2023 年 6 月

第 44 卷 第 6 期

推　进　技　术

JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY

June 2023

Vol.44 No.6

2210045-1

微型氙气供给模块性能研究及在轨应用 *

官长斌，王 冕，高 鹤，胡贺然

（北京控制工程研究所，北京 100098）

摘 要：传统氙气供给系统由于系统复杂、重量体积大、价格昂贵、生产周期长等劣势，已无法适

应低轨互联网卫星星座对低功率霍尔电推进系统的轻质化、低成本及快速研制的发展要求。本文提出一

种基于复杂流体通道先进成型和微型化流体控制部件相结合的Bang-Bang控制型微型氙气供给模块，对

其结构组成和工作原理进行了介绍。基于Matlab与AMESim联合仿真方式搭建了其系统动态仿真模型，

并采用Peng-Robinson方程考虑了氙气的超临界特性，对其Bang-Bang压力控制特性进行仿真研究。对

微型氙气供给模块与600W霍尔推力器的在轨数据进行了分析，产品在轨工作稳定，在轨数据与仿真结

果相吻合。

关键词：霍尔电推进系统；微型氙气供给模块；Bang-Bang控制；仿真分析；在轨应用

中图分类号：V231.1 文献标识码：A 文章编号：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；修订日期：2022-12-21。

通讯作者：官长斌，博士，高级工程师，研究领域为空间流体控制技术。E-mail：guanchangbin@163.com

引用格式：官长斌，王 冕，高 鹤，等 . 微型氙气供给模块性能研究及在轨应用［J］. 推进技术，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 微型氙气供给模块性能研究及在轨应用 2023 年

