影響環(huán)形微陰極電弧推力器壽命的因素研究

田雷超，李 林，杭觀榮，康小錄

(1. 上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112；2. 上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引 言

微納衛(wèi)星發(fā)展迅速，其壽命的延長(zhǎng)、復(fù)雜的機(jī)動(dòng)和精確的姿控迫切需要研發(fā)新型微推進(jìn)系統(tǒng)[1]。微陰極電弧推力器(Micro-cathode arc thruster, μCAT)通過(guò)陰陽(yáng)極間脈沖放電，形成的高電離度等離子體被磁場(chǎng)約束、加速噴出而產(chǎn)生推力，具有體積小、重量輕、功耗低、比沖高等優(yōu)點(diǎn)，是微納衛(wèi)星空間推進(jìn)的理想候選推力器。然而μCAT推力在μN(yùn)量級(jí)，相比較大推力的推力器，執(zhí)行相同速度增量的任務(wù)需要更長(zhǎng)的工作時(shí)間。因此，對(duì)μCAT系統(tǒng)的壽命提出了要求。

在μCAT領(lǐng)域研究具有代表性的是喬治華盛頓大學(xué)的Michael Keidar團(tuán)隊(duì)[2]，該團(tuán)隊(duì)研制了多種類型的μCAT樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了離子速度，元沖量、效率等參數(shù)的測(cè)量[3-4]。同時(shí)研究了等離子體羽流分布、陰極斑點(diǎn)旋轉(zhuǎn)特性[5-6]，以及推力的矢量控制[7]，建立了羽流形成和擴(kuò)張的數(shù)值模型[8]。該推力器已進(jìn)行了飛行驗(yàn)證與應(yīng)用[9-10]。國(guó)內(nèi)，蘭州空間技術(shù)物理研究所[11]、北京控制工程研究所[12]、西安航天動(dòng)力研究所[13]以及大連理工大學(xué)[14]、北京理工大學(xué)[15]等均開展了相關(guān)研究。對(duì)于μCAT的壽命，喬治華盛頓大學(xué)從磁場(chǎng)的角度對(duì)其進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)使得陰極斑點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了陰極均勻燒蝕，提高了推力器的壽命。對(duì)于同軸型μCAT，北京控制工程研究所發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)放電參數(shù)至典型工況，在30余萬(wàn)次壽命考核中，推力器仍可以正常工作；北京理工大學(xué)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電薄膜未形成均勻的燒蝕，是限制推力器壽命的主要因素。目前對(duì)μCAT壽命的系統(tǒng)研究，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)比較少。

本文首先分析影響μCAT壽命的可能因素，然后通過(guò)理論和試驗(yàn)分別研究各個(gè)因素對(duì)壽命的影響，最后指出主要因素，并針對(duì)不同的因素，給出延長(zhǎng)μCAT壽命的建議，為工程樣機(jī)的研制奠定基礎(chǔ)。

1 影響μCAT壽命的因素分析

μCAT系統(tǒng)主要由推力器本體和為其供電的功率處理單元(Power processing unit, PPU)組成。環(huán)形推力器由陰極、陽(yáng)極、絕緣體、電磁線圈及磁芯等部件組成，其工作原理如圖1所示。PPU產(chǎn)生的脈沖高壓施加于陰陽(yáng)極之間，引發(fā)其間電弧放電，燒蝕陰極形成等離子體，在熱壓力、電場(chǎng)力、電磁力的綜合作用下，等離子體沿放電通道噴出，產(chǎn)生推力[16]。圖2為μCAT工作時(shí)的電流變化曲線。上升段為PPU電感充電階段，期間，電流從0上升到接近40 A；下降段為推力器工作階段，期間，電流從最高點(diǎn)下降到0至電弧熄滅，此時(shí)一個(gè)脈沖結(jié)束。

圖1 μCAT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of μCAT

圖2 推力器工作電流脈沖Fig.2 Current pulse of thruster

壽命是μCAT系統(tǒng)的核心指標(biāo)之一，決定了該推進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的總沖大小[17]。影響μCAT壽命的因素有以下三個(gè)。

