Page 104 - 《真空与低温》2026年第1期

席竹君等：对霍尔推力器大脉冲扰动的系统防护方法研究 101

ness of these protective measures is verified through a combination of simulation studies and experimental tests. The results
provide an engineering reference for ensuring the safe and reliable integration of Hall thrusters into spacecraft systems.
Key words：Hall thruster；the characteristics of high-current pulse discharges；the power processing unit（PPU）；protec-
tive measures；simulation studies and experimental tests

0 引言 加速喷出时，部分离子在加速喷出过程中会与陶瓷

霍尔推力器利用电场和磁场将惰性气体粒子 放电室出口附近表面发生碰撞，导致放电通道出口
电离并加速喷出，从而产生推力，具有高效率、高比 附近的壁面在高速离子轰击、溅射下不断受到侵
蚀 [6-7] ，材料表面发生削蚀，如图 1 所示。
冲、长寿命、可靠性高等优点，广泛应用于地球静

止轨道卫星轨道提升与位置保持、低地球轨道卫星
空心阴极
的轨道维持与离轨、深空探测与星际转移等领域。
电子
霍尔推力器稳态工作期间，通过阳极与阴极之
推进剂
间的等离子体形成放电回路。工质气体电路的不 E
稳定性会导致放电回路中出现 1～100 kHz 的放电 阳极 霍尔电流
（气体分配器）
电流振荡，也叫低频振荡 ，对推力器稳定工作影 霍尔加速器
[1]
磁极
[2]
响较大 。当低频振荡较大时，一方面电离引出的
B 离子
离子束密度发生剧烈波动，会对处于推力器羽流分
布区域内的材料产生较强的离子体溅射效应，使得
陶瓷放电室
材料表面区域受到等离子体的持续溅射、轰击，逐
渐削蚀 ；另一方面会导致大脉冲电流的出现，可 图 1 霍尔推力器通道侵蚀示意图
[3]
能引起推力器熄火、电源处理单元（PPU）的器件损 Fig. 1 Schematic diagram of Hall thruster channel erosion

坏，甚至通过整星电缆传导到卫星的一次母线，造
被侵蚀脱落的材料会朝着各个方向扩散，部分
成整星掉电的严重后果。
[8]
附着在通道沉积区内形成附着力较弱的沉积层 。
俄罗斯 Fakel 的 5 kW 级 SPT-140 霍尔推力器，
沉积层在陶瓷表面的附着力比较小，会在热应力、
在轨和地面试验中出现大脉冲电流放电扰动现象，
气流扰动等因素的作用下以颗粒或薄片的形式脱
导致推力器熄火，扰动持续 2 ms，电流峰值 80 A
落，进入放电通道 。由于电子热运动速度远高于
[7]
[4]
（额定 10 A），峰值脉宽 100 μs 级 。美国在进行
其他粒子，同时放电通道内磁极磁场对电子具有约
12.5 kW 级 HERMeS 霍尔推力器试验中发现，试验
束作用，通过库伦碰撞极大地增加了电子的有效碰
初期几乎每分钟都能够观察到小型的、不连续的
撞频率，脱落的沉积物颗粒进入等离子体后会更快
扰动。能诱发关机的严重扰动平均约为 5.9 h 发生 [9-10]
带负电，破坏了等离子体局部电中性平衡 ；另一
一次，升高阳极电压后，推力器工作过程中存在频
方面，脱落的沉积物材料在高能电子的撞击下更容
繁的大脉冲电流扰动，甚至瞬间导致了推力器熄火。
易被电离，成为新的等离子体，等离子体密度的飙
扰动期间，相对于推力器在 300 V、20 A 的额定工
升也提供了更多的导电粒子，被破坏的电中性平衡
作点，扰动的电流峰值接近 400 A 。
[5]
和撞击下产生的新等离子体会导致通道内等离子
放电扰动是由霍尔推力器固有特性决定，现阶
体密度增加或电子迁移率增加 ，使得等离子体局
[11]
段不可避免。如若不采取过流保护措施，大脉冲电
域不稳定，磁场对电子的约束瞬间失效，大量电子
流会传导到电源处理单元甚至其他单机，威胁整星
几乎无阻碍地直接涌向阳极，造成阳极电流 I a发生
安全，产生严重后果。因此，对 PPU 设计优化，针
雪崩式增长，形成尖锐的、瞬态的大电流脉冲 [12-13] ，
对性地采取过流保护措施显得尤为重要。
其增长可以近似为：
1 霍尔推力器放电扰动机理分析 t
exp （1）
I a (t) ≈ I a 0
推力器电离产生等离子体和加速离子的过程 τ
主要发生在陶瓷放电室中，推进剂气体从阳极端注 式中： I a (t)为在时间 t时的阳极电流； I a 0 为电流增长
入，在陶瓷通道中被电离成等离子体，离子被电场 的初始值； τ为一个非常短的时间常数，通常在微秒