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1 引 言

霍尔电推进系统具有结构简单、推力小、比冲适

中、推功比高等优点，广泛应用于航天器轨道保持、

轨道提升、寿命末期离轨、深空探测等领域［1-3］

。目前

霍尔电推力器最理想的工质为惰性气体氙气（Xe），

从高功率至低功率甚至微功率的霍尔推力器均采用

氙气作为工质气体，获得了较好的推力器性能，满足

大多数航天任务需要［4-5］

。霍尔电推进系统由霍尔推

力器、氙气供给系统和功率处理单元三部分组成［6］

。

氙气供给系统是电推进系统的关键子系统，其作用

是将气瓶中的高压氙气转化为电推力器所需的微小

流量［7］

。传统氙气供给系统沿袭了化学推进系统分

布式的设计思路，采用金属管路将各种阀门、传感

器、过滤器及节流器等连接起来，目前已发射的将电

推进作为动力的飞行器绝大多数都采用这类传统氙

气供给系统［8］。但是，传统氙气供给系统复杂程度

高、体积和重量庞大、价格昂贵，严重制约了电推进

系统的性能提升和应用推广。随着微小电推进卫星

平台的快速发展，特别是低轨互联网卫星星座对低

功率霍尔电推进系统的迫切需求，传统氙气供给系

统的劣势体现得更加明显，已无法适应新的发展要

求［9］

。因此，必须发展新型的微型化氙气供给系统。

国外微型氙气供给系统的研制起步于 2000 年左

右，在系统方案上主要包括金属微流道结合一体化

焊接成型方式和 MEMS 方式两种。2001 年，为了适

应微小卫星对电推进系统的需求，美国 Vacco 公司借

助其在金属刻蚀方面的技术优势，研制了一体化数

字式氙气供给系统，上游采用 3 个串联电磁阀进行的

Bang-Bang 电子压力控制，下游的 8 路节流器流量呈

现 8 位二进制权系数比例关系，实现了最大 255 倍的

阳极流量调节［10］

。通过金属刻蚀微细通道和整体式

焊接成型，实现了高度集成化。2009 年，Vacco 公司

在美国海军研究实验室的资助下又设计了高集成度

的微型比例氙气供给系统，包括压力模块和流量模

块两部分，均采用压电比例阀进行压力和流量控制，

总重量为 1.4kg，可为 200W～4.5kW 的霍尔推力器提

供高精度的氙气供给［11］。2013 年，德国先进空间技

术中心为电推进系统开发了一款微型化氙气流量控

制单元［12］

，采用全焊接结构，利用微型电磁阀的脉冲

宽度调制（PWM）控制来实现氙气流量调节，流量调

节 范 围 为 0.001~10mg/s，重 量 仅 为 60g，体 积 54mm×

46mm×25mm。2002 年，瑞典埃斯特朗空间技术中心

为 离 子 推 进 系 统 研 发 了 一 款 微 型 化 氙 气 供 给 单

元［13］，其高压单元通过压电比例阀与压力传感器组

成闭环压力控制，流量单元通过热节流的方式实现

流量调节。整个系统通过 MEMS 工艺集成在一起，总

重量仅为 150g，体积 52mm×52mm×42.4mm。该模块

的 流 量 调 节 范 围 在 0~40mg/s，流 量 调 节 分 辨 率 为

40μg/s，功耗小于 8W。

我国微型化氙气供给系统的研制与国外相比，

大致晚了 20 年。作为国内最早开展氙气供给技术研

究和产品研制的单位，北京控制工程研究所为满足

低轨互联网卫星对低功率霍尔电推进系统的需求，

于 2018 年开始进行微型氙气供给模块的产品开发，

研制的 Bang-Bang 控制型微型氙气供给模块于 2020

年 1 月 16 日随银河航天首发星在轨首飞以来，已经

陆续在 15 颗卫星上成功在轨应用［14］

。

本文介绍了 Bang-Bang 控制型微型氙气供给模

块的系统组成及工作原理。利用 AMESim 与 Matlab

联合仿真工具建立其系统仿真模型，并对其 BangBang 压力控制特性进行仿真研究。最后，对该模块

与 600W 霍尔推力器的在轨应用情况进行了对比分

析，验证了仿真模型的有效性。

2 微型氙气供给模块的组成与原理

Bang-Bang 控制型微型氙气供给模块打破了传

统氙气供给系统管路连接式的设计思路，利用三维

复杂流体通道先进成型技术构建模块基体，并采用

微型化的流体控制部件，实现了模块的集成化、轻质

化，产品重量仅为 1.5kg，可满足不同功率量级霍尔推

力器的使用要求。整个模块包括微型压力控制模块

和微型流量控制模块两部分，产品如图 1 所示。

微型压力控制模块包括两个微型自锁阀、四个

微型电磁阀、一个高压压力传感器、两个压力传感器

和一个缓冲罐。所有上述流体控制与测量元件均安

装在一体化焊接而成的基板上，组成一个高集成化

的流体控制模块。压力控制模块包含左右两路冗余

图1 Bang-Bang控制型微型氙气供给模块产品照片

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设计的 Bang-Bang 压力控制支路，每一路均可实现两

