平面感應(yīng)式脈沖等離子體推力器高速脈沖氣體供給閥的試驗(yàn)驗(yàn)證*

郭大偉，程謀森，李小康,車碧軒

0　引　言

感應(yīng)式脈沖等離子推力器(inductive pulsed plasma thruster, IPPT)是一種磁推力器，其概念源于20世紀(jì)60年代初 由Lovberg等[1-2]首次提出的“脈沖感應(yīng)推力器”(pulsed inductive thruster, PIT).其典型結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1和2所示.在推力器工作過(guò)程中，由脈沖閥向線圈表面噴注一團(tuán)氣體，當(dāng)氣團(tuán)均勻的分布在線圈表面時(shí)，儲(chǔ)能電容通過(guò)開(kāi)關(guān)向平面線圈快速放電.線圈中的電流在線圈表面產(chǎn)生環(huán)向電場(chǎng)和徑向磁場(chǎng).環(huán)向電場(chǎng)使線圈表面的氣體電離并形成環(huán)狀等離子體電流片.等離子體電流片中的電流方向與線圈中的電流方向相反.電流片在洛倫茲力的作用下加速運(yùn)動(dòng)并遠(yuǎn)離線圈.電流片在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不斷裹挾并電離下游氣體，使整個(gè)氣團(tuán)從線圈表面高速噴出，從而獲得推力.

圖1　感應(yīng)脈沖等離子體推力器工質(zhì)噴注階段示意圖Fig.1　Schematic of the propellant injection stage of IPPT

圖2　感應(yīng)脈沖等離子體推力器線圈放電階段示意圖Fig.2　Schematic of the coil discharge stage of IPPT

脈沖氣團(tuán)在線圈表面的分布狀態(tài)直接影響氣體的電離、等離子體電流片的形成以及等離子體的加速過(guò)程，是決定推力器性能的關(guān)鍵因素.為了提高氣體利用率和推力器推進(jìn)性能，IPPT對(duì)脈沖閥的要求包括[3-6]：1)氣體徑向分布均勻；2)軸向上需壓縮在解耦距離之內(nèi)；3)脈沖氣團(tuán)后沿到達(dá)線圈表面時(shí)，不應(yīng)有任何尾隨氣體，并且脈沖氣團(tuán)前沿不能溢出線圈表面的有效電離區(qū)和加速區(qū).

為了實(shí)現(xiàn)上述要求，最大限度實(shí)現(xiàn)氣體在推力器線圈表面的理想分布，脈沖閥作為推進(jìn)劑噴注系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，要有足夠快的響應(yīng)特性，必須能夠在幾百微秒的時(shí)間內(nèi)完全打開(kāi)，并在相同的時(shí)間內(nèi)完全關(guān)閉[4].此外，脈沖閥還要能夠根據(jù)任務(wù)的需求進(jìn)行一定的流量調(diào)節(jié).

快速脈沖閥的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)一直在改進(jìn)，早期IPPT的試驗(yàn)研究(20世紀(jì)60年代)主要采用電磁鐵式提升閥[7-9]，而后(1980～2005)主要采用電動(dòng)力式閥[5-6].但是電磁鐵式閥結(jié)構(gòu)需設(shè)計(jì)閥芯對(duì)中機(jī)構(gòu)和回復(fù)力機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致閥整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜.此外，電磁閥的驅(qū)動(dòng)力與閥結(jié)構(gòu)尺寸呈比例變化關(guān)系，為了使閥獲得快速響應(yīng)特性，需增大閥體積以獲得較大的驅(qū)動(dòng)力.而電動(dòng)力式閥結(jié)構(gòu)雖驅(qū)動(dòng)能量低，但制作工藝十分苛刻.

本文針對(duì)國(guó)防科技大學(xué)所設(shè)計(jì)的平面型IPPT原型機(jī)，驗(yàn)證了一種新型高速脈沖氣體閥[10].該閥基于感應(yīng)渦流斥力原理，采用截錐形簧片和線圈構(gòu)成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).依靠開(kāi)啟過(guò)程中簧片變形所儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能提供閥閉合的回復(fù)力，無(wú)需額外的回復(fù)力機(jī)構(gòu)，使閥結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化.本文將對(duì)閥的設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹.

