磁增強(qiáng)環(huán)型真空弧推力器的研制

李嘯天，張?zhí)炱?，吳先明，?亮

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

磁增強(qiáng)環(huán)型真空弧推力器的研制

李嘯天，張?zhí)炱?，吳先明，?亮

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

近年來，立方星和微納衛(wèi)星迅猛發(fā)展，但目前尚缺乏有效微型動力系統(tǒng)，為此開展了真空弧推力器的研制工作。通過對比分析，選擇了性能更好的磁增強(qiáng)環(huán)型結(jié)構(gòu)方案，可實(shí)現(xiàn)離子速度提高2倍、元沖量提高10倍、效率提高7%。介紹了推力器的主要工作原理，通過理論分析和公式推導(dǎo)確定了核心部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，闡述了推力頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和低電壓可靠點(diǎn)火等關(guān)鍵技術(shù)問題。推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該推力器質(zhì)量僅300 g，體積為35 mm× 25 mm×25 mm，實(shí)現(xiàn)了微型化和輕量化。描述了磁增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和功能，參照理論參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，結(jié)合Femm仿真軟件對該結(jié)構(gòu)的磁路進(jìn)行了驗(yàn)證，并用高斯計(jì)測試了磁路特性。通過仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能很好的符合實(shí)際結(jié)果。初步試驗(yàn)證明該推力器點(diǎn)火可靠、運(yùn)行穩(wěn)定。

電推進(jìn)；真空弧；磁增強(qiáng)；環(huán)型

0 引言

近年來，隨著微小衛(wèi)星的尺寸不斷縮小，微小電推進(jìn)的研究也逐漸成為熱點(diǎn)，目前廣泛使用的電推進(jìn)系統(tǒng)主要適用于質(zhì)量大于1 000 kg的衛(wèi)星，當(dāng)涉及到10 kg甚至1 kg的衛(wèi)星的時候，這些大尺寸、大功率的電推進(jìn)顯然是無法滿足要求的。因此需要有新的微推進(jìn)系統(tǒng)來為這些微型衛(wèi)星提供軌道轉(zhuǎn)移，主動姿態(tài)控制甚至是動量滾輪卸載。對于10 kg以下的衛(wèi)星，特別是最近發(fā)展最為火熱的立方星，VAT是一種極佳的選擇，VAT的工作原理是燒蝕固體陰極，使得等離子體從陰極斑點(diǎn)高速噴出產(chǎn)生推力，其工作方式是脈沖形式，通過改變脈沖寬度和幅度，可以很容易實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的寬范圍調(diào)節(jié)。由于采用電感式儲能電源和固體推進(jìn)劑，VAT的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到十分緊湊，并且體積小、重量輕，其工作功率為幾瓦，點(diǎn)火電壓為幾百伏，穩(wěn)定工作電壓為幾十伏。這些優(yōu)點(diǎn)能夠很好地滿足立方星對于微推進(jìn)子系統(tǒng)的體積，重量和功率的嚴(yán)格限制要求。

目前VAT的結(jié)構(gòu)主要有三種，分為平板型、同軸型和環(huán)型。平板型結(jié)構(gòu)與PPT類似，效率較低，且存在燒蝕失效的問題。同軸型的羽流直接垂直噴射，推力較大。但是缺點(diǎn)是效率較低，且陰極不易補(bǔ)給，磁增強(qiáng)效應(yīng)不明顯。磁增強(qiáng)環(huán)型結(jié)構(gòu)方案，可實(shí)現(xiàn)離子速度提高2倍、元沖量提高10倍、效率提高7%，環(huán)型結(jié)構(gòu)體積更小，羽流發(fā)散角更小，陰極補(bǔ)給方式簡單，相比與其他結(jié)構(gòu)的推力器，外加磁場對于其性能增強(qiáng)效應(yīng)也更為明顯，因此極具應(yīng)用前景，典型的應(yīng)用實(shí)例是2015年發(fā)射的Bricsat-P彈道軌道衛(wèi)星。

