電推力器工作時，氙氣供氣管路上必須設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，并避免衛星結構帶電。通過氣路電絕緣器工況分析，在帕邢放電原理基礎上，對提出的幾種氣路電絕緣器結構方案開展了對比分析。考慮空間應用環境、高可靠和小型輕質化要求，并結合工作電壓等條件，重點對多級電壓分割絕緣結構進行了設計分析。對不同級數的氣路電絕緣器結構樣件進行了試驗驗證。結果表明該設計結構能夠滿足當前電推力器氣路電絕緣要求。該研究成果可推廣應用于更高工作電壓和更大氣體流率的氣路電絕緣器結構設計。

　　電推力器由于其比沖高、沖量精確可控、實時性好等特點多用于航天器位置保持、軌道控制、深空探測主推進等領域。電推力器工作時，其內部的氣路管道與推進劑供給單元之間必須采取電隔離措施，以避免管內稀薄氣體放電擊穿導通致使推力器的高電壓( 300 ～2000 V DC) 直接加到衛星結構地上。國外的電推力器均采用了不同結構的氣路電絕緣器實現氣路電隔離。美國的XIPS-25 和NSTAR-30 離子推力器采用了多級分割結構的氣路電絕緣器，美國的NEXT 計劃的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構氣路電絕緣器。

　　對于電推力器供氣管路內部的放電，符合帕邢放電條件。在真空環境中工作的電推力器，相鄰電極間防止氣體放電的工作點一般設計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。根據該設計原則，結合推力器具體結構，論文針對性的開展了幾種氣路電絕緣技術方案的研究。在設計中采用不同的通道直徑、極間距和級數進行性能對比研究，實現了優化設計。最后，通過試驗件的試驗驗證了設計的有效性。

1、氣路電絕緣器工況分析

　　電推進系統在星上工作時，貯供子系統的結構地與星結構地同電位，見圖1。如果在貯供子系統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星結構上，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，推進劑貯供子系統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星結構地上。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，其中的電子與推進劑氣體分子發生碰撞，容易發生電離擊穿導致絕緣失效。推力器工作時，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計直接相關。

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致結構絕緣失效而發生電導通，二是氣路管道稀薄氣體放電擊穿使氣體變成導體致使絕緣失效。因此，有必要研究設計一種特殊的結構，保證在工作電壓、工作溫度和不同流量推進劑條件下，既不發生結構絕緣失效，又能有效抑制外界原因誘發的內部氣體電離擊穿。

4、試驗驗證

　　根據其工作原理，在結構一定的條件下，氣路電絕緣器擊穿電壓是內部氙氣壓力的函數。盡管在物理學上帕邢氣體放電規律已經比較清楚，但是對于特定用途的氣路電絕緣器來說，其性能與絕緣器設計結構的關系比較復雜，因此通過內部不同幾何尺寸設計并通過試驗對比研究的方法，是驗證該結構絕緣器帕邢氣體放電特性和優化設計的最有效途徑。

　　針對不同級數的電壓分割式絕緣器設計結構進行了試驗。如圖6 試驗結果表明，在0 ～10 mL/min流率區間， 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。試驗表明，該結構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都會使絕緣能力提高( 即最低擊穿電壓增大)；或者工作流率增大時，也可通過增大絕緣器氣體通道直徑或增加級數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計提供了試驗依據。

圖6 不同級數氣路電絕緣器絕緣性能

5、結論

　　根據帕邢放電規律，提出了幾種電推力器供氣管道的氣路電絕緣結構，并對不同的結構進行了對比分析。通過優選確定了無磁場多級電壓分割式氣路電絕緣器結構。該氣路電絕緣器結構緊湊、重量輕，絕緣能力完全滿足目前應用的電推力器要求。并對不同級數的氣路電絕緣器設計結構進行了試驗驗證，試驗表明了設計的合理性。該研究成果可推廣應用于更高工作電壓和更大氣體流率的氣路電絕緣器結構設計。