離子推力器的推力與其引出的束流成正比，束流的大小直接確定了推力。離子推力器在點火啟動后，在工作條件不變的條件下，其引出束流隨工作時間而下降。為找出束流下降的原因，以離子推力器為研究對象，通過分析引起離子推力器束流下降的各種因素，并對這些因素進行分析與驗證。經過對因素的分析定位，找出引起束流下降的主要原因。分析與驗證表明：影響離子推力器束流下降的決定因素為柵極組件固有特性、磁場固有特性和陰極固有特性，其中陰極固有特性是導致束流下降的主要原因。

　　引言

　　離子推力器是電推進的一種，其特點是推力小，比沖高，廣泛應用于空間推進任務，如航天器姿態控制、位置保持、軌道機動和星際飛行等任務。離子推力器在工作啟動后，其束流隨工作時間的推移出現下降的現象，并且隨時間推移趨于穩定。由于離子推力器引出的束流與推力成正比，其束流的下降，直接導致推力的減小，嚴重影響離子推力器的性能。

　　離子推力器引出束流主要與離子光學系統(亦稱柵極組件)、放電室推進劑流量，以及放電電流和電壓相關。柵極組件的幾何參數和加速電壓直接影響束流的大小；放電室推進劑流量不但限制了束流極限值，而且其流量的穩定性也會引起束流的變化；放電電流大小也確定束流的大小，根據設計經驗，束流通常占放電電流的20%左右，而放電電壓的變化同樣會引起束流的變化。從真空技術網(http://smsksx.com/)調研國外文獻調研來看，目前還沒有關于離子推力器在啟動后，束流隨時間而減小的相關報道。

　　為了尋找引起離子推力器在工作啟動后，束流隨時間下降的原因，文章通過分析影響束流下降的6個故障因素，并通過試驗驗證，確定引起束流下降的主要原因。

1、原因分析與驗證

　　1.1、影響束流下降的原因

　　離子推力器在工作啟動后，發現其引出束流在2 h內存在連續減小，特別是在前30 min內變化顯著，如圖1所示。

圖1 推力器束流下降示意圖

　　通過對離子推力器引出束流在其工作啟動時，連續下降的測試數據分析，導致推力器束流連續下降的原因有6個方面的因素。其中由于條件保障原因造成的條件事件有3個：供電電源異常(X1)、氣路漏氣(X2)及暴露大氣的影響未消除(X3)；由離子推力器本身原因造成的固有事件有3個：柵極組件固有特性(X4)、磁場固有特性(X5)及陰極固有特性(X6)。

　　1.2、分析與驗證

　　原因分析及驗證如下：

　　(1)供電電源異常

　　首先對地面電源進行了排查，沒有發現異常。并用測試的離子推力器進行了問題復現試驗，試驗結果基本符合。由此確認供電源處于正常狀態。

　　(2)氣路漏氣

　　在進行問題復現試驗前，對試驗設備真空室內氣路管路進行仔細的檢漏，確認管路不存在漏點后開展試驗，束流下降問題得到了復現。并采用2臺推力器進行試驗都出現這種現象，初步分析氣路漏氣的可能性較小。由此確認氣路不漏氣。

　　(3)離子推力器暴露大氣的影響未消除

　　為了消除大氣影響的測試，進行了專項試驗。試驗中，采用離子推力器、星用PPU電源和地面供氣系統進行。先對中和器和陰極通氙氣1 h，同時抽空排氣；中和器和陰極再用小電流預熱1 h；然后在陽極小電流下，放電起弧1 h。在離子推力器完成了消除暴露大氣影響的預處理后，進行了4次室溫啟動工作3 h試驗，如圖2所示。可看出點火啟動試驗束流變化的重復性較好，由此認為已消除了大氣的影響。