1 磁增強(qiáng)型環(huán)型VAT的組成

如圖1（a）所示推力器由電極（陽、陰極）、絕緣環(huán)、磁增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)（彈簧、套筒、端蓋）等組成。環(huán)型VAT的推力頭結(jié)構(gòu)為環(huán)型結(jié)構(gòu)方式，即電極和絕緣層都采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，同軸放置。如圖1（b）所示，陰極、陽極和絕緣環(huán)形成放電通道，基于An?ders提出的無激發(fā)點(diǎn)火機(jī)制，在絕緣環(huán)上涂上一層薄的導(dǎo)電涂層（阻值在100 Ω左右）。通過施加PWM信號控制IGBT開關(guān)的通斷，在開關(guān)閉合時，將電能從小功率電源中充入電感，在開關(guān)斷開時產(chǎn)生一個峰值電壓，同時脈沖電流從兩電極之間的薄導(dǎo)電涂層上通過，引燃真空弧，產(chǎn)生推力。

圖1 磁增強(qiáng)環(huán)型VAT的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the magnetically enhanced ring VAT 1.套筒；2.磁場增強(qiáng)結(jié)構(gòu)；3.彈簧；4.端蓋；5.陰極；6.絕緣環(huán)；7.陽極

2 推力頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理論

衡量磁增強(qiáng)環(huán)型真空弧推力器性能的主要參數(shù)有推力T，等效比沖Isp，能量轉(zhuǎn)化效率η等，T是指等離子羽流高速排出噴管產(chǎn)生的推動飛行器運(yùn)動的反作用力，單位是N；Isp是消耗單位質(zhì)量工質(zhì)所產(chǎn)生的沖量，單位為s；效率η是羽流動能與輸入電能的比值。

文獻(xiàn)[2]采用了一種半經(jīng)驗(yàn)性能模型來估算推力器的性能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和推力器的電流密度分布，帶電量和離子速度，總的陰極質(zhì)量損失，推力器幾何結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)表達(dá)式來估算推力和比重。根據(jù)燒蝕電壓和已知推力器的參數(shù)來計(jì)算推力器的電效率和推功比。

陰極主要以金屬離子、蒸氣、濺射的微粒等方式損失質(zhì)量。假設(shè)是單陰極斑點(diǎn)模型，則總的腐蝕率m?t=ErJd，Jd是真空弧放電電流，Er為常量。

在陰極等離子中的離子電流為Ji∑JZ=fiJd，其中fi為離子電流占真空弧放電電流的比值，一般在0.07～0.1之間。Z是離子的電荷量。離子總電流為不同電荷量的離子電流之和。

則離子的質(zhì)量流率為：

式中：e為電子的電荷量；Mi為離子的質(zhì)量；Z-1為平均帶電量的倒數(shù)。

對同一種陰極材料，當(dāng)弧電流小于1 200 A時，平均電荷量分布近似常量。因此以離子方式損失的陰極質(zhì)量占總質(zhì)量的比值為：

而根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，真空弧推力器的羽流分布可以用余弦分布和指數(shù)分布來進(jìn)行近似描述。采用余弦分布來擬合推力器的羽流外形，則在（l，Φ）處的離子質(zhì)量流率為：

采用圖2的模型來進(jìn)行動量分析，所產(chǎn)生的推力為羽流的軸向分力。根據(jù)動量定理：

對式（4）積分得推力T的計(jì)算式：

式中：Ct為推力器性能修正系數(shù)，對于余弦分布：

式中：L為陽極的長度；r1為陰極平面的半徑；r2為陽極平面的半徑；rc為陰極的半徑；ra是陽極的半徑。進(jìn)行歸一化，即同時除以rc，便得到各歸一化參數(shù)。

圖2 推力器性能分析模型Fig.2 The analysis model of vacuum arc thruster

Isp是消耗單位質(zhì)量工質(zhì)所產(chǎn)生的沖量，用式（7）來計(jì)算：

在VAT中輸入功率為P=JdVd；因此總的效率η定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的羽流動能與輸入功率之比：

2.2 陰極環(huán)的設(shè)計(jì)

陰極是環(huán)型VAT設(shè)計(jì)的重要核心。作為被燒蝕的推進(jìn)劑，陰極材料和尺寸決定了真空弧等離子的各項(xiàng)參數(shù)，對推力器的性能起著至關(guān)重要的作用。