1　高速脈沖氣體供給閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

基于電磁感應(yīng)原理的高速脈沖氣體供給閥結(jié)構(gòu)和實(shí)物分別如圖3、4所示.其結(jié)構(gòu)主要由螺旋型驅(qū)動(dòng)線圈，簧片，密封墊，簧片限位塊和主閥體構(gòu)成.簧片覆蓋在閥腔上，簧片與其內(nèi)沿的O型圈(氟橡膠)及密封墊 (氟橡膠)形成密封副.閥裝配完成后，O型圈壓縮后的高度系數(shù)約為0.8，計(jì)算密封比壓約為1.6 MPa[11].簧片因變形在密封副處產(chǎn)生的預(yù)密封壓力約為700 N，閥口處的密封副變形約為0.4 mm，計(jì)算密封比壓約為2.3 MPa.設(shè)計(jì)的的密封比壓均大于文獻(xiàn)[11] 建議的1.3 MPa.閥的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由簧片與線圈組成，簧片為開(kāi)閉動(dòng)作執(zhí)行部件.閥開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)力由簧片與線圈之間產(chǎn)生的洛倫茲斥力提供，閉合回復(fù)力由閥開(kāi)啟時(shí)簧片變形產(chǎn)生的彈性力提供.為了使閥能夠在極短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟并在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，需要較大的驅(qū)動(dòng)力和回復(fù)力.因此簧片采用高電導(dǎo)率的鈹銅制成，以增大感生電流，同時(shí)簧片沖壓成截錐形，以便在小變形下提供較大回復(fù)力.該脈沖閥主要有以下特點(diǎn)：1)閉合所需的回復(fù)力由簧片變形產(chǎn)生的彈性力提供，避免了使用額外的回復(fù)力機(jī)構(gòu)，使閥整體結(jié)構(gòu)得到極大地簡(jiǎn)化;2)閥中不使用任何鐵磁材料，因此該閥不會(huì)影響推進(jìn)器線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可以安裝在靠近推力器線圈表面附近;3)閥體采用低電導(dǎo)率不銹鋼材料，可以減少閥工作時(shí)的渦流損耗;4)密封墊起到吸能作用，可以有效減小簧片閉合時(shí)的回彈.

脈沖閥的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示.儲(chǔ)能電容器通過(guò)脈沖功率晶閘管與驅(qū)動(dòng)線圈相連.為了防止工作過(guò)程中電流振蕩，并保護(hù)電容器免受較大的反向電壓沖擊，采用二極管與脈沖閥并聯(lián)進(jìn)行箝位.閥的工作過(guò)程可概述如下：當(dāng)晶閘管觸發(fā)后，儲(chǔ)能電容器對(duì)閥的驅(qū)動(dòng)線圈放電，線圈中產(chǎn)生的脈沖電流在簧片中感生出方向相反的電流.根據(jù)電磁場(chǎng)原理，簧片中將產(chǎn)生洛倫茲力，如圖6(a)所示.簧片外沿在洛倫茲力軸向分量的作用下克服簧片的預(yù)緊力并迅速抬升形成環(huán)狀閥口，閥腔中的高壓氣體從閥口膨脹流出.隨著線圈電流的衰減和反向，當(dāng)簧片與擋塊碰撞或其所受的電磁力遠(yuǎn)小于簧片變形所產(chǎn)生的彈性力時(shí)，簧片所儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能開(kāi)始轉(zhuǎn)換成簧片的動(dòng)能，此時(shí)閥開(kāi)始閉合，如圖6 (b)所示，并且在與開(kāi)啟時(shí)間近似相同的時(shí)間內(nèi)完成閉合.至此實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作循環(huán).

圖3　高速脈沖氣體供給閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic of the fast pulsed gas valve

圖4　高速脈沖氣體供給閥實(shí)物圖Fig.4　Photograph of the fast pulsed gas valve

圖5　驅(qū)動(dòng)電路示意圖Fig.5　Schematic of the discharge circuit

圖6　閥工作原理Fig.6　Working principle of the valve

2　試驗(yàn)原理與試驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)本文所述閥的結(jié)構(gòu)特性，分別采用光透過(guò)法測(cè)量閥的響應(yīng)特性，采用PVTt法測(cè)量單脈沖氣體供給量.試驗(yàn)原理和試驗(yàn)裝置布局如圖7和8所示.閥被放置在特定的真空艙中.激光器和光電探測(cè)器在真空艙外相對(duì)布置.從激光器發(fā)出的激光穿過(guò)位于閥口上方簧片與擋塊之間的縫隙并被光電探測(cè)器接收.由于透過(guò)縫隙的光強(qiáng)與縫隙的大小呈比例，同時(shí)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)與輸入光強(qiáng)呈線性關(guān)系，因此可以根據(jù)光電探測(cè)器輸出信號(hào)間接獲得閥的響應(yīng)特性.當(dāng)閥完成一個(gè)工作循環(huán)后，真空艙的壓力會(huì)升高.假定氣體的溫度保持恒定，通過(guò)測(cè)量真空艙充氣前后的氣體絕對(duì)壓力，閥的單脈沖供氣質(zhì)量可表示為：

(1)

其中，R和T分別是氣體常數(shù)和溫度，V為真空艙有效容積(6 489 876 mm3).

