2023 年 6 月

第 44 卷 第 6 期

推　進(jìn)　技　術(shù)

JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY

June 2023

Vol.44 No.6

2210045-1

微型氙氣供給模塊性能研究及在軌應(yīng)用 *

官長(zhǎng)斌，王 冕，高 鶴，胡賀然

（北京控制工程研究所，北京 100098）

摘 要：傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)由于系統(tǒng)復(fù)雜、重量體積大、價(jià)格昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等劣勢(shì)，已無(wú)法適

應(yīng)低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座對(duì)低功率霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的輕質(zhì)化、低成本及快速研制的發(fā)展要求。本文提出一

種基于復(fù)雜流體通道先進(jìn)成型和微型化流體控制部件相結(jié)合的Bang-Bang控制型微型氙氣供給模塊，對(duì)

其結(jié)構(gòu)組成和工作原理進(jìn)行了介紹?；贛atlab與AMESim聯(lián)合仿真方式搭建了其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，

并采用Peng-Robinson方程考慮了氙氣的超臨界特性，對(duì)其Bang-Bang壓力控制特性進(jìn)行仿真研究。對(duì)

微型氙氣供給模塊與600W霍爾推力器的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，產(chǎn)品在軌工作穩(wěn)定，在軌數(shù)據(jù)與仿真結(jié)

果相吻合。

關(guān)鍵詞：霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)；微型氙氣供給模塊；Bang-Bang控制；仿真分析；在軌應(yīng)用

中圖分類號(hào)：V231.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-4055（2023）06-2210045-06

DOI：10.13675/j.cnki. tjjs. 2210045

Performance Research and On-Orbit Application of

Micro Xenon Feeding Module

GUAN Chang-bin，WANG Mian，GAO He，HU He-ran

（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100098，China）

Abstract：Due to the disadvantages of complex system， large weight and volume， high price， and long pro?

duction cycle， the traditional xenon feeding system has been unable to meet the development requirements of

low-power Hall electric propulsion system for low-orbit Internet satellite constellation， such as light weight， low

cost and rapid development. A Bang-Bang micro xenon feeding module based on complex fluid channels forming

method and miniaturized fluid control components is proposed， and its structural composition and working princi?

ple are introduced. Based on the co-simulation method of Matlab and AMESim， the system dynamic simulation

model is established where the supercritical characteristics of xenon gas are considered by the Peng-Robinson

equation. And the Bang-Bang pressure control characteristics are simulated. The on-orbit data of the micro xenon

feeding module and the 600W Hall thruster are analyzed， and the product works stably on-orbit， and the on-or?

bit data match well with the simulation results.

Key words：Hall electric propulsion system；Micro xenon feeding module；Bang-Bang control；Simula?

tion analysis；On-orbit application

* 收稿日期：2022-10-16；修訂日期：2022-12-21。

通訊作者：官長(zhǎng)斌，博士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榭臻g流體控制技術(shù)。E-mail：guanchangbin@163.com

引用格式：官長(zhǎng)斌，王 冕，高 鶴，等 . 微型氙氣供給模塊性能研究及在軌應(yīng)用［J］. 推進(jìn)技術(shù)，2023，44（6）：2210045.

（GUAN Chang-bin， WANG Mian， GAO He， et al. Performance Research and On-Orbit Application of Micro Xenon

Feeding Module［J］. Journal of Propulsion Technology，2023，44（6）：2210045.）

第 44 卷 第 6 期 微型氙氣供給模塊性能研究及在軌應(yīng)用 2023 年

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1 引 言

霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、推力小、比沖適

中、推功比高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天器軌道保持、

軌道提升、壽命末期離軌、深空探測(cè)等領(lǐng)域［1-3］

。目前

霍爾電推力器最理想的工質(zhì)為惰性氣體氙氣（Xe），

從高功率至低功率甚至微功率的霍爾推力器均采用

氙氣作為工質(zhì)氣體，獲得了較好的推力器性能，滿足

大多數(shù)航天任務(wù)需要［4-5］

?；魻栯娡七M(jìn)系統(tǒng)由霍爾推

力器、氙氣供給系統(tǒng)和功率處理單元三部分組成［6］

。

氙氣供給系統(tǒng)是電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其作用

是將氣瓶中的高壓氙氣轉(zhuǎn)化為電推力器所需的微小

流量［7］

。傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)沿襲了化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)分

