電推進地面環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工作時的試驗特點、真空要求及存在問題進行分析，結合國際上電推進地面環境試驗設備的發展現狀與研究進展，對該類測試設備的真空系統實現配置進行研究，總結出應對該類試驗所需的真空抽氣策略與研究方法，為后續電推進地面環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的研究，并已成功應用于多項空間任務，電推進技術對于深空探測及衛星長期在軌的任務具有巨大的應用前景。

　　電推進系統在實際應用前需要經過全面的地面測試來驗證其性能等級、使用壽命及與環境的兼容性，通過大量的環境試驗可以完全的了解在不同環境狀態下推進系統的性能參數和使用情況，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和公司都建立了用于各類電推進系統地面試驗的測試系統，未來電推進環境試驗技術將成為電推進技術研究的重要補充。

　　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的推進系統，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。合理的真空系統配置可避免試驗過程中氣體干擾造成的試驗數據偏差，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，特別是氙氣工質電推進環境試驗其真空系統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境要求

　　1.1、真空環境要求

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

　　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據造成干擾，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定。未來對于大功率、長壽命電推進系統，在其環境試驗測試過程中，長時間穩定的獲取足夠高的真空度將是一項重要的關鍵技術。

　　2)真空抽氣速度要求

　　電推進環境試驗技術，特別是以氙氣為推進工質的推進系統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，與傳統的熱真空試驗設備相比，世界最大的環境模擬器SPF 直徑30 m，高37 m 也僅有26 臺真空泵。根據研究，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

　　電推進系統對工作壽命有更高的要求，執行時間通常需要數千甚至上萬小時。因此電推進地面環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境需持續滿足試驗要求，因此設備真空系統的抽氣能力和設備可靠性應滿足系統長時間工作的要求。

　　1.2、存在的問題

　　傳統的熱真空試驗設備真空系統不能完全滿足電推進試驗的真空要求，主要表現在：

　　1)電推進工作時須持續通入工質，經電離后轉化為高能束流噴射到真空試驗容器內，特別是對于大功率電推進系統，其更高的功率意味將消耗更多的氣體工質。推進工質在真空容器內經過真空系統進行抽除，意味著真空系統需具有比傳統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)對于氙氣工質電推進系統，由于氙氣的特殊性，傳統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造成油污染；低溫泵是傳統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

　　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，總容積為8m³，設備配備四級真空抽氣系統：第1 級為粗抽真空系統，主要設備包括粗抽干泵；第2 級為分子泵系統；第3 級為高真空抽氣系統，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，容器內部配備冷頭驅動制冷的冷板，主要用于電推進工作時氙氣的抽除。真空系統能夠實現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 地面環境試驗設備

　　JUMBO 地面環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，該系統后續將增加液氦系統，通過液氦增壓泵實現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。容器內裝有冷板以有效抽除氙氣，同時容器內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構，直徑2.7m，內部通過低溫制冷機驅動對其實現循環制冷。

　　通過對世界先進電推進測試設備發展現狀進行總結，除傳統的低溫泵作為主泵的測試系統配置外，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。典型的真空系統配置包括四級干式無油系統，第1 級為粗抽真空系統，主要設備為羅茨機組；第2 級真空抽氣為分子泵抽氣系統；第3 級為高真空抽氣系統，主要設備包括低溫泵；第4 級為氙氣抽除系統，一般通過冷頭驅動冷板抽氣或氦系統循環制冷冷板的方式，實現對氙氣的抽除。下表1 為國外先進研究機構試驗裝置真空系統配置。

圖4 日本NAL 電推進測試設備

3、真空系統的配置設計

　　低溫冷頭驅動冷板抽氣或氦系統循環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構的差異。對于氙離子推進器，根據氙氣的飽和蒸汽壓- 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配置

4、結束語

　　隨著世界各國電推進技術的迅猛發展，電推進地面環境試驗技術研究顯得尤為必要。本文通過對國外先進的電推進地面環境試驗真空抽氣技術現狀進行調研，總結出該類試驗真空系統的配置、計算與數值模擬優化設計方法，為下一步我國進行先進電推進環境試驗技術和測試設備研制提供參考。