖擊電流持續(xù)時(shí)間減?。浑S著質(zhì)量流量增加，點(diǎn)火沖擊電流峰值增加，同時(shí)峰值持續(xù)時(shí)間變大。

魯海峰[38]在一臺200 W永磁霍爾推力器上研究了不同宏觀放電參數(shù)下氙工質(zhì)和氪工質(zhì)的點(diǎn)火沖擊電流特性。研究表明，氪工質(zhì)點(diǎn)火沖擊電流隨宏觀放電參數(shù)的變化規(guī)律近似一致，但氙工質(zhì)沖擊電流達(dá)到峰值時(shí)間晚于氪工質(zhì)。高前[39]在一臺10 kW大功率霍爾推力器上研究了放電電壓等宏觀放電參數(shù)對點(diǎn)火沖擊電流初始階段的影響。結(jié)果表明,放電電壓與陽極流量能夠?qū)Ⅻc(diǎn)火啟動階段的上升斜率增大，而磁場強(qiáng)度增大卻將其斜率壓低。Li等[26]實(shí)驗(yàn)測量了陰極位于磁分界面內(nèi)外時(shí)霍爾推力器的點(diǎn)火沖擊電流。結(jié)果顯示與陰極位于磁分界面內(nèi)相比，當(dāng)陰極位于磁分界面外時(shí)，點(diǎn)火沖擊電流峰值較小，但是持續(xù)時(shí)間會略微延長。

目前，商業(yè)航天發(fā)展迅速，商業(yè)通信衛(wèi)星的全球低軌衛(wèi)星星座建設(shè)等任務(wù)(鴻雁星座，虹云工程)均需要小功率的霍爾推力器作為衛(wèi)星平臺的動力裝置[22]。但是對于小功率平臺的霍爾推力器來說，霍爾推力器點(diǎn)火過程產(chǎn)生的沖擊電流對于衛(wèi)星的擾動程度更大。如果以霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程沖擊電流的積分電荷和推力器功率之比表征推力器點(diǎn)火沖擊對衛(wèi)星平臺的擾動程度。通過計(jì)算可以得出，盡管200 W霍爾推力器的功率相對1.35 kW霍爾推力器較小，但是其點(diǎn)火沖擊電流對衛(wèi)星平臺的擾動程度是1.35 kW推力器衛(wèi)星平臺的600倍左右，非常值得引起研究者的重視。

霍爾推力器初始在軌點(diǎn)火時(shí)是處于冷態(tài)的，其放電陶瓷通道內(nèi)可能會殘存一些水蒸氣等雜質(zhì)氣體，這些因素對于霍爾推力器的點(diǎn)火啟動過程的沖擊電流也有著重要的影響。Hargus等[40]在一臺BHT-200-X3的推力器上發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火啟動過程會出現(xiàn)瞬態(tài)陽極電流，該陽極電流最多持續(xù)500 s，在暴露于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件后的初始啟動過程中導(dǎo)致陽極電流增加50%。陽極電流瞬變似乎是由于在氮化硼絕緣體的表面層上吸水的結(jié)果。Santos等[41]對在外界放置了一段時(shí)間的推力器進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)研究，得到了不同殘余雜質(zhì)氣體對推力器點(diǎn)火瞬間沖擊電流的影響，如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)推力器點(diǎn)火沖擊電流的增大和放電通道陶瓷壁面中存在的水分、氫氣和氮?dú)庀嚓P(guān)，并且雜質(zhì)氣體不會在電子上產(chǎn)生更多的導(dǎo)電性。

圖6 點(diǎn)火啟動過程中不同殘余氣體對點(diǎn)火沖擊電流峰值的影響[41]Fig.6 Influence of different residual gases on the peak value of ignition pulse current during ignition process[41]

顏世林等[42]對霍爾推力器點(diǎn)火啟動階段陶瓷壁面的放氣特性進(jìn)行了光譜研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在推力器從大氣環(huán)境轉(zhuǎn)移到真空罐中后的首次點(diǎn)火中，除了工質(zhì)氙的譜線外，在陶瓷壁面附近還存在氮、氧的譜線，并且兩種元素的譜線強(qiáng)度隨時(shí)間的變化趨勢與放電電流強(qiáng)度的變化趨勢相一致。