布式的設(shè)計(jì)思路，采用金屬管路將各種閥門(mén)、傳感

器、過(guò)濾器及節(jié)流器等連接起來(lái)，目前已發(fā)射的將電

推進(jìn)作為動(dòng)力的飛行器絕大多數(shù)都采用這類傳統(tǒng)氙

氣供給系統(tǒng)［8］。但是，傳統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)復(fù)雜程度

高、體積和重量龐大、價(jià)格昂貴，嚴(yán)重制約了電推進(jìn)

系統(tǒng)的性能提升和應(yīng)用推廣。隨著微小電推進(jìn)衛(wèi)星

平臺(tái)的快速發(fā)展，特別是低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座對(duì)低

功率霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的迫切需求，傳統(tǒng)氙氣供給系

統(tǒng)的劣勢(shì)體現(xiàn)得更加明顯，已無(wú)法適應(yīng)新的發(fā)展要

求［9］

。因此，必須發(fā)展新型的微型化氙氣供給系統(tǒng)。

國(guó)外微型氙氣供給系統(tǒng)的研制起步于 2000 年左

右，在系統(tǒng)方案上主要包括金屬微流道結(jié)合一體化

焊接成型方式和 MEMS 方式兩種。2001 年，為了適

應(yīng)微小衛(wèi)星對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的需求，美國(guó) Vacco 公司借

助其在金屬刻蝕方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研制了一體化數(shù)

字式氙氣供給系統(tǒng)，上游采用 3 個(gè)串聯(lián)電磁閥進(jìn)行的

Bang-Bang 電子壓力控制，下游的 8 路節(jié)流器流量呈

現(xiàn) 8 位二進(jìn)制權(quán)系數(shù)比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了最大 255 倍的

陽(yáng)極流量調(diào)節(jié)［10］

。通過(guò)金屬刻蝕微細(xì)通道和整體式

焊接成型，實(shí)現(xiàn)了高度集成化。2009 年，Vacco 公司

在美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的資助下又設(shè)計(jì)了高集成度

的微型比例氙氣供給系統(tǒng)，包括壓力模塊和流量模

塊兩部分，均采用壓電比例閥進(jìn)行壓力和流量控制，

總重量為 1.4kg，可為 200W～4.5kW 的霍爾推力器提

供高精度的氙氣供給［11］。2013 年，德國(guó)先進(jìn)空間技

術(shù)中心為電推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一款微型化氙氣流量控

制單元［12］

，采用全焊接結(jié)構(gòu)，利用微型電磁閥的脈沖

寬度調(diào)制（PWM）控制來(lái)實(shí)現(xiàn)氙氣流量調(diào)節(jié)，流量調(diào)

節(jié) 范 圍 為 0.001~10mg/s，重 量 僅 為 60g，體 積 54mm×

46mm×25mm。2002 年，瑞典埃斯特朗空間技術(shù)中心

為 離 子 推 進(jìn) 系 統(tǒng) 研 發(fā) 了 一 款 微 型 化 氙 氣 供 給 單

元［13］，其高壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)壓電比例閥與壓力傳感器組

成閉環(huán)壓力控制，流量單元通過(guò)熱節(jié)流的方式實(shí)現(xiàn)

流量調(diào)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò) MEMS 工藝集成在一起，總

重量?jī)H為 150g，體積 52mm×52mm×42.4mm。該模塊

的 流 量 調(diào) 節(jié) 范 圍 在 0~40mg/s，流 量 調(diào) 節(jié) 分 辨 率 為

40μg/s，功耗小于 8W。

我國(guó)微型化氙氣供給系統(tǒng)的研制與國(guó)外相比，

大致晚了 20 年。作為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展氙氣供給技術(shù)研

究和產(chǎn)品研制的單位，北京控制工程研究所為滿足

低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星對(duì)低功率霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的需求，

于 2018 年開(kāi)始進(jìn)行微型氙氣供給模塊的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，

研制的 Bang-Bang 控制型微型氙氣供給模塊于 2020

年 1 月 16 日隨銀河航天首發(fā)星在軌首飛以來(lái)，已經(jīng)

陸續(xù)在 15 顆衛(wèi)星上成功在軌應(yīng)用［14］

。

本文介紹了 Bang-Bang 控制型微型氙氣供給模

塊的系統(tǒng)組成及工作原理。利用 AMESim 與 Matlab

聯(lián)合仿真工具建立其系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)其 BangBang 壓力控制特性進(jìn)行仿真研究。最后，對(duì)該模塊

