電推進地面環(huán)境模擬試驗主要用于完成對電推進器性能和可靠性等進行測試。由于電推進羽流效應的影響，電推進地面環(huán)境試驗對于試驗設備提出了嚴格的真空抽氣要求。文章通過對電推進系統(tǒng)工作時的試驗特點、真空要求及存在問題進行分析，結(jié)合國際上電推進地面環(huán)境試驗設備的發(fā)展現(xiàn)狀與研究進展，對該類測試設備的真空系統(tǒng)實現(xiàn)配置進行研究，總結(jié)出應對該類試驗所需的真空抽氣策略與研究方法，為后續(xù)電推進地面環(huán)境試驗設備的研制和試驗測試提供參考。

　　為了滿足未來航天任務高性能、長壽命的空間推進要求，電推進技術(shù)的研究日益受到各國的重視，美國、俄羅斯、歐空局、日本都在加強電推進技術(shù)的研究，并已成功應用于多項空間任務，電推進技術(shù)對于深空探測及衛(wèi)星長期在軌的任務具有巨大的應用前景。

　　電推進系統(tǒng)在實際應用前需要經(jīng)過全面的地面測試來驗證其性能等級、使用壽命及與環(huán)境的兼容性，通過大量的環(huán)境試驗可以完全的了解在不同環(huán)境狀態(tài)下推進系統(tǒng)的性能參數(shù)和使用情況，識別和消除潛在的風險，提高其有效性和可靠性。目前國外先進研究機構(gòu)和公司都建立了用于各類電推進系統(tǒng)地面試驗的測試系統(tǒng)，未來電推進環(huán)境試驗技術(shù)將成為電推進技術(shù)研究的重要補充。

　　由于電推進羽流效應的影響，電推進地面試驗對于試驗設備提出了嚴格的真空抽氣要求，特別是以氙氣等惰性氣體為工質(zhì)的推進系統(tǒng)，由于氙氣的特殊性對其地面試驗的真空獲得與維持提出了更高挑戰(zhàn)。合理的真空系統(tǒng)配置可避免試驗過程中氣體干擾造成的試驗數(shù)據(jù)偏差，避免電推進在試驗過程中的濺射污染效應，因此電推進試驗，特別是氙氣工質(zhì)電推進環(huán)境試驗其真空系統(tǒng)配置策略是一項重要的研究課題。

1、電推進地面試驗真空環(huán)境要求

　　1.1、真空環(huán)境要求

　　理想的真空環(huán)境應能完全復制電推進工作的實際空間狀態(tài)，包括對環(huán)境氣體狀態(tài)(化學成分、密度、溫度等)和推進器表面狀態(tài)(形狀、材料、溫度等)都提出了較高的要求。因此，理想的真空環(huán)境狀態(tài)實現(xiàn)成本較高。根據(jù)國外電推進環(huán)境測試的要求總結(jié)，為了準確模擬電推進試驗的工作狀態(tài)，其測試設備對真空環(huán)境的要求主要包括：

　　1)工作真空度要求

　　為保證推進器的正常工作測試設備應具有足夠高的真空度，如果容器真空度太低，推進器和背景氣體之間的作用會對試驗數(shù)據(jù)造成干擾，造成測試試驗的不準確，同時本底壓力太高也會造成放電的不穩(wěn)定。未來對于大功率、長壽命電推進系統(tǒng)，在其環(huán)境試驗測試過程中，長時間穩(wěn)定的獲取足夠高的真空度將是一項重要的關鍵技術(shù)。

　　2)真空抽氣速度要求

　　電推進環(huán)境試驗技術(shù)，特別是以氙氣為推進工質(zhì)的推進系統(tǒng)對于設備抽氣速度的要求非常高。以波音公司XIPS 設備為例，其直徑6 m，長12米，配備了30 臺低溫泵，與傳統(tǒng)的熱真空試驗設備相比，世界最大的環(huán)境模擬器SPF 直徑30 m，高37 m 也僅有26 臺真空泵。根據(jù)研究，對于不同的推進器類型、功率以及試驗目的均對抽氣速率均提出較高的要求。

　　3)工作時間要求

　　電推進系統(tǒng)對工作壽命有更高的要求，執(zhí)行時間通常需要數(shù)千甚至上萬小時。因此電推進地面環(huán)境壽命測試對設備的真空維持時間與設備可靠性提出了較高的要求，測試過程中設備的真空環(huán)境需持續(xù)滿足試驗要求，因此設備真空系統(tǒng)的抽氣能力和設備可靠性應滿足系統(tǒng)長時間工作的要求。

　　1.2、存在的問題

　　傳統(tǒng)的熱真空試驗設備真空系統(tǒng)不能完全滿足電推進試驗的真空要求，主要表現(xiàn)在：

　　1)電推進工作時須持續(xù)通入工質(zhì)，經(jīng)電離后轉(zhuǎn)化為高能束流噴射到真空試驗容器內(nèi)，特別是對于大功率電推進系統(tǒng)，其更高的功率意味將消耗更多的氣體工質(zhì)。推進工質(zhì)在真空容器內(nèi)經(jīng)過真空系統(tǒng)進行抽除，意味著真空系統(tǒng)需具有比傳統(tǒng)熱真空試驗設備更大的抽氣能力才能滿足電推進工作真空度的維持。

