電推力器工作時(shí)，氙氣供氣管路上必須設(shè)置氣路電絕緣器抑制因低氣壓放電引起的擊穿，以確保電推力器正常工作，并避免衛(wèi)星結(jié)構(gòu)帶電。通過氣路電絕緣器工況分析，在帕邢放電原理基礎(chǔ)上，對提出的幾種氣路電絕緣器結(jié)構(gòu)方案開展了對比分析。考慮空間應(yīng)用環(huán)境、高可靠和小型輕質(zhì)化要求，并結(jié)合工作電壓等條件，重點(diǎn)對多級電壓分割絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。對不同級數(shù)的氣路電絕緣器結(jié)構(gòu)樣件進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠滿足當(dāng)前電推力器氣路電絕緣要求。該研究成果可推廣應(yīng)用于更高工作電壓和更大氣體流率的氣路電絕緣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　電推力器由于其比沖高、沖量精確可控、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)多用于航天器位置保持、軌道控制、深空探測主推進(jìn)等領(lǐng)域。電推力器工作時(shí)，其內(nèi)部的氣路管道與推進(jìn)劑供給單元之間必須采取電隔離措施，以避免管內(nèi)稀薄氣體放電擊穿導(dǎo)通致使推力器的高電壓( 300 ～2000 V DC) 直接加到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地上。國外的電推力器均采用了不同結(jié)構(gòu)的氣路電絕緣器實(shí)現(xiàn)氣路電隔離。美國的XIPS-25 和NSTAR-30 離子推力器采用了多級分割結(jié)構(gòu)的氣路電絕緣器，美國的NEXT 計(jì)劃的40 cm 離子推力器采用了微小球形氧化鋁陶瓷顆粒填充的多孔結(jié)構(gòu)氣路電絕緣器。

　　對于電推力器供氣管路內(nèi)部的放電，符合帕邢放電條件。在真空環(huán)境中工作的電推力器，相鄰電極間防止氣體放電的工作點(diǎn)一般設(shè)計(jì)在帕邢曲線左支線上，即氣壓越低或電極間距離越小，放電擊穿電壓越高。根據(jù)該設(shè)計(jì)原則，結(jié)合推力器具體結(jié)構(gòu)，論文針對性的開展了幾種氣路電絕緣技術(shù)方案的研究。在設(shè)計(jì)中采用不同的通道直徑、極間距和級數(shù)進(jìn)行性能對比研究，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，通過試驗(yàn)件的試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

1、氣路電絕緣器工況分析

　　電推進(jìn)系統(tǒng)在星上工作時(shí)，貯供子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)地與星結(jié)構(gòu)地同電位，見圖1。如果在貯供子系統(tǒng)與電推力器之間不采取高壓絕緣隔離措施，電推力器的高電壓將直接加到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上，造成極大的危害，如推力器不能正常工作、高壓電源短路損壞、系統(tǒng)各推力器間互相影響、改變星體上的公共電位，甚至造成整星癱瘓。

　　如圖1 所示，按照一般情況，推進(jìn)劑貯供子系統(tǒng)與電推力器之間采用帶隔離絕緣的金屬管路就可以既保證供氣的暢通，又不致使電推力器電極上的高電壓直接加到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地上。然而，電推力器供氣管路中的氙氣壓力一般在10² ～10³ Pa 量級，屬于稀薄氣體。稀薄氣體在遇熱、光、空間電磁輻射時(shí)，其中的電子與推進(jìn)劑氣體分子發(fā)生碰撞，容易發(fā)生電離擊穿導(dǎo)致絕緣失效。推力器工作時(shí)，氣路電絕緣器溫度大約在150 ～250℃范圍。上述這些工況均與氣路絕緣性能的設(shè)計(jì)直接相關(guān)。

圖1 氣路電絕緣器工作原理圖

　　一般來說，氣路電絕緣器絕緣失效方式有兩種，一是陶瓷絕緣體表面污染導(dǎo)致結(jié)構(gòu)絕緣失效而發(fā)生電導(dǎo)通，二是氣路管道稀薄氣體放電擊穿使氣體變成導(dǎo)體致使絕緣失效。因此，有必要研究設(shè)計(jì)一種特殊的結(jié)構(gòu)，保證在工作電壓、工作溫度和不同流量推進(jìn)劑條件下，既不發(fā)生結(jié)構(gòu)絕緣失效，又能有效抑制外界原因誘發(fā)的內(nèi)部氣體電離擊穿。

4、試驗(yàn)驗(yàn)證

　　根據(jù)其工作原理，在結(jié)構(gòu)一定的條件下，氣路電絕緣器擊穿電壓是內(nèi)部氙氣壓力的函數(shù)。盡管在物理學(xué)上帕邢氣體放電規(guī)律已經(jīng)比較清楚，但是對于特定用途的氣路電絕緣器來說，其性能與絕緣器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系比較復(fù)雜，因此通過內(nèi)部不同幾何尺寸設(shè)計(jì)并通過試驗(yàn)對比研究的方法，是驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)絕緣器帕邢氣體放電特性和優(yōu)化設(shè)計(jì)的最有效途徑。

　　針對不同級數(shù)的電壓分割式絕緣器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)。如圖6 試驗(yàn)結(jié)果表明，在0 ～10 mL/min流率區(qū)間， 10 級、15 級、20 級和25 級分段絕緣器最低擊穿電壓分別為27004，4000，6000 和8000 VDC。試驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)氣路電絕緣器工作在帕邢曲線左支。在流率不變的條件下增大絕緣器氣體通道直徑或增加級數(shù)都會(huì)使絕緣能力提高( 即最低擊穿電壓增大)；或者工作流率增大時(shí)，也可通過增大絕緣器氣體通道直徑或增加級數(shù)保證絕緣能力不下降。這就為不同工作電壓和不同流率要求的氣路電絕緣器設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

圖6 不同級數(shù)氣路電絕緣器絕緣性能

5、結(jié)論

　　根據(jù)帕邢放電規(guī)律，提出了幾種電推力器供氣管道的氣路電絕緣結(jié)構(gòu)，并對不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析。通過優(yōu)選確定了無磁場多級電壓分割式氣路電絕緣器結(jié)構(gòu)。該氣路電絕緣器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，絕緣能力完全滿足目前應(yīng)用的電推力器要求。并對不同級數(shù)的氣路電絕緣器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)表明了設(shè)計(jì)的合理性。該研究成果可推廣應(yīng)用于更高工作電壓和更大氣體流率的氣路電絕緣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。