與 600W 霍爾推力器的在軌應(yīng)用情況進(jìn)行了對(duì)比分

析，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

2 微型氙氣供給模塊的組成與原理

Bang-Bang 控制型微型氙氣供給模塊打破了傳

統(tǒng)氙氣供給系統(tǒng)管路連接式的設(shè)計(jì)思路，利用三維

復(fù)雜流體通道先進(jìn)成型技術(shù)構(gòu)建模塊基體，并采用

微型化的流體控制部件，實(shí)現(xiàn)了模塊的集成化、輕質(zhì)

化，產(chǎn)品重量?jī)H為 1.5kg，可滿足不同功率量級(jí)霍爾推

力器的使用要求。整個(gè)模塊包括微型壓力控制模塊

和微型流量控制模塊兩部分，產(chǎn)品如圖 1 所示。

微型壓力控制模塊包括兩個(gè)微型自鎖閥、四個(gè)

微型電磁閥、一個(gè)高壓壓力傳感器、兩個(gè)壓力傳感器

和一個(gè)緩沖罐。所有上述流體控制與測(cè)量元件均安

裝在一體化焊接而成的基板上，組成一個(gè)高集成化

的流體控制模塊。壓力控制模塊包含左右兩路冗余

圖1 Bang-Bang控制型微型氙氣供給模塊產(chǎn)品照片

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設(shè)計(jì)的 Bang-Bang 壓力控制支路，每一路均可實(shí)現(xiàn)兩

級(jí)串聯(lián)微型電磁閥的 Bang-Bang 壓力控制。采用兩

級(jí)串聯(lián)電磁閥一方面是為了增加密封可靠性，另一

方面是在氣瓶壓力很高的特殊工況下可以采用異步

Bang-Bang 控制以提高安全性。整個(gè)壓力控制模塊

的重量為 1.2kg，體積為 210mm×80mm×104mm。

微型流量控制模塊包含三個(gè)微型自鎖閥和三個(gè)

微型節(jié)流器，所有微型節(jié)流器均采用 MEMS 工藝技術(shù)

實(shí)現(xiàn)迷宮型流體通道，以此實(shí)現(xiàn)氣體節(jié)流。主干路

節(jié)流器控制總流量，陽(yáng)極節(jié)流器和陰極節(jié)流器實(shí)現(xiàn)

霍爾推力器陽(yáng)極和陰極的固定比例分流，這種方式

降低了陰極節(jié)流器的設(shè)計(jì)難度。整個(gè)流量控制模塊

的重量為 0.3kg，體積為 100mm×60mm×65mm。

Bang-Bang 控制是一種時(shí)間最優(yōu)控制，亦稱最速

控制，是一種工業(yè)上常見(jiàn)的最優(yōu)控制方法［15］。微型

氙氣供給模塊通過(guò)低壓壓力傳感器檢測(cè)緩沖罐壓

力，并將其與控制指令進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果判斷

電磁閥是否開(kāi)啟。其控制原理如圖 2 所示，具體過(guò)程

如下：假定壓力控制點(diǎn)及精度為 p2±Δ%p2，當(dāng)?shù)蛪簤?/p>

力 傳 感 器 檢 測(cè) 到 緩 沖 罐 壓 力 p2 低 于 設(shè) 定 壓 力 下 限

p2min=（1-Δ%）p2時(shí)，兩個(gè)電磁閥同步開(kāi)啟（開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng) t1

），

氙氣瓶中的氣體通過(guò)兩級(jí)串聯(lián)電磁閥充入緩沖罐，

直到低壓壓力傳感器檢測(cè)到緩沖罐中的壓力到達(dá)設(shè)

定壓力上限 p2max=（1+Δ%）p2，兩個(gè)電磁閥同時(shí)關(guān)閉，緩

沖罐中的氙氣通過(guò)流量控制模塊慢慢泄放給霍爾推

力器，緩沖罐中的壓力逐漸降低直到再次低于設(shè)定

壓力下限，至此為一個(gè)完整的周期，周期長(zhǎng)度取決于

壓力控制點(diǎn)及精度、緩沖罐體積及流量模塊的流量。

這種控制模式屬于完全自主控制，只需要軟件設(shè)定

壓 力 控 制 精 度 便 可 實(shí) 現(xiàn) 自 主 閉 環(huán) 控 制 。 該 BangBang 壓力控制算法可描述如下，即

u ( k ) = ì

í

?