由于不同的陰極材料產(chǎn)生的真空弧的特性不同，所以對于推力器的性能影響也不相同。根據(jù)polk的研究，幾種常用陰極材料的特性如表1所列。

表1 陰極材料特性Tab.1 The characteristics of cathode materials

根據(jù)上部分的設(shè)計(jì)理論，可以看出，為了提高推力器的推力，效率和比沖，陰極材料的腐蝕率越小越好，離子質(zhì)量、速率、平均電荷量越大越好。另外，在功率一定的情況下，VAT的比沖和推力之間存在反比的關(guān)系，推力越大，比沖反而會減小。由表1可以看出，雖然鉻的腐蝕率較小，且推功比較大、比沖大，但是在電離的過程中可能出現(xiàn)6價的鉻離子，而極微量的鉻離子就可以導(dǎo)致人體呼吸系統(tǒng)中毒，所以在實(shí)驗(yàn)中可能危害實(shí)驗(yàn)人員的健康，這種情況是不允許發(fā)生的。因此，排除鉻作為陰極材料的可能性，上述常規(guī)材料中，綜合性能排在第二位的是Ti，這是一種常規(guī)材料，加工技術(shù)也較為成熟。因此通過綜合比較和分析，選用Ti作為陰極材料。

陰極是環(huán)型結(jié)構(gòu)，所以等離子體首先在陰極環(huán)的內(nèi)表面產(chǎn)生，并且垂直于內(nèi)表面噴射，為了避免等離子噴出推力之前損失過多，陰極環(huán)的尺寸不能過小，至少應(yīng)該大于真空弧的長度。但是外徑增大會增加激發(fā)電壓。陰極是由內(nèi)向外燒蝕，越往外，所需要的激發(fā)電壓越大，可能會導(dǎo)致點(diǎn)火失效和陰極不均勻腐蝕，大大地減少補(bǔ)給的可靠性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式并折衷考慮真空弧徑向長度，取陰極內(nèi)徑為5 mm，厚度為1.5 mm。陰極長度主要與壽命有關(guān)，對性能影響不大。文獻(xiàn)[3]的研究表明，6 cm的陰極長度工作壽命為106次。

2.3 陽極環(huán)的設(shè)計(jì)

陽極的主要功能是傳導(dǎo)電流，常用作為環(huán)型VAT的陽極材料是銅、鋁、鈦。為了減少電流損耗率，提高推力器的效率，陽極材料的導(dǎo)電性越強(qiáng)越好。目前的設(shè)計(jì)中，要保證陽極在工作時不產(chǎn)生陽極斑點(diǎn)，防止由于陽極損失而引起失效?，F(xiàn)有的研究表明[5]銅、鋁、鈦都需要在1 000 A的電流下才會出現(xiàn)陽極斑點(diǎn)，而VAT工作的最大電流也不會超過100 A，因此有足夠的裕量。銅的導(dǎo)電性能最好，耐熱性也最好，且價格便宜，容易加工，因此選用銅作為陽極的材料。陽極的構(gòu)型與陰極一樣，為內(nèi)外徑相同的環(huán)。陽極長度增大Ct的值，從而能提高推力、比沖、效率等，但同時也會增加羽流在陽極壁面的損失率。根據(jù)余弦分布，在matlab中進(jìn)行羽流分布模擬，結(jié)合Ct，取陽極長度為1 mm。

2.4 絕緣環(huán)的設(shè)計(jì)

絕緣環(huán)的長度與真空弧點(diǎn)火的可靠性密切相關(guān)。根據(jù)前人的研究，在真空中兩電極之間插入絕緣環(huán)可以極大的降低擊穿電壓。根據(jù)文獻(xiàn)[6]當(dāng)兩電極之間的距離小于2 mm時屬于間隙擊穿，而大于2 mm時屬于微粒擊穿，微粒擊穿需要更大的電壓，因此環(huán)型VAT在工作過程中應(yīng)屬于間隙擊穿。另外放電在絕緣環(huán)和陰極交界面處進(jìn)行，絕緣環(huán)厚度不能太厚，這樣可以使得陰極在腐蝕的同時，在陰極環(huán)交界面處使蒸發(fā)的陰極材料能夠均勻地重新沉降在涂層上，從而對消耗的涂層進(jìn)行良好的補(bǔ)給。另外根據(jù)polk的研究，陰極和陽極之間的距離會影響幾何系數(shù)Ct的大小，距離越長，則Ct越小，則推力越小。因此從提高推力的角度來說，絕緣環(huán)的長度應(yīng)該盡可能小。但兩電極之間距離又不能太短，如果太短則容易導(dǎo)致絕緣環(huán)太薄，容易發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的擊穿，使兩電極直接導(dǎo)通，并且使得涂層的厚度變厚。折衷考慮，設(shè)計(jì)中取1 mm。另外絕緣環(huán)內(nèi)表面應(yīng)該是沒有經(jīng)過拋光的，具有一定的表面粗糙度使導(dǎo)電材料容易被鍍在絕緣環(huán)的表面。