级串联微型电磁阀的 Bang-Bang 压力控制。采用两

级串联电磁阀一方面是为了增加密封可靠性，另一

方面是在气瓶压力很高的特殊工况下可以采用异步

Bang-Bang 控制以提高安全性。整个压力控制模块

的重量为 1.2kg，体积为 210mm×80mm×104mm。

微型流量控制模块包含三个微型自锁阀和三个

微型节流器，所有微型节流器均采用 MEMS 工艺技术

实现迷宫型流体通道，以此实现气体节流。主干路

节流器控制总流量，阳极节流器和阴极节流器实现

霍尔推力器阳极和阴极的固定比例分流，这种方式

降低了阴极节流器的设计难度。整个流量控制模块

的重量为 0.3kg，体积为 100mm×60mm×65mm。

Bang-Bang 控制是一种时间最优控制，亦称最速

控制，是一种工业上常见的最优控制方法［15］。微型

氙气供给模块通过低压压力传感器检测缓冲罐压

力，并将其与控制指令进行对比，根据对比结果判断

电磁阀是否开启。其控制原理如图 2 所示，具体过程

如下：假定压力控制点及精度为 p2±Δ%p2，当低压压

力 传 感 器 检 测 到 缓 冲 罐 压 力 p2 低 于 设 定 压 力 下 限

p2min=（1-Δ%）p2时，两个电磁阀同步开启（开启时长 t1

），

氙气瓶中的气体通过两级串联电磁阀充入缓冲罐，

直到低压压力传感器检测到缓冲罐中的压力到达设

定压力上限 p2max=（1+Δ%）p2，两个电磁阀同时关闭，缓

冲罐中的氙气通过流量控制模块慢慢泄放给霍尔推

力器，缓冲罐中的压力逐渐降低直到再次低于设定

压力下限，至此为一个完整的周期，周期长度取决于

压力控制点及精度、缓冲罐体积及流量模块的流量。

这种控制模式属于完全自主控制，只需要软件设定

压 力 控 制 精 度 便 可 实 现 自 主 闭 环 控 制 。 该 BangBang 压力控制算法可描述如下，即

u ( k ) = ì

í

î

1 p 2k < p 2min

0 p 2k ≥ p 2max

（1）

3 系统建模与仿真研究

3.1 模型建立

Bang-Bang 控制型微型氙气供给模块是典型的

非线性系统，涉及气体流动、控制理论等多个学科领

域。为了研究其 Bang-Bang 压力控制特性，本文利用

AMESim 和 Simulink 联合仿真的方式，搭建了 BangBang 型氙气供给模块的仿真模型。AMESim 软件是

一款集成式系统仿真平台，具有丰富气压和液压组

件，可方便地对流体系统进行建模；Simulink 具备动

态系统建模和仿真能力，特别适合于控制理论和数

字信号处理方面的仿真和设计；AMESim 与 Simulink

的联合仿真模式特别适合于流体供给系统的仿真研

究［16］。在 AMESim 软件中完成了流路系统的模型搭

建，重点创建了迷宫型节流器的子模型；在 Simulink

中完成了 Bang-Bang 控制算法的搭建。

迷宫型节流器由一系列串联的容腔-细槽-节流

孔组成，气体经过多级节流-膨胀之后，实现了超高

流阻特性。如图 3 所示，该迷宫型节流器的流体结构

可划分为 19 个串联的流体单元，每个流体单元由容

腔-细槽-容腔-节流孔串联组成［17］。基于以上划分

原则，在 AMESim 软件中便可建立起迷宫型节流器的

仿真模型。

由于气瓶中的高压氙气为超临界状态，仿真模

图2 氙气供给模块Bang-Bang控制原理图 图3 迷宫型节流器的仿真模型建立

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型中的理想气体状态方程无法适用，需要采用真实

气体状态方程描述氙气的物性变化过程。本文采用

精度较高的 Peng-Robinson 方程（简称 P-R 方程）来表

征真实气体的物理特性。

根据P-R方程，真实气体状态方程可描述如下［18］

p = RT

V - b - a (T )