1 p 2k < p 2min

0 p 2k ≥ p 2max

（1）

3 系統(tǒng)建模與仿真研究

3.1 模型建立

Bang-Bang 控制型微型氙氣供給模塊是典型的

非線性系統(tǒng)，涉及氣體流動(dòng)、控制理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)

域。為了研究其 Bang-Bang 壓力控制特性，本文利用

AMESim 和 Simulink 聯(lián)合仿真的方式，搭建了 BangBang 型氙氣供給模塊的仿真模型。AMESim 軟件是

一款集成式系統(tǒng)仿真平臺(tái)，具有豐富氣壓和液壓組

件，可方便地對(duì)流體系統(tǒng)進(jìn)行建模；Simulink 具備動(dòng)

態(tài)系統(tǒng)建模和仿真能力，特別適合于控制理論和數(shù)

字信號(hào)處理方面的仿真和設(shè)計(jì)；AMESim 與 Simulink

的聯(lián)合仿真模式特別適合于流體供給系統(tǒng)的仿真研

究［16］。在 AMESim 軟件中完成了流路系統(tǒng)的模型搭

建，重點(diǎn)創(chuàng)建了迷宮型節(jié)流器的子模型；在 Simulink

中完成了 Bang-Bang 控制算法的搭建。

迷宮型節(jié)流器由一系列串聯(lián)的容腔-細(xì)槽-節(jié)流

孔組成，氣體經(jīng)過(guò)多級(jí)節(jié)流-膨脹之后，實(shí)現(xiàn)了超高

流阻特性。如圖 3 所示，該迷宮型節(jié)流器的流體結(jié)構(gòu)

可劃分為 19 個(gè)串聯(lián)的流體單元，每個(gè)流體單元由容

腔-細(xì)槽-容腔-節(jié)流孔串聯(lián)組成［17］?；谝陨蟿澐?/p>

原則，在 AMESim 軟件中便可建立起迷宮型節(jié)流器的

仿真模型。

由于氣瓶中的高壓氙氣為超臨界狀態(tài)，仿真模

圖2 氙氣供給模塊Bang-Bang控制原理圖 圖3 迷宮型節(jié)流器的仿真模型建立

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型中的理想氣體狀態(tài)方程無(wú)法適用，需要采用真實(shí)

氣體狀態(tài)方程描述氙氣的物性變化過(guò)程。本文采用

精度較高的 Peng-Robinson 方程（簡(jiǎn)稱 P-R 方程）來(lái)表

征真實(shí)氣體的物理特性。

根據(jù)P-R方程，真實(shí)氣體狀態(tài)方程可描述如下［18］

p = RT

V - b - a (T )

V (V + b) + b (V - b) （2）

式中 p，V 和 T 分別為氣體壓力、體積和溫度；b 為常

數(shù)；a (T ) 為溫度 T 的函數(shù)；R 為標(biāo)準(zhǔn)氣體常數(shù)。

常數(shù) b 與臨界壓力 pc 和臨界溫度 Tc 的關(guān)系為

b = 0.0778RTc

pc

（3）

a (T ) = 0.45724 ( R2

Tc

2

/pc ) ·ac （4）

ac = [1 + k (1 - (T/Tc )

0.5 )]

2

（5）

k = 0.3746 + 1.54226ω - 0.26992ω2 （6）

式中 ω 為偏心因子。

本文采用 P-R 方程來(lái)真實(shí)地反映超臨界狀態(tài)下

的氙氣物性，并將其植入到 Bang-Bang 型氙氣供給系

統(tǒng)的仿真模型中（如圖 4所示）。在 AMESim 仿真模型

中，可以通過(guò)修改 Gas Data 中 Xe 的 properties defini?