　　2)對于氙氣工質(zhì)電推進系統(tǒng)，由于氙氣的特殊性，傳統(tǒng)的真空泵不能完全勝任氙氣的抽除：分子泵對氙氣抽速較小且成本較為昂貴；擴散泵其工作原理決定可能會對推進系統(tǒng)造成油污染；低溫泵是傳統(tǒng)熱真空試驗真空獲得的主泵，但低溫泵對氙氣抽除能力較弱，電推進工作時的氙離子能量較大，造成低溫泵作為氙氣工質(zhì)電推進試驗的抽氣主泵具有一定的局限性。

2、國外電推進試驗設備真空抽氣技術(shù)

　　2.1、ALTA 公司IV4 測試設備

　　IV4 是ALTA 公司霍爾推進器測試設備的重要部分，IV4 真空容器直徑2m，總?cè)莘e為8m³，設備配備四級真空抽氣系統(tǒng)：第1 級為粗抽真空系統(tǒng)，主要設備包括粗抽干泵；第2 級為分子泵系統(tǒng)；第3 級為高真空抽氣系統(tǒng)，主要設備包括自屏蔽低溫泵；第4 級為大抽速低溫抽氙系統(tǒng)，容器內(nèi)部配備冷頭驅(qū)動制冷的冷板，主要用于電推進工作時氙氣的抽除。真空系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)130,000 L/s 對氙氣的抽速，并可以達到10^-6 Pa 的極限真空。

圖1 ALTA 公司IV4 測試設備

　　2.2、德國JUMBO 地面環(huán)境試驗設備

　　JUMBO 地面環(huán)境試驗設備真空容器直徑2.6m，長6m，體積30 m³，為了滿足氙氣抽除能力，該設備配置8 套抽氙低溫冷頭，最終可達到100,000 L/s(Xe)的抽氣能力，可以滿足束流功率10kW 的推進系統(tǒng)測試，真空泵組及其它測試設備的安裝位置如圖2 所示。

圖2 德國JUMBO 地面環(huán)境試驗設備

　　2.3、德國STG-ET 測試設備

　　德國STG-ET 測試設備真空抽氣系統(tǒng)設計可滿足典型電推進器高達100 sccm 的抽氣需求，設計抽速100,000~200,000 L/s(Xe)。圖3 為該設備的真空系統(tǒng)示意圖，低溫泵包括7 個冷頭，每個冷頭對氙氣的抽速為30,000 L/s，該系統(tǒng)后續(xù)將增加液氦系統(tǒng)，通過液氦增壓泵實現(xiàn)400,000 L/s的擴展抽速。

圖3 德國STG-ET 測試設備

　　2.4、日本NAL 測試設備

　　該測試設備真空容器內(nèi)徑3 m，直筒段長3 m，副容器直徑1.5 m，長0.8 m，真空容器總體積約30 m3。容器內(nèi)裝有冷板以有效抽除氙氣，同時容器內(nèi)安裝熱沉和和隔熱材料減少對冷板的熱輻射。低溫冷板為臥式筒狀鋁結(jié)構(gòu)，直徑2.7m，內(nèi)部通過低溫制冷機驅(qū)動對其實現(xiàn)循環(huán)制冷。

　　通過對世界先進電推進測試設備發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)，除傳統(tǒng)的低溫泵作為主泵的測試系統(tǒng)配置外，為了克服抽氣能力不足的局限，目前電推進地面試驗設備一般采用四級真空抽氣配置進行抽氣。典型的真空系統(tǒng)配置包括四級干式無油系統(tǒng)，第1 級為粗抽真空系統(tǒng)，主要設備為羅茨機組；第2 級真空抽氣為分子泵抽氣系統(tǒng)；第3 級為高真空抽氣系統(tǒng)，主要設備包括低溫泵；第4 級為氙氣抽除系統(tǒng)，一般通過冷頭驅(qū)動冷板抽氣或氦系統(tǒng)循環(huán)制冷冷板的方式，實現(xiàn)對氙氣的抽除。下表1 為國外先進研究機構(gòu)試驗裝置真空系統(tǒng)配置。

圖4 日本NAL 電推進測試設備

3、真空系統(tǒng)的配置設計

　　低溫冷頭驅(qū)動冷板抽氣或氦系統(tǒng)循環(huán)制冷冷板的方式其抽氣原理與低溫泵相同，都是通過低溫冷凝吸附的方式抽氣，所不同的是溫度與冷板結(jié)構(gòu)的差異。對于氙離子推進器，根據(jù)氙氣的飽和蒸汽壓- 溫度關系圖，當氙氣溫度達到50 K，氙氣的飽和蒸氣壓優(yōu)于10^-4 Pa 的真空度。因此冷板溫度不需要達到普通低溫泵二級冷頭的溫度，只需保證驅(qū)動抽氣冷板達到40~50 K 左右即可。

表1 國外測試設備真空系統(tǒng)配置

4、結(jié)束語

　　隨著世界各國電推進技術(shù)的迅猛發(fā)展，電推進地面環(huán)境試驗技術(shù)研究顯得尤為必要。本文通過對國外先進的電推進地面環(huán)境試驗真空抽氣技術(shù)現(xiàn)狀進行調(diào)研，總結(jié)出該類試驗真空系統(tǒng)的配置、計算與數(shù)值模擬優(yōu)化設計方法，為下一步我國進行先進電推進環(huán)境試驗技術(shù)和測試設備研制提供參考。