2)點(diǎn)火沖擊電流抑制方法研究

杜建華等[43]通過解析分析和變參數(shù)試驗(yàn)的方法研究了外回路參數(shù)與電源側(cè)脈沖電流峰值之間的規(guī)律。結(jié)果表明，隨著外回路電容和電感的增大，電源脈沖電流峰值減小。Wei等[44]通過公式推導(dǎo)推力器點(diǎn)火啟動瞬間電源側(cè)的沖擊電流峰值進(jìn)行了理論預(yù)測，計(jì)算公式表明點(diǎn)火啟動瞬間電源側(cè)的脈沖電流峰值只和放電外回路濾波單元中電容兩端的電壓降相關(guān)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)根據(jù)實(shí)際點(diǎn)火情況給出了一些建議，為了降低電源側(cè)的點(diǎn)火沖擊電流可以采用在一定范圍內(nèi)增大濾波器電容值或者降低放電電壓和質(zhì)量流量的辦法。

Li等[45]研究了不同濾波回路線圈參數(shù)對霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程電源側(cè)沖擊電流峰值的影響，結(jié)果顯示在相同電感值下，線圈匝數(shù)較多，導(dǎo)磁環(huán)較大的電感更有利于減小霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程中電源脈沖電流的峰值。

楊子怡[46]從工程應(yīng)用角度出發(fā)，綜合評估點(diǎn)火可靠性和點(diǎn)火沖擊電流的設(shè)計(jì)矛盾，通過點(diǎn)火裕度實(shí)驗(yàn)評估各個(gè)影響因素對點(diǎn)火可靠性的影響程度，最后以參數(shù)組合形式給出合理的點(diǎn)火參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。

2.5 霍爾推力器點(diǎn)火過程向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程研究

當(dāng)霍爾推力器點(diǎn)火成功后會逐漸向穩(wěn)態(tài)放電過程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這一轉(zhuǎn)換過程時(shí)間的長短、不同點(diǎn)火參數(shù)路徑調(diào)整對轉(zhuǎn)換過程的影響十分重要。

Oghienko[47]研究了面向航天器定向推進(jìn)系統(tǒng)的低功率霍爾推力器從點(diǎn)火過渡到穩(wěn)態(tài)放電過程的積分特性，并計(jì)算了霍爾推力器積分參數(shù)(推力、比沖和推力器效率)。結(jié)果表明,在霍爾推力器放電開始之后，過渡到相對穩(wěn)定推力的模式大約不超過1.5 ms。穩(wěn)定推力效率模式的轉(zhuǎn)換大約在2.5 ms內(nèi)。

在霍爾推力器中，點(diǎn)火過程向穩(wěn)態(tài)放電轉(zhuǎn)換中合理的參數(shù)調(diào)整路徑顯得尤為重要，不僅能夠降低點(diǎn)火參數(shù)所帶來的點(diǎn)火沖擊影響，而且能夠保證點(diǎn)火過程的可靠性并且在向穩(wěn)態(tài)工況過渡的過程也能夠平穩(wěn)地進(jìn)行。因此，高前[39]通過模擬的方式對單一變量在點(diǎn)火轉(zhuǎn)換過程的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明質(zhì)量流量能夠提升穩(wěn)態(tài)電流。其次，在模擬過程中通過更改陽極邊界的電壓值，觀察到陽極電流具有超調(diào)的趨勢。在經(jīng)過前期模擬研究后，進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)的方式對點(diǎn)火轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)先調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流再增加放電電壓的模式對于轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性以及降低電流振蕩方面具有促進(jìn)作用。

夏國俊[48]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同點(diǎn)火方式下點(diǎn)火瞬態(tài)沖擊電流的變化特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用先將電壓加到350 V，再將流量從0 sccm逐漸加到42 sccm自發(fā)點(diǎn)火方式造成的放電電流峰值最小，進(jìn)而對霍爾推力器系統(tǒng)損害最小。

3 討 論

從目前的文獻(xiàn)調(diào)研來看，國內(nèi)外霍爾推力器技術(shù)經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了全面工程化應(yīng)用的階段。我國已經(jīng)基本解決了霍爾推力器性能優(yōu)化的問題，目前的核心是如何提高可靠性和壽命的問題?？傮w來看，針對霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程，國內(nèi)外研究人員采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段對陰極電子源效應(yīng)對點(diǎn)火過程的影響、點(diǎn)火啟動條件、啟動過程、點(diǎn)火沖擊電流及抑制方法和轉(zhuǎn)換過程等方面做了大量的研究工作，但是也存在以下不足和繼續(xù)深入解決的問題：