1)磁場(chǎng)。電弧總是在容易觸發(fā)的地方產(chǎn)生，這會(huì)導(dǎo)致推力器陰極燒蝕可能一直處于同一位置。在外加磁場(chǎng)存在時(shí)，陰極斑點(diǎn)會(huì)沿著-J×B的方向運(yùn)動(dòng)，燒蝕位置沿著周向快速移動(dòng)，使得燒蝕界面均勻后退。

2)陰陽(yáng)極間電阻。陰極等離子體于絕緣體表面的再覆蓋維持著陰陽(yáng)極間電阻的動(dòng)態(tài)平衡，但如果陰陽(yáng)極間電阻太小，如某些工況下，陰極產(chǎn)生大的金屬液滴，會(huì)引起陰陽(yáng)極間短路；而電阻太大，如絕緣體上導(dǎo)電層被燒蝕耗盡，也會(huì)因?yàn)閿嗦范裹c(diǎn)火失敗[18]。

3)功率。對(duì)于不同的任務(wù)，需要推力器工作在不同的功率下。如果一個(gè)小體積推力器工作在高功率水平下，則會(huì)由于散熱能力弱而過(guò)熱，導(dǎo)致?lián)p壞[19]。μCAT本身散熱能力不強(qiáng)，追求高的性能使其運(yùn)行在高功率下，各部件材料更容易受熱損壞。另外過(guò)高的放電功率可能與陰陽(yáng)極間絕緣體的腐蝕相關(guān)，嚴(yán)重的腐蝕將導(dǎo)致工作狀態(tài)發(fā)生改變，推力器失效。

2 試驗(yàn)研究

圖3為試驗(yàn)所用的推進(jìn)系統(tǒng)原理樣機(jī)，PPU輸出脈沖由PC機(jī)控制軟件控制，輸入電壓為4.5～5.5 V，最大脈沖輸出電流為40 A。圖4為本試驗(yàn)推力器樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖：推力器內(nèi)徑為5 mm；1為陽(yáng)極，材料為黃銅，長(zhǎng)度1 mm；2為絕緣體，材料為氧化鋁陶瓷，長(zhǎng)度1 mm(陰陽(yáng)極之間長(zhǎng)度)；3為陰極，材料為鈦；4為彈簧，為450 ℃耐高溫材料；5為后蓋板，材料為聚醚醚酮；外殼材料為鋁；通道壁面材料為氧化鋁陶瓷；線圈采用500 ℃高溫電磁線，纏繞于鋁殼前部槽內(nèi)。推力器采用自勵(lì)磁模式，在放電電流為35 A時(shí)，中心軸線上最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1T，磁場(chǎng)構(gòu)型如圖5所示。

圖3 推進(jìn)系統(tǒng)原理樣機(jī)Fig.3 Principle prototype of propulsion system

圖4 推力器剖面圖Fig.4 Profile diagram of thruster

圖5 推力器磁場(chǎng)構(gòu)型Fig.5 Magnetic field configuration of thruster

磁場(chǎng)對(duì)推力器壽命的影響主要是陰極斑點(diǎn)的反向運(yùn)動(dòng)使得陰極均勻燒蝕，因此供給系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。Michael Keidar團(tuán)隊(duì)[2]在此方面做了很多工作，本文不做研究。

2.1 陰陽(yáng)極間電阻研究

推力器點(diǎn)火采用André等[18]提出的無(wú)觸發(fā)點(diǎn)火法，是將一層導(dǎo)電薄膜涂覆于絕緣體上，該涂層電阻在陰陽(yáng)極之間為有限阻抗，工作過(guò)程中有限阻抗動(dòng)態(tài)平衡[20]。其微觀過(guò)程是，放電消耗涂層的同時(shí)，一小部分陰極等離子體重新沉積于絕緣體上。對(duì)此，關(guān)鍵的問(wèn)題是控制放電參數(shù)來(lái)維持該平衡，并且得到陰陽(yáng)極間的有限阻抗區(qū)間。

一般地，等離子體的產(chǎn)生與陰極斑點(diǎn)的功率密度正相關(guān)，即與熱功率I2R正相關(guān)，因此沉積到絕緣體上等離子體的多少與推力器的放電電流有關(guān)。試驗(yàn)采用不同放電電流(10 A和33 A)對(duì)推力器的工作時(shí)間進(jìn)行研究。試驗(yàn)時(shí)，真空度在10-3Pa量級(jí)。