2.5 套筒的設(shè)計(jì)

套筒的內(nèi)徑略大于陰極環(huán)的外徑，采用基孔制的間隙配合。使陰極環(huán)能夠沿著軸線方向滑動，保證彈簧能進(jìn)行有效補(bǔ)給。套筒需要具有良好的絕緣性，耐溫度劇變以及良好的韌性，較輕的質(zhì)量。選用絕緣性較好的陶瓷結(jié)構(gòu)作為套筒，從左端起第一個端蓋的材料為陶瓷。第二個端蓋的材料為鋁。第一個端蓋要具有良好的絕緣性，第二個端蓋必須具有良好的導(dǎo)電性，保證陰極與電源負(fù)極接通，同時減輕質(zhì)量，所以選用鋁作為端蓋材料，同時第二個端蓋左端具有密封性，提高推力器管內(nèi)的壓力，增強(qiáng)推力。

3 磁增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 磁場對性能增強(qiáng)作用

根據(jù)Zhuang等[11]的研究，磁場主要有兩個作用。第一個作用是使得等離子斑點(diǎn)能夠在陰極和絕緣體交界處運(yùn)動。根據(jù)不同的陰極材料，10～30 A會產(chǎn)生多個斑點(diǎn)，除此之外，磁場能夠使得陰極斑點(diǎn)產(chǎn)生方位角運(yùn)動，即沿著-JXB的方向運(yùn)動，這樣使得陰極靠近絕緣環(huán)之處能夠均勻腐蝕，在彈簧的作用力下，便能夠有效地實(shí)現(xiàn)平滑補(bǔ)給。第二個作用是將初速度從轉(zhuǎn)化到軸線上，而且可以有效的將羽流集中，減少在陽極通道內(nèi)的損失，并增強(qiáng)推力器的性能。在B=0.3 T時，可實(shí)現(xiàn)離子速度提高2倍、元沖量提高10倍、效率提高7%。

3.2 電磁線圈的設(shè)計(jì)：

為了獲取至少0.3 T的磁場，對電磁線圈尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。螺線圈所產(chǎn)生的軸向磁場近似是均勻的，多層螺線管的軸向磁場的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算如式（9）～（10）：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；N為線圈的匝數(shù)；I為線圈中的電流；L是線圈的長度；R3為線圈的外徑；R2為線圈的內(nèi)徑，μ0=4.7×10-7。

由于在太空環(huán)境中，需要銅線同時具有良好的耐高溫性和耐低溫性，所以選用聚酯酰胺系列的漆包銅線，取N=700匝，銅線的截面半徑0.5 mm，外徑22.5 mm，內(nèi)徑4.5 mm，線圈長度L=15 mm。

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)電流為22.6 A時，則可以得到磁場的大小為0.5 T，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 磁體的位置

磁體的位置非常關(guān)鍵，決定了磁場的分布，對于整個推力器的性能和操作都是至關(guān)重要的。由于初始等離子體出現(xiàn)在陰極絕緣環(huán)交界處，所以磁體一般放置在陰極和絕緣環(huán)交界處，這樣能使得磁力線與軸線形成一個30°左右的夾角，從而使陰極斑點(diǎn)等離子體遵循銳角漂移規(guī)則，增加等離子的準(zhǔn)直性[11]。固定方式可以選擇螺紋連接，過盈連接或者凸臺等方式。選取三個具有代表性的位置，使用FEMM軟件進(jìn)行磁場仿真的情況，包括磁力線和磁場強(qiáng)度。所設(shè)定的電流為DC20A。其中磁場強(qiáng)度為推力器軸線上，起始位置為陰極絕緣環(huán)交界處。

當(dāng)磁體在陰極和絕緣環(huán)的交界處時，磁場在0.35～0.5 T之間變動，平均磁場大小大于其他位置，如圖3所示。且磁力線與初始等離子的夾角在0°～30°之間，效果最為理想。因此，選取磁場位置在陰極和絕緣環(huán)的交界處是合理的。給電磁線圈通上20 A的直流電流，使用高斯計(jì)測試磁路，通過與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，與仿真基本一致。

圖3 磁體在陽極外緣處的磁場分布Fig.3 Magnetic field distribution of the magnet at the outer edge of the anode

圖4 磁體在陰極環(huán)和絕緣環(huán)的交界處的磁場分布Fig.4 Magnetic field distribution at the junction of the cathode ring and the insulation ring