tion，將其修改為“real：Peng-Robinson”直接調(diào)用 P-R

方程。

3.2 仿真分析

本節(jié)利用圖 4 所建立的 Matlab-AMESim 聯(lián)合仿

真模型，對(duì)微型氙氣供給模塊的 Bang-Bang 壓力控制

特性進(jìn)行了仿真分析。氙氣瓶在軌為落壓工作方式

（最高壓力一般為 15MPa），在此過(guò)程中，微型電磁閥

的開(kāi)啟時(shí)間 t1隨氣瓶壓力的 變 化 會(huì) 隨 之 調(diào) 整 ，以 滿

足設(shè)定的壓力控制精度。評(píng)價(jià) Bang-Bang 型微型氙

氣供給模塊性能優(yōu)劣的核心指標(biāo)是壓力控制精度

和工作壽命。壓力控制精度取決于微型電磁閥的

響應(yīng)時(shí)間，需要保證在氣瓶全壓力段內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)下

游壓力控制精度；工作壽命指微型電磁閥的開(kāi)關(guān)次

數(shù)，需要保證其滿足全生命周期內(nèi)的壓力控制次數(shù)

要求。

通過(guò)仿真計(jì)算，分析微型氙氣供給模塊從 15MPa

落壓過(guò)程中微型電磁閥開(kāi)啟時(shí)間 t1的變化情況，以評(píng)

估微型電磁閥的響應(yīng)性能是否能夠覆蓋全工況的

Bang-Bang 壓 力 控 制 精 度 需 求 。 仿 真 過(guò) 程 中 ，以

600W 霍爾推力器的流量需求為目標(biāo)，將緩沖罐壓力

控 制 點(diǎn) 設(shè) 置 為 0.4MPa±12kPa，在 氣 瓶 壓 力 在 0~

15MPa 時(shí)，微型電磁閥執(zhí)行 Bang-Bang 控制的開(kāi)啟時(shí)

間 t1仿真結(jié)果見(jiàn)圖 5。根據(jù)仿真結(jié)果，15MPa 時(shí)，t1為

380ms；1MPa 時(shí)，t1為 13500ms，因?yàn)槲⑿碗姶砰y的開(kāi)

關(guān)響應(yīng)時(shí)間≤5ms，完全可以滿足全壓力段±3% 的壓

力控制精度要求。通過(guò)線性估算，在為 600W 霍爾推

力器供氣時(shí)，該產(chǎn)品最高可實(shí)現(xiàn) 0.4MPa±0.16kPa 的

控制精度。

利用仿真模型，對(duì)微型氙氣供給模塊在 BangBang 控制過(guò)程中緩沖罐壓力、陽(yáng)極流量與電磁閥控

制指令之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。從圖 6（a）可以看

出，緩沖罐壓力在電磁閥開(kāi)啟瞬間幾乎同時(shí)升高，并

在很短時(shí)間內(nèi)由 0.388MPa 爬升至 0.412MPa，這段時(shí)

間相比于 Bang-Bang 周期可以忽略不計(jì)。但是從圖 6

（b）可知，陽(yáng)極流量升高相對(duì)于電磁閥開(kāi)啟時(shí)間有一

定延遲，這是由于流量控制模塊中的容腔和流阻共

同造成的。通過(guò) Bang-Bang 控制周期和微型電磁閥

的實(shí)際開(kāi)關(guān)壽命，可以評(píng)估微型氙氣供給模塊的工

作壽命。從圖 6 可以看出 Bang-Bang 控制周期約為

150s。而霍爾推力器的一般在軌壽命為 4000h，那么

需要開(kāi)關(guān)動(dòng)作 96000 次。而微型電磁閥的開(kāi)關(guān)壽命≥

圖5 不同氣瓶壓力下的電磁閥開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)仿真結(jié)果

圖4 Bang-Bang型微型氙氣供給模塊聯(lián)合仿真框圖

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20 萬(wàn)次，足以滿足這一任務(wù)要求。根據(jù)實(shí)際壽命評(píng)

估，在為 600W 霍爾推力器供氣時(shí)，在氣瓶氙氣量充

足情況下，最小可保證其在軌工作 8000h。

4 在軌應(yīng)用驗(yàn)證

某低軌通信衛(wèi)星于北京時(shí)間2021年8月24日19 點(diǎn)

15 分，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，搭載了北京控

制工程研究所研制的 600W 霍爾推力器和 Bang-Bang

控制型微型氙氣供給模塊。產(chǎn)品在軌穩(wěn)定運(yùn)行，為

我國(guó)星網(wǎng)星座的建設(shè)開(kāi)展了前期驗(yàn)證工作。本節(jié)通

過(guò)在軌數(shù)據(jù)分析，對(duì) Bang-Bang 控制型微型氙氣供給

模塊在軌壓力控制特性進(jìn)行了分析，對(duì)其與仿真結(jié)