1)制約點(diǎn)火啟動過程的內(nèi)部物理參量的量化表征仍需開展深入研究工作。在推力器點(diǎn)火啟動條件的研究中盡管世界各國的學(xué)者都發(fā)現(xiàn)改變?nèi)绶烹婋妷旱群暧^放電參數(shù)會改變推力器點(diǎn)火啟動的難易程度，但是大家并沒有深入研究制約推力器點(diǎn)火啟動的內(nèi)在物理參量和給出點(diǎn)火啟動臨界條件，后期研究中需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法完善這部分。

2)點(diǎn)火啟動過程中等離子體參數(shù)的時(shí)空分布特性需要進(jìn)行進(jìn)一步測量。針對點(diǎn)火過程的實(shí)驗(yàn)研究主要以高速相機(jī)為手段的唯象實(shí)驗(yàn)測量為主，并且受限于相機(jī)設(shè)備的限制，研究者所能獲得的點(diǎn)火圖像數(shù)量也是有限的，無法得到每一時(shí)刻的變化特性。因此，后期需要開展將霍爾推力器點(diǎn)火圖像和等離子體參數(shù)相結(jié)合的研究，真正了解霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程的等離子體變化特性。

3)霍爾推力器點(diǎn)火啟動PIC模型需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化提升。目前，針對推力器點(diǎn)火啟動過程研究還只是定性化的描述，對于點(diǎn)火啟動的物理過程，只是通過等離子體參數(shù)的變化大致將其分為三個(gè)階段。并且目前模擬所得的沖擊電流的持續(xù)時(shí)間與實(shí)際點(diǎn)火過程也存在一定的差異。因此，需要不斷地去完善和優(yōu)化霍爾推力器點(diǎn)火啟動PIC模型，使其內(nèi)部物理過程盡量和推力器實(shí)際點(diǎn)火過程一致，從而獲得更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

4)關(guān)于推力器點(diǎn)火沖擊電流的參數(shù)化表征及受控控制方法還未開展詳細(xì)的研究。盡管一些學(xué)者在研究過程中也涉及到霍爾推力器點(diǎn)火沖擊現(xiàn)象，但針對點(diǎn)火脈沖形成機(jī)制的認(rèn)識仍停留在定性理解層面上，對點(diǎn)火脈沖峰值/持續(xù)時(shí)間的影響因素，點(diǎn)火脈沖與點(diǎn)火參數(shù)之間的耦合以及點(diǎn)火脈沖電流的參數(shù)化表征和控制方法尚無系統(tǒng)的研究報(bào)道，因此后續(xù)研究過程中需要深入分析。

5)關(guān)于推力器點(diǎn)火啟動過程與外部濾波單元及電源母線單元的耦合特性探究還沒有引起相關(guān)研究者的重視。推力器點(diǎn)火啟動過程與外部回路耦合過程明顯，目前只是看到濾波器參數(shù)對點(diǎn)火沖擊電流峰值影響的研究，但同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火啟動過程中濾波器單元的電容兩端會產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的電壓波動，影響著點(diǎn)火穩(wěn)定性和電器絕緣性。同時(shí)推力器點(diǎn)火沖擊對電源母線會產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊擾動，其頻率和強(qiáng)度如何，和電源網(wǎng)絡(luò)如何匹配都未見研究。

6)有關(guān)推力器點(diǎn)火可靠性評估方法方面研究呈現(xiàn)空白性。目前對于可靠性評估理論主要應(yīng)用于陰極組件及性能的可靠性評估方面，推力器在軌點(diǎn)火主要依賴于地面工程經(jīng)驗(yàn)，文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外尚沒有提出或建立對于推力器點(diǎn)火可靠性的評估體系和標(biāo)準(zhǔn)。針對目前我國霍爾推力器即將進(jìn)入在軌應(yīng)用的背景，急需建立相關(guān)的可靠性評估理論，設(shè)置合理的在軌點(diǎn)火參數(shù)裕度，同時(shí)給出增長點(diǎn)火可靠性的建議，最大程度地保證霍爾推力器點(diǎn)火可靠性。

隨著霍爾推力器技術(shù)不斷發(fā)展，中等功率霍爾推力器的研究和工程化應(yīng)用已經(jīng)日漸成熟，未來霍爾推力器的發(fā)展和應(yīng)用主要向小功率、大功率、變工質(zhì)和長壽命及多模式可調(diào)方向進(jìn)行發(fā)展，因此關(guān)于霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程研究要點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