2.2 不同功率下的熱性能研究

功率的選擇影響的是μCAT的熱性能。μCAT產(chǎn)熱因素包括放電電流、工作頻率和效率等三方面，如果推力器效率一定，則產(chǎn)熱的因素歸結(jié)為推力器輸入功率的大小，理想狀況下為

P=W/t=1/2LI2f

(1)

PPU采用電感儲(chǔ)能，其中W為電感儲(chǔ)存的能量，t為工作時(shí)間，L為電感量，I為放電電流，f為工作頻率。

本試驗(yàn)通過(guò)控制推力器的放電功率，測(cè)量溫度來(lái)研究熱性能，給出與功率相關(guān)的結(jié)果。如圖6所示，將K型熱電偶固定于推力器表面，由于溫度最高點(diǎn)在陰極燒蝕端(陰極斑點(diǎn)處)，因此測(cè)試點(diǎn)緊挨電磁線圈后部，此處是除線圈外外表溫度最高點(diǎn)。用DMM7510萬(wàn)用表測(cè)量不同功率下熱電偶兩端的熱電動(dòng)勢(shì)。首先在相同功率下，驗(yàn)證推力器外表面溫度變化是否能夠復(fù)現(xiàn)。因此，在輸入功率約為8 W時(shí)，做3次試驗(yàn)。而后通過(guò)PPU調(diào)節(jié)推力器工作頻率，使得輸入功率分別接近3 W、5 W和10 W，并進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于PPU，由于放電電流和工作頻率相關(guān)，在調(diào)節(jié)工作頻率時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比使得不同功率下的放電電流保持一致。

圖6 μCAT熱測(cè)試Fig.6 Thermal test of μCAT

2.3 不同功率下的絕緣體腐蝕研究

試驗(yàn)研究放電功率與絕緣體腐蝕的關(guān)系。推力器先在8 W左右(放電電流33 A，頻率20 Hz)工作，直至其失效。而后固定放電電流33 A，頻率10 Hz，進(jìn)行4 W長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火試驗(yàn)。通過(guò)影像儀測(cè)量比較絕緣體內(nèi)徑參數(shù)的變化，以衡量絕緣體的腐蝕狀況。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 陰陽(yáng)極間電阻結(jié)果

在放電電流為10 A的情況下，推力器一般工作幾千到幾萬(wàn)次就會(huì)熄滅，通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，陰陽(yáng)極間電阻達(dá)到無(wú)窮大。其可能原因是，放電電流低，沉積到絕緣體上的陰極等離子體不足，使得涂層消耗與沉積不平衡，電阻逐漸變大。放電電流為33 A的情況下，推力器可持續(xù)工作。為了研究推力器持續(xù)工作時(shí)陰陽(yáng)極間的有限阻抗區(qū)間，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火試驗(yàn)。推力器放電電流33 A，工作頻率20 Hz，輸入功率約為8 W。推力器每工作1 min，停止點(diǎn)火，立即測(cè)量電阻并記錄。

圖7為新推力器在兩小時(shí)內(nèi)陰陽(yáng)極間電阻的變化。從圖7可以看出，電阻在推力器工作過(guò)程中逐漸趨于穩(wěn)定。在開始的幾十分鐘，陰陽(yáng)極間電阻值絕大部分在5～80 kΩ范圍內(nèi)，之后穩(wěn)定在0.5～10 kΩ。由于絕緣體上初始為石墨涂層，因此在推力器開始點(diǎn)火的幾十分鐘內(nèi)，電阻變化幅度比較大。這里排除艙壁濺射離子在絕緣體上的沉積，因?yàn)樵囼?yàn)主艙尺寸為Φ0.3 m×0.5 m，而處于艙室中間的推力器出口內(nèi)徑僅為5 mm。陰陽(yáng)極間電阻的大小也會(huì)受到陰極前端形貌變化等因素的影響，在前端燒蝕界面后退時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

3.2 熱性能結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境溫度為25.5 ℃，圖8為8 W時(shí)三次試驗(yàn)的推力器外表溫度變化趨勢(shì)圖。

