霍尔效应推进器中运行参数对异常火花放电特性的影响实验研究

《Vacuum》：Experimental study on the influence of operating parameters on abnormal spark discharge characteristics in a Hall thruster

【字体：大中小】 时间：2026年09月05日 来源：Vacuum 4.3

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　　摘要异常弧光放电频繁导致霍尔推进器非计划关机，严重降低其在轨可靠性。地面实验将此现象归因于壁面沉积物的剥落。同时，放电电流脉冲在不同工况下呈现不同的分布特征。据推测，运行参数是主要影响因素。为量化其影响，研究在一台低功率霍尔推进器（额定电压300 V，阳极流量15 sccm，

摘要

异常弧光放电频繁导致霍尔推进器非计划关机，严重降低其在轨可靠性。地面实验将此现象归因于壁面沉积物的剥落。同时，放电电流脉冲在不同工况下呈现不同的分布特征。据推测，运行参数是主要影响因素。为量化其影响，研究在一台低功率霍尔推进器（额定电压300 V，阳极流量15 sccm，阴极流量2 sccm）上开展了实验。实验中使用了一种主动触发装置，将薄片注入放电通道，以模拟壁面沉积物剥落过程。系统研究了运行参数（磁场强度、阴极流量、阳极流量、阴极位置和阳极电压）对异常弧光放电特性的影响。实验结果表明，运行参数显著影响电流脉冲强度，且其影响呈非线性趋势。此外，增强电子霍尔漂移或提高电子温度的运行参数可诱发高强度的弧光放电脉冲。建议推进器应避免在强磁场或强振荡状态下工作，以降低弧光放电脉冲强度。

引言

近年来，随着深空探测和高轨卫星任务的发展，航天器对推进系统的效率、比冲和寿命提出了越来越严格的要求 [1]。尽管传统化学推进具有推力大的特点，但受限于比冲不足，难以支撑长时、远程任务 [2,3]。

如图1所示，霍尔推进器利用电磁场对工质进行电离和加速，产生稳定的推力和较高的比冲 [4,5]。因此，霍尔推进器已成为深空探测、高轨卫星轨道维持以及未来地外探索任务的关键推进系统 [6,7]。然而，在轨运行过程中，霍尔推进器容易发生突发的放电电流激增，这直接制约了其长期运行的稳定性 [8]。

例如，SPT-140霍尔推进器在轨运行及地面实验过程中均出现了剧烈的瞬态放电电流脉冲 [9]。其放电电流脉冲峰值达到了稳态放电电流的5.33倍，最终导致推进器关机，对在轨任务构成严重威胁。类似地，在地面加速寿命试验中，HERMeS霍尔推进器的放电电流在极短时间内急剧上升至稳态放电电流的18.8倍，并伴随"弧光"现象 [10]。一台300 W霍尔推进器在轨运行期间经历了多次放电扰动，其中一次严重扰动导致了母线供电中断；在后续卫星任务和地面故障排查试验中也观察到了类似现象 [11]。该现象随后被定义为异常弧光放电。这些事件表明，异常弧光放电并非偶发事件，而是霍尔推进器开发和应用中普遍存在的技术挑战。

如图2所示，单次异常弧光放电脉冲的特征为大电流脉冲峰值和极短持续时间，通常在数百微秒量级。因此，其放电参数难以用传统诊断方法准确捕捉，这给其物理机制研究和有效抑制策略的开发带来了巨大挑战。基于大量地面模拟实验，壁面沉积物剥落已被确认为异常弧光放电的主要成因 [[9], [10], [11]]。

为系统研究异常弧光放电特性，本研究所使用了一种主动触发异常弧光放电装置，将模拟剥落薄片注入放电通道。该方法模拟了壁面沉积物剥落引起的放电扰动，从而实现了对异常弧光放电的反复触发和观测。不同工况下的放电波形表现出显著差异：部分呈现高强度、短持续时间电流脉冲，而另一些则呈现低强度、长持续时间脉冲。推进器运行时，运行参数直接决定等离子体的状态和稳定性，从而影响其动态行为。因此推断，推进器运行参数很可能是支配异常放电电流波形的最主要因素。

基于上述分析，在控制单变量的条件下，主动调节推进器运行参数，每次注入薄片后恢复推进器至初始状态。随后开展异常弧光放电的主动触发实验，采集放电电流波形。计算放电电流脉冲强度，并拟合放电电流脉冲与稳态放电电流之比的概率分布。本研究旨在阐明推进器运行参数对异常弧光放电特性的影响。

章节摘要

霍尔推进器原型与薄片尺寸选择

本研究所采用的是一台低功率霍尔推进器，混合壁面结构，额定功率为400 W。霍尔推进器的陶瓷通道材料为BN，密度为1.96 g/cm³，纯度为99.4%。BN陶瓷部件采用粉末冶金与精密加工相结合的方式制造。本实验使用新的陶瓷通道壁面。在长期运行后，沉积膜厚度、电导率、剥落概率以及局部壁面

磁场强度对异常弧光放电特性的影响

实验在四种磁场强度下进行：280 G、320 G、360 G和400 G。其中，I_p表示放电电流脉冲峰值，I_s表示稳态放电电流。在磁场强度实验中，当磁场强度分别为280、320、360和400 G时，对应的平均稳态放电电流I_s分别为1.247、1.272、1.278和1.281 A。为定量表征放电电流脉冲强度，定义一个参数

讨论

已有研究已确认，异常弧光放电的根本原因是壁面沉积物剥落引起的电子霍尔漂移运动扰动 [24]。然而，本文的实验结果进一步表明，异常弧光放电的脉冲强度不仅由薄片本身决定，还受到推进器稳态放电条件的显著影响。

基于上述结果，不同运行参数的影响

结论

本研究通过改变推进器运行参数（磁场强度、阴极位置、阴极流量、阳极流量和阳极电压），对主动触发的异常弧光放电进行了实验研究。统计分析了放电电流脉冲峰值与稳态电流之比的概率分布，揭示了运行参数对异常弧光放电特性的影响。主要

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于巧辉：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法论，数据整理，概念构思。李红：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。赵鹏宇：撰写——初稿，可视化，验证，软件，形式分析，数据整理。钟超：可视化，验证，

资金来源

本工作由国家自然科学基金资助 [批准号 U25B20235]。

利益冲突声明

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