圖5 磁體在陽極環(huán)和絕緣環(huán)交界處的磁場分布Fig.5 Magnetic field distribution of magnet at the junction of anode ring and insulation ring

4 磁增強(qiáng)VAT的主要參數(shù)和初步點(diǎn)火測試

推力器頭主要參數(shù)，套筒外徑為15 mm，內(nèi)徑為6.5 mm，長度為35 mm，重量為300 g，基本上實(shí)現(xiàn)了微型化和輕量化。工作時點(diǎn)火頻率為10 Hz，平均功率為1 W。采用自行設(shè)計(jì)的PPU處理單元對其進(jìn)行了初步點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。在蘭州空間物理技術(shù)研究所真空與低溫國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TS-5A真空罐中進(jìn)行了點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，真空度為1.33×10-3Pa。點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)獲得如圖6所示，可以看出，在充電過程中，電流近似線性上升。斷開IGBT的一瞬間，電流呈曲線下降，電壓瞬時升高，擊穿導(dǎo)電涂層，產(chǎn)生真空弧。此時推力器通道出現(xiàn)強(qiáng)烈閃光，標(biāo)志著陰極斑點(diǎn)出現(xiàn)并產(chǎn)生羽流。在真空弧燃燒的過程中可以看出，電壓在30 V左右波動，直至熄弧時，由于感性負(fù)載的存在，產(chǎn)生瞬時電壓峰，并迅速降為0 V。通過示波器測試，電壓峰值為140 V，電流峰值為70 A。一個周期內(nèi)，充電時間為500 μs，放電時間為100 μs。

圖6 磁增強(qiáng)環(huán)型VAT點(diǎn)火過程電壓電流曲線Fig.6 Curves of voltage and current during ignition process of magnetically enhanced ring VAT

5 結(jié)論

基于現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種磁增強(qiáng)型環(huán)形VAT的原理樣機(jī)，使用銅作為陽極，鈦?zhàn)鳛殛帢O，根據(jù)理論分析分別確定陽極、陰極和絕緣環(huán)的尺寸。鍍鈦膜作為涂層，使點(diǎn)火電壓降低，并且具有較好的可靠性，在這樣的方案下，雖然初始等離子體垂直于軸線方向，但通過外加磁場結(jié)構(gòu)，不僅可以將初速度轉(zhuǎn)化到軸線上，而且可以有效的將羽流集中，并增強(qiáng)推力器的性能，總體來說，該環(huán)形VAT結(jié)構(gòu)簡單，陰極易補(bǔ)給。通過初步點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該樣機(jī)能夠可靠點(diǎn)火，穩(wěn)定工作。由于現(xiàn)有技術(shù)條件的限制，還未能采取實(shí)驗(yàn)手段對推力器的推力、比沖、效率以及在磁場作用下對推力器性能的增強(qiáng)作用進(jìn)行測試，這將作為后續(xù)工作的重點(diǎn)研究方向。

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DEVELOPMENT OF MAGNETICALLY ENHANCED RING VACUUM ARC THRUSTER

LI Xiao-tian，ZHANG Tian-ping，WU Xian-ming，REN Liang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

These days cubesat and micro-nano satellites are developing rapidly，while lack of appropriate mirco thruster system will constrain its evolvement，so we start the development of vacuum arc thruster.Through comparison，we choosed arc thruster of ring structure with enhancing magnetic，which can improve the performance significantly.This paper introduced the main working principle of thruster，through theoretical analysis and formula derivation structure parameters of core components were determined，and expounded the key technical problems of design method of thrust head structure and low voltage reliable ignition.Thruster structure design result shows that the thruster mass is only 300g and volume is 35 mm×25 mm×25 mm，having realized the miniaturization and lightweight.The design and function of the magnetic enhancement structure were described，and the design criterion of theoretical parameters was described，and the magnetic circuit of the structure was verified by Femm simulation software，and the magnetic circuit characteristics were tested by Gauss.By comparing the simulation results with the experimental results，the result shows that the design can meet the actual results.Preliminary experiments show that the thruster has reliable ignition and stable operation.

electric propulsion；vacuum arc thruster；magnetically enhancement；ring structure

V439

A

1006-7086（2017）01-0046-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.009

2016-09-08

CAST基金（YJJ0701）、LIP自主研發(fā)基金（YSC0716）

李嘯天（1992-），男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事空間電推進(jìn)技術(shù)研究。E-mail：armstronglees@163.com。