1)霍爾推力器點(diǎn)火沖擊電流抑制技術(shù)。如上所述，無論是小功率霍爾推力器，還是大功率霍爾推力器，其點(diǎn)火啟動過程中都會形成一個(gè)高于穩(wěn)態(tài)電流數(shù)十倍的點(diǎn)火沖擊電流。這一強(qiáng)烈的點(diǎn)火沖擊電流不僅會導(dǎo)致供電電源保護(hù)動作，電源輸出關(guān)閉，導(dǎo)致放電失?。欢覍ν七M(jìn)系統(tǒng)絕緣設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)提出前所未有的挑戰(zhàn)，甚至?xí)纬伤矐B(tài)不平衡力矩影響衛(wèi)星姿態(tài)。因此，需要研究推力器點(diǎn)火沖擊形態(tài)的形成機(jī)制和參數(shù)化表征方法，并給出推力器點(diǎn)火沖擊電流抑制方法。

2)霍爾推力器自勵(lì)磁點(diǎn)火技術(shù)研究?；魻柾屏ζ髟谲夁\(yùn)行過程中通過將勵(lì)磁電路與主放電電路串聯(lián)連接的自勵(lì)磁模式可以大大提高推力器的放電穩(wěn)定性。但是，當(dāng)同時(shí)建立自激模式磁場和放電時(shí)，點(diǎn)火過程將更加復(fù)雜，點(diǎn)火引發(fā)的研究具有更深的物理內(nèi)涵。

3)變工質(zhì)霍爾推力器點(diǎn)火技術(shù)。隨著世界各國大力發(fā)展氙氣電推進(jìn)技術(shù)，對于氙氣的消耗會顯著加劇。因此，急需尋找和發(fā)展其余工質(zhì)氣體作為推進(jìn)劑。與氙氣相鄰的氪氣不僅儲量豐富，價(jià)格低廉，而且其原子量相對氙較小，未來可以作為理想的推進(jìn)劑工質(zhì)氣體。并且美國商業(yè)航天Space X公司已經(jīng)于2019年5月24日將60顆星鏈計(jì)劃(Starlink)衛(wèi)星送入太空，這些衛(wèi)星的動力裝置全部采用氪工質(zhì)霍爾推力器，其應(yīng)用前景巨大。因此，需要開展氪工質(zhì)下的霍爾推力器點(diǎn)火技術(shù)。

4)霍爾推力器點(diǎn)火可靠性技術(shù)。霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程的高可靠性是保證推力器安全性和降低衛(wèi)星平臺故障率的關(guān)鍵。目前推力器在軌點(diǎn)火主要依賴于地面工程經(jīng)驗(yàn)，對于如何保證在軌點(diǎn)火的高可靠性并沒有相關(guān)的評估標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)體系。因此需要從本質(zhì)上綜合分析推力器點(diǎn)火啟動過程，給出其主要的失效模式、失效機(jī)理和嚴(yán)重程度，確定點(diǎn)火啟動過程主要影響因素及其對點(diǎn)火可靠性的影響，建立并完善霍爾推力器點(diǎn)火可靠性評估方法。

4 結(jié)束語

霍爾推力器的點(diǎn)火啟動過程是其安全在軌運(yùn)行的第一步，也是最關(guān)鍵的一步，點(diǎn)火啟動過程的研究是霍爾推力器技術(shù)的核心問題之一?；魻柾屏ζ鞯狞c(diǎn)火啟動過程是一個(gè)機(jī)理復(fù)雜且多因素耦合的非定常過程，涉及到多個(gè)相互耦合的子過程。經(jīng)過近50年的發(fā)展，國內(nèi)外霍爾推力器技術(shù)已相當(dāng)成熟，隨著各國低軌通信衛(wèi)星組網(wǎng)計(jì)劃的逐漸展開，正在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。那么對于霍爾推力器點(diǎn)火啟動過程問題的研究顯得更為重要。近年來，我國在霍爾推力器點(diǎn)火啟動技術(shù)方面取得了一定的成果，但是和國外相比仍然具有一定的差距。未來需要國內(nèi)的科研工作者緊盯國際前沿發(fā)展趨勢，結(jié)合國內(nèi)外應(yīng)用背景，扎實(shí)開展基礎(chǔ)研究，為我國霍爾推力器的點(diǎn)火啟動技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的支撐和保障。