　　(4)柵極固有特性的影響

　　柵極組件對束流的影響分為雙柵間距的熱形變和柵極孔徑的熱形變。雙柵間距變大將導致束流減小；柵極孔徑變大使放電室中氣體密度減小，導致束流的減小。

圖2 離子推力器室溫啟動3 h 點火啟動試驗束流特性

　　a. 雙柵間距熱形變對束流的影響

　　初步估算離子推力器工作從室溫到熱平衡時，柵極組件雙柵間距的變化對束流的影響，如圖3所示。束流與雙柵間距為單調減的關系。

圖3 離子推力器柵極組件雙柵間距對束流的影響

　　造成雙柵間距變化的因素有2種，一種是溫度變化時，屏柵與加速柵間支撐高度隨溫度變化，使雙柵間距變化，離子推力器從室溫工作2 h，由于屏柵與加速柵間支撐高度隨溫度升高而增大，使雙柵間距變大。因此，離子推力器從室溫工作到熱平衡時，柵極組件雙柵間距使束流減小了3 mA，如圖3所示；另一種是由于屏柵和加速柵溫度分布不均勻，造成雙柵間距變化，離子推力器從室溫工作2 h，內側屏柵溫度高于外側加速柵溫度，使雙柵間距變小。

　　b. 柵極孔徑熱形變對束流的影響

　　在放電室流量一定時，放電室氣體密度與柵極組件氣體流導成反比，初步估算時可近似認為束流與放電與柵極組件氣體流導成反比。離子推力器從室溫工作2 h，加速柵平均溫度變化140 ℃，使加速柵極小孔直徑增大，致使小孔氣體流導率增大，使束流減小約1 mA。

　　(5)磁場固有特性影響的排查

　　離子推力器啟動后，推力器放電室磁路磁鐵溫度將逐漸上升并趨于平衡，由于磁鐵的剩磁溫度系數和內稟矯頑力溫度系數不為0，因此，放電室磁場將隨溫度變化而變化，與此對應的放電電流也將變化，引起束流變化，熱平衡過渡時間通常約3 h。離子推力器熱平衡實驗證明：推力器由室溫到熱平衡，磁場變化對束流的影響不超過1%。

　　(6)陰極固有特性的影響

　　為了驗證陰極發射性能的熱效應對束流的影響，進行了使離子推力器整體處于熱平衡狀態引束流的試驗。試驗中，陰極及中和器點火啟動成功后，維持放電室處于放電狀態而不引出束流，持續工作3 h，當離子推力器整體巳基本達到熱平衡狀態時，引出束流。束流隨時間變化，如圖4所示，圖中曲線1~3為離子推力器室溫下啟動直接引束流的結果，曲線4～6為離子推力器放電3 h后，再引束流的3次試驗結果。

圖4 放電室放電3 h 后引束流與工作啟動引束流的比較

　　由圖4可以看出，當推力器工作3 h后，引出的束流仍然下降約50 mA。在離子推力器整體處于熱平衡狀態，即磁場和機械熱變已處于穩定，束流下降認為是由陰極發射體熱效應造成的。試驗驗證了陰極固有特性對束流下降的影響。

2、分析定位

　　通過上述驗證分析可得：

　　(1)供電電源異常、氣路漏氣及暴露大氣的影響未消除等原因可以被排除；

　　(2)因離子推力器工作時間2 h，柵極組件熱效應使柵間距和柵孔徑變化，使束流減小4 mA，約占工作時間2 h束流下降總值的6%，故柵極組件固有特性是造成束流下降的原因之一，但影響小；

　　(3)因離子推力器工作時間2 h，磁場固有的熱效應特性使束流減小8 mA，約占工作時間2 h束流下降總值的12%，故磁場固有特性是造成束流下降的原因之一，但影響小；

　　(4)離子推力器工作時間2 h，陰極固有特性使束流下降約51 mA，約占工作時間2 h束流下降總值的81%。因此，陰極固有特性的影響是引起束流下降的主要因素。

3、結論

　　通過對離子推力器束流下降原因的分析，經過建立故障樹，并對底事件進行排查驗證，分析定位，得到引起離子推力器束流下降因素有：

　　(1)柵極組件的熱效應引起柵間距和柵孔徑的變化；

　　(2)磁鐵的熱效應引起磁場變化；

　　(3)陰極固有特性。

　　其中陰極固有特性是引起束流下降的主要因素，柵極組件和磁鐵也能引起束流下降，但是影響小，不是主要因素。