V (V + b) + b (V - b) （2）

式中 p，V 和 T 分别为气体压力、体积和温度；b 为常

数；a (T ) 为温度 T 的函数；R 为标准气体常数。

常数 b 与临界压力 pc 和临界温度 Tc 的关系为

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 为偏心因子。

本文采用 P-R 方程来真实地反映超临界状态下

的氙气物性，并将其植入到 Bang-Bang 型氙气供给系

统的仿真模型中（如图 4所示）。在 AMESim 仿真模型

中，可以通过修改 Gas Data 中 Xe 的 properties defini⁃

tion，将其修改为“real：Peng-Robinson”直接调用 P-R

方程。

3.2 仿真分析

本节利用图 4 所建立的 Matlab-AMESim 联合仿

真模型，对微型氙气供给模块的 Bang-Bang 压力控制

特性进行了仿真分析。氙气瓶在轨为落压工作方式

（最高压力一般为 15MPa），在此过程中，微型电磁阀

的开启时间 t1随气瓶压力的 变 化 会 随 之 调 整 ，以 满

足设定的压力控制精度。评价 Bang-Bang 型微型氙

气供给模块性能优劣的核心指标是压力控制精度

和工作寿命。压力控制精度取决于微型电磁阀的

响应时间，需要保证在气瓶全压力段内均能实现下

游压力控制精度；工作寿命指微型电磁阀的开关次

数，需要保证其满足全生命周期内的压力控制次数

要求。

通过仿真计算，分析微型氙气供给模块从 15MPa

落压过程中微型电磁阀开启时间 t1的变化情况，以评

估微型电磁阀的响应性能是否能够覆盖全工况的

Bang-Bang 压 力 控 制 精 度 需 求 。 仿 真 过 程 中 ，以

600W 霍尔推力器的流量需求为目标，将缓冲罐压力

控 制 点 设 置 为 0.4MPa±12kPa，在 气 瓶 压 力 在 0~

15MPa 时，微型电磁阀执行 Bang-Bang 控制的开启时

间 t1仿真结果见图 5。根据仿真结果，15MPa 时，t1为

380ms；1MPa 时，t1为 13500ms，因为微型电磁阀的开

关响应时间≤5ms，完全可以满足全压力段±3% 的压

力控制精度要求。通过线性估算，在为 600W 霍尔推

力器供气时，该产品最高可实现 0.4MPa±0.16kPa 的

控制精度。

利用仿真模型，对微型氙气供给模块在 BangBang 控制过程中缓冲罐压力、阳极流量与电磁阀控

制指令之间的关系进行了研究。从图 6（a）可以看

出，缓冲罐压力在电磁阀开启瞬间几乎同时升高，并

在很短时间内由 0.388MPa 爬升至 0.412MPa，这段时

间相比于 Bang-Bang 周期可以忽略不计。但是从图 6

（b）可知，阳极流量升高相对于电磁阀开启时间有一

定延迟，这是由于流量控制模块中的容腔和流阻共

同造成的。通过 Bang-Bang 控制周期和微型电磁阀

的实际开关寿命，可以评估微型氙气供给模块的工

作寿命。从图 6 可以看出 Bang-Bang 控制周期约为

150s。而霍尔推力器的一般在轨寿命为 4000h，那么

需要开关动作 96000 次。而微型电磁阀的开关寿命≥

图5 不同气瓶压力下的电磁阀开启时长仿真结果

图4 Bang-Bang型微型氙气供给模块联合仿真框图

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20 万次，足以满足这一任务要求。根据实际寿命评

估，在为 600W 霍尔推力器供气时，在气瓶氙气量充

足情况下，最小可保证其在轨工作 8000h。

4 在轨应用验证

某低轨通信卫星于北京时间2021年8月24日19 点

15 分，在酒泉卫星发射中心发射升空，搭载了北京控

制工程研究所研制的 600W 霍尔推力器和 Bang-Bang

控制型微型氙气供给模块。产品在轨稳定运行，为

我国星网星座的建设开展了前期验证工作。本节通

过在轨数据分析，对 Bang-Bang 控制型微型氙气供给

模块在轨压力控制特性进行了分析，对其与仿真结

果进行了对比。

2021 年 8 月 30 日 05：19 分开始第 1 次预处 理 ，

缓 冲 气 瓶 压 力 0.344MPa±10.32kPa，对 应 流 量 为 标

准 流 量 的 80%，阳 极 电 流 约 为 1.42A，见 图 7（a）。

2021 年 9 月 1 日 06：48 分 开 始 第 9 次 性 能 评 估 点

火 ，缓 冲 气 瓶 压 力 0.389MPa±3%，对 应 流 量 为 标 准

流 量 的 90%，阳极平均电流 1.58A，见图 7（b）。2021

年 9 月 1 日 16：23 分开始第 14 次调相点火，缓冲气

瓶 压 力 0.433MPa±12.99kPa，对 应 流 量 为 标 准 流 量

的 100%，稳定后阳极平均电流 1.72A。见图 7（c）。

通过在轨压力控制曲线可以看出，Bang-Bang 型微

型 氙 气 供 给 模 块 在 轨 按 照 80%，90% 和 100% 流 量

要求，均能在响应工作压力下按照±3% 的控制精度

稳定工作。

通过分析图 7 可知，推力器阳极电流随缓冲罐的

压力波动也会出现周期性波动，这是微型氙气供给

模块 Bang-Bang 压力控制引起的阳极流量波动引起

的；阳极电流锯齿形波动的相位要稍微滞后于压力

波动，是因为阳极流量波动滞后缓冲罐中压力波动，

这与仿真结果对应；随着 Bang-Bang 压力控制点的变

化，阳极电流随其成线性变化。根据图 7（a），微型氙

气供给模块在 80% 流量下（即工作压力 0.344MPa）的

在轨 Bang-Bang 周期约为 2min；若按照线性关系计算

到 0.4MPa 工作点，Bang-Bang 周期约为 140s，这与仿

真计算的 150s 基本一致。以上在轨数据与仿真结果

图6 Bang-Bang控制过程中缓冲罐压力、阳极流量与电磁阀

控制指令之间的关系

图7 在轨缓冲罐压力与阳极电流的对应关系

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基本一致，证明本文提出 Bang-Bang 型微型氙气供给

模块仿真模型的有效性。

5 结 论

本文通过研究，得到如下结论：

（1）利用本文建立的仿真模型对 Bang-Bang 型微

型氙气供给模块进行了仿真研究，仿真结果表明，该

模块可满足 600W 霍尔推力器在轨至少 8000h 工作寿

命，最高压力控制精度可达±0.04%。

（2）微型氙气供给模块的压力控制特性仿真结

果与实际在轨控制效果基本一致，证明本文提出的

联合仿真方法可很好地模拟氙气供给模块的 BangBang 压力控制特性，可作为此类产品优化设计的有

力工具。

（3）在轨数据表明，可通过调节氙气供给模块的

输出压力，实现 600W 霍尔推力器阳极电流和推力的

等比例调节，证明该 Bang-Bang 型微型氙气供给模块

具有很好的在轨调节能力，可满足不同功率霍尔推

力器的需求。

致 谢：感谢北京控制工程研究所秦宇、韩道满工程师

提供在轨数据及参与讨论。

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（编辑：白　鹭）