試驗(yàn)中所采用的光電探測(cè)器(Thorlabs DET 10A)響應(yīng)時(shí)間為1 ns，由于閥的響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)，因此光電探測(cè)器動(dòng)態(tài)性能滿足響應(yīng)特性測(cè)試需求.選用的激光器光斑直徑略大于被測(cè)位置處簧片與擋塊間的縫隙尺寸，這樣可以確保當(dāng)閥完全打開(kāi)時(shí)，光電探測(cè)器接收的光強(qiáng)為零，并且能夠反映出簧片與密封墊碰撞時(shí)的壓縮與回彈過(guò)程.在實(shí)際測(cè)試中，透過(guò)縫隙的光斑大于光電探測(cè)器的有效感光面積，為了有效收光，在光電探測(cè)器前放置一凸透鏡，對(duì)透過(guò)的激光進(jìn)行聚焦.觸發(fā)脈沖功率晶閘管的信號(hào)為一個(gè)方波脈沖，其前沿作為示波器觸發(fā).驅(qū)動(dòng)電路中的電流采用電流互感器測(cè)量，電容器(350 μF)工作過(guò)程中的電壓由高壓探頭監(jiān)測(cè).真空艙的壓力由薄膜電容規(guī)(CERAVAC CTR 101 N)進(jìn)行測(cè)量.試驗(yàn)中使用的工質(zhì)氣體為氬氣.參照?qǐng)D7，具體的試驗(yàn)流程為：首先，打開(kāi)閥3，將真空艙壓力抽至10-2Pa量級(jí)；然后，打開(kāi)閥1，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥2，將閥腔壓力調(diào)節(jié)到所需的工作壓力；最后，關(guān)閉閥3并觸發(fā)晶閘管.驅(qū)動(dòng)電路的電流和光電探測(cè)器的輸出信號(hào)由示波器記錄，真空艙的壓力由薄膜電容規(guī)的控制器讀出.

圖7　試驗(yàn)原理圖Fig.7　Schematic of the experiment

圖8　試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.8　Photograph of the experimental rig

3　試驗(yàn)結(jié)果及討論

在試驗(yàn)中采用單因素實(shí)驗(yàn)法，分別研究了驅(qū)動(dòng)電壓(電容器的初始充電電壓)和閥腔氣體壓力對(duì)閥響應(yīng)特性的影響.不同工作條件下光電探測(cè)器輸出信號(hào)和線圈電流如圖9所示，圖中光電探測(cè)器信號(hào)3次測(cè)量的平均值，由于試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)閥腔壓力對(duì)于電路的放電特性幾乎無(wú)影響，圖中的電流曲線為閥腔壓力為100 kPa時(shí)3次測(cè)量平均值.

從圖9中的電流曲線可以發(fā)現(xiàn)，從晶閘管被觸發(fā)到線圈被激勵(lì)存在約3.5 μs的延遲，這主要是由于晶閘管的動(dòng)態(tài)特性導(dǎo)致的.當(dāng)?shù)谝话胫芷谶^(guò)后線圈電流有稍許反向過(guò)沖，表明箝位二極管對(duì)電流的震蕩起到了抑制作用.由于光電探測(cè)器信號(hào)對(duì)縫隙-光路對(duì)準(zhǔn)性敏感，所以只能粗略的認(rèn)為光電探測(cè)器的輸出信號(hào)與位移呈線性關(guān)系，即

(2)

其中：xmax為擋塊限制的閥口最大位移，約為0.7 mm；S(t)為t時(shí)刻光電探測(cè)器輸出信號(hào).x(t)為正表示閥開(kāi)啟，若為負(fù)值則表示簧片壓縮密封墊.

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓不變時(shí)，閥的響應(yīng)特性幾乎與閥腔氣體壓力無(wú)關(guān).考慮到閥腔中的氣體壓力較低，閥腔內(nèi)工作氣體在簧片上產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)小于簧片上的洛倫茲壓力以及簧片變形的彈性力.因此，在所測(cè)試的工作壓力范圍內(nèi)，閥腔氣體壓力對(duì)響應(yīng)特性的影響可以忽略不計(jì).當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為1 600 V和1 700 V時(shí)，光電探測(cè)器信號(hào)中出現(xiàn)尖峰，意味著簧片達(dá)到最大限定位移并與擋塊發(fā)生碰撞.可以推斷存在一個(gè)剛好能使閥完全開(kāi)啟的閾值電壓(介于1 500 V與1 600 V之間).在閥閉合過(guò)程中，當(dāng)光電探測(cè)器信號(hào)恢復(fù)至初始值之后開(kāi)始出現(xiàn)振蕩.這主要是由簧片與密封墊接觸時(shí)具有較大動(dòng)能，密封墊被壓縮，隨后簧片發(fā)生回彈.從光電探測(cè)器輸出信號(hào)可以看出簧片回彈的位移與最大位移相比十分有限，證明密封墊起到了良好的吸能作用.