果進(jìn)行了對(duì)比。

2021 年 8 月 30 日 05：19 分開(kāi)始第 1 次預(yù)處 理 ，

緩 沖 氣 瓶 壓 力 0.344MPa±10.32kPa，對(duì) 應(yīng) 流 量 為 標(biāo)

準(zhǔn) 流 量 的 80%，陽(yáng) 極 電 流 約 為 1.42A，見(jiàn) 圖 7（a）。

2021 年 9 月 1 日 06：48 分 開(kāi) 始 第 9 次 性 能 評(píng) 估 點(diǎn)

火 ，緩 沖 氣 瓶 壓 力 0.389MPa±3%，對(duì) 應(yīng) 流 量 為 標(biāo) 準(zhǔn)

流 量 的 90%，陽(yáng)極平均電流 1.58A，見(jiàn)圖 7（b）。2021

年 9 月 1 日 16：23 分開(kāi)始第 14 次調(diào)相點(diǎn)火，緩沖氣

瓶 壓 力 0.433MPa±12.99kPa，對(duì) 應(yīng) 流 量 為 標(biāo) 準(zhǔn) 流 量

的 100%，穩(wěn)定后陽(yáng)極平均電流 1.72A。見(jiàn)圖 7（c）。

通過(guò)在軌壓力控制曲線可以看出，Bang-Bang 型微

型 氙 氣 供 給 模 塊 在 軌 按 照 80%，90% 和 100% 流 量

要求，均能在響應(yīng)工作壓力下按照±3% 的控制精度

穩(wěn)定工作。

通過(guò)分析圖 7 可知，推力器陽(yáng)極電流隨緩沖罐的

壓力波動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)周期性波動(dòng)，這是微型氙氣供給

模塊 Bang-Bang 壓力控制引起的陽(yáng)極流量波動(dòng)引起

的；陽(yáng)極電流鋸齒形波動(dòng)的相位要稍微滯后于壓力

波動(dòng)，是因?yàn)殛?yáng)極流量波動(dòng)滯后緩沖罐中壓力波動(dòng)，

這與仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)；隨著 Bang-Bang 壓力控制點(diǎn)的變

化，陽(yáng)極電流隨其成線性變化。根據(jù)圖 7（a），微型氙

氣供給模塊在 80% 流量下（即工作壓力 0.344MPa）的

在軌 Bang-Bang 周期約為 2min；若按照線性關(guān)系計(jì)算

到 0.4MPa 工作點(diǎn)，Bang-Bang 周期約為 140s，這與仿

真計(jì)算的 150s 基本一致。以上在軌數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果

圖6 Bang-Bang控制過(guò)程中緩沖罐壓力、陽(yáng)極流量與電磁閥

控制指令之間的關(guān)系

圖7 在軌緩沖罐壓力與陽(yáng)極電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系

第 44 卷 第 6 期 微型氙氣供給模塊性能研究及在軌應(yīng)用 2023 年

2210045-6

基本一致，證明本文提出 Bang-Bang 型微型氙氣供給

模塊仿真模型的有效性。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)研究，得到如下結(jié)論：

（1）利用本文建立的仿真模型對(duì) Bang-Bang 型微

型氙氣供給模塊進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明，該

模塊可滿足 600W 霍爾推力器在軌至少 8000h 工作壽

命，最高壓力控制精度可達(dá)±0.04%。

（2）微型氙氣供給模塊的壓力控制特性仿真結(jié)

果與實(shí)際在軌控制效果基本一致，證明本文提出的

聯(lián)合仿真方法可很好地模擬氙氣供給模塊的 BangBang 壓力控制特性，可作為此類產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的有

力工具。

（3）在軌數(shù)據(jù)表明，可通過(guò)調(diào)節(jié)氙氣供給模塊的

輸出壓力，實(shí)現(xiàn) 600W 霍爾推力器陽(yáng)極電流和推力的

等比例調(diào)節(jié)，證明該 Bang-Bang 型微型氙氣供給模塊

具有很好的在軌調(diào)節(jié)能力，可滿足不同功率霍爾推

力器的需求。

致 謝：感謝北京控制工程研究所秦宇、韓道滿工程師

提供在軌數(shù)據(jù)及參與討論。

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（編輯：白　鷺）