單脈沖供氣質(zhì)量是該閥另一個(gè)重要性能.圖10顯示了在不同閥腔壓力下供氣質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系.由圖可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓不變時(shí)，供氣量隨閥腔氣體壓力增高而增加.固定閥腔氣體壓力，單脈沖供氣質(zhì)量隨驅(qū)動(dòng)電壓的增高而增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓高于1 600 V時(shí)，供氣量開(kāi)始減少.

閥的供氣量變化特性可通過(guò)閥腔工作氣體注入真空過(guò)程加以解釋.當(dāng)閥開(kāi)啟后，閥腔氣體經(jīng)閥口流入真空，假設(shè)氣體的流動(dòng)過(guò)程是等熵的，由于氣體由環(huán)向閥口流入真空，在閥口處將出現(xiàn)擁塞.由于閥的進(jìn)氣口相對(duì)較小，可認(rèn)為閥在工作過(guò)程中沒(méi)有補(bǔ)充氣體.同時(shí)，閥開(kāi)啟位移較小，因簧片變形引起的閥腔容積變化可忽略.根據(jù)等熵過(guò)程中壓力比與溫度比的關(guān)系，以及一維流動(dòng)的質(zhì)量流量方程與當(dāng)時(shí)閥腔氣體總壓和總溫的關(guān)系，可推導(dǎo)出任意時(shí)刻t閥口質(zhì)量流率與閥腔初始?jí)毫蜏囟?認(rèn)為初始時(shí)刻的靜壓和靜溫即為當(dāng)時(shí)的總壓和總溫)的關(guān)系[12]：

(3)

式中：R為氣體常數(shù)；T0為閥腔初始總溫；γ為比熱容；P0、P(t)分別為閥腔氣體初始時(shí)刻和t時(shí)刻的總壓；A(t)為閥口面積，可表示成2πrx(t)，r為環(huán)狀閥口半徑，約為37 mm.

根據(jù)閥腔氣體的質(zhì)量減少率等于閥口的質(zhì)量流率，則任意時(shí)刻t閥腔中的總壓為：

(4)

圖9　不同工況下的光電探測(cè)器輸出信號(hào)和線圈電流Fig.9　Photodetector signals and coil currents vs. time at different operation conditions

圖10　不同工況下的單脈沖供氣質(zhì)量Fig.10　Throughput characteristics at different operation conditions

根據(jù)閥腔初始?xì)怏w質(zhì)量和閥腔t時(shí)刻剩余氣體質(zhì)量可計(jì)算出閥單脈沖供氣量：

(5)

圖11　不同驅(qū)動(dòng)電壓下的A(τ)dτFig.11　A(τ)dτ at different driving voltages

結(jié)合閥響應(yīng)特性和流量特性試驗(yàn)結(jié)果，不同工況下閥的閥開(kāi)啟動(dòng)作延遲時(shí)間、閥口最大位移、閥口半峰全寬和流量特性如表1所示.閥動(dòng)作延遲時(shí)間約為35 μs，并且基本不受驅(qū)動(dòng)電壓影響.在本文所述的測(cè)試條件下，最大單脈沖供氣質(zhì)量約為2.5 mg，滿足目前IPPT原型機(jī) 2 mg的需求.

表1　閥原理樣機(jī)性能指標(biāo)Tab. 1　Performances of the prototype valve

4　結(jié)　論

為了支持IPPT的相關(guān)技術(shù)探索，本文驗(yàn)證了一種基于電磁感應(yīng)原理的快速脈沖閥.測(cè)試結(jié)果表明，該閥的動(dòng)作延遲不大于35 μs，在閥腔壓力為100 kPa時(shí)，最大單脈沖供氣量為2.5 mg.其響應(yīng)特性和流量特性均滿足IPPT原理樣機(jī)的需求.此外，該閥具備通過(guò)調(diào)節(jié)初始驅(qū)動(dòng)電壓和閥腔工作氣體壓力來(lái)調(diào)節(jié)供氣量的能力，可以后續(xù)IPPT多工況性能試驗(yàn)提供支持.