圖8 8 W時(shí)推力器溫度隨時(shí)間變化圖Fig.8 Temperature change with time at 8 W

從圖8可以看出，三條曲線基本吻合，試驗(yàn)可重復(fù)性較好。推力器工作后，溫度快速上升，15 min時(shí)已經(jīng)達(dá)到180 ℃左右。之后溫度隨工作時(shí)間緩慢上升。大約經(jīng)過(guò)35 min，推力器通過(guò)熱傳導(dǎo)以及熱輻射基本達(dá)到了熱平衡狀態(tài)，溫度為190多攝氏度。圖9為不同功率下推力器外表溫度的變化圖。圖中如果溫度持續(xù)5 min保持不變，認(rèn)為推力器達(dá)到熱平衡，此時(shí)的溫度定為熱平衡溫度。圖10為不同功率下的熱平衡溫度擬合曲線圖。通過(guò)比較可以看出：隨著推力器工作時(shí)間的增加，溫度越來(lái)越高，最終達(dá)到平衡；功率越高，溫度上升越快，并且達(dá)到較高的平衡溫度；熱平衡溫度基本隨功率線性增加。

圖9 不同功率下推力器溫度隨時(shí)間變化圖Fig.9 Temperature change with time at different powers

圖10 不同功率下的熱平衡溫度Fig.10 Thermal equilibrium temperature at different powers

推力器可以在不同的功率下工作，但存在功率閾值。本試驗(yàn)推力器部件材料如第2節(jié)所述，由黃銅、鈦、鋁等金屬、陶瓷、450 ℃耐高溫彈簧、聚醚醚酮、500 ℃高溫電磁線等組成，比較來(lái)說(shuō)，聚醚醚酮在高溫下最容易發(fā)生問(wèn)題，其長(zhǎng)期使用溫度為260 ℃。10 W時(shí)，推力器平衡溫度達(dá)到了207 ℃，考慮到本實(shí)驗(yàn)推力器的材料屬性，沒有再加高功率。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)圖10的線性擬合來(lái)得到推力器的功率注入條件，其最高穩(wěn)定運(yùn)行功率約為13 W。雖然推力器選擇不同的材料以及不同的尺寸時(shí)，注入條件會(huì)不一樣，但該功率閾值的研究對(duì)于此種微型脈沖式推力器的運(yùn)行工作具有參考意義。

對(duì)于推力器熱優(yōu)化來(lái)講，須從兩方面對(duì)其進(jìn)行熱研究：通過(guò)提高效率，從磁場(chǎng)強(qiáng)度大小以及推力器電極構(gòu)型等方面考慮來(lái)降低產(chǎn)熱；在推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱輻射材料的選擇和系統(tǒng)空間設(shè)計(jì)等方面考慮來(lái)加強(qiáng)散熱，從而降低特定功率下的熱平衡溫度。對(duì)于μCAT，一般情況下，功率越高，其性能越高，如推力隨功率增大而增大。通過(guò)對(duì)熱性能的研究，可以提高功率閾值來(lái)提升推力器性能而又不致平衡溫度過(guò)高。

3.3 絕緣體腐蝕結(jié)果

圖11是新陰極與89.4萬(wàn)次工作脈沖后燒蝕陰極的對(duì)比。從圖11可以看出，陰極周向燒蝕十分均勻，驗(yàn)證了外加磁場(chǎng)的作用，也從側(cè)面反映了供給系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑的持續(xù)供給。在高功率下，經(jīng)過(guò)95.8萬(wàn)次(約13.3 h)脈沖后，推力器放電開始偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，產(chǎn)生較大、更明亮的斑點(diǎn)，這種現(xiàn)象在后續(xù)點(diǎn)火過(guò)程中逐漸趨于頻繁，推力器失效。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，推力器工作不穩(wěn)定的原因是絕緣體的腐蝕引起了μCAT的失效。隨著絕緣體的腐蝕，推力器電極間距、磁場(chǎng)構(gòu)型等均發(fā)生變化，從而工作狀態(tài)發(fā)生改變，影響到腐蝕速率的大小，因此對(duì)于腐蝕過(guò)程的量化存在困難。

圖11 陰極燒蝕前后比較Fig.11 Comparison of cathodes before and after ablation

比較絕緣體內(nèi)徑變化以衡量其腐蝕程度。圖12(a)為初始絕緣體，內(nèi)徑5.08 mm，圖12(b)為高功率下工作95.8萬(wàn)次推力器失效后的絕緣體，內(nèi)徑增大到5.55 mm，圖12(c)為低功率下工作220萬(wàn)次推力器仍未失效的絕緣體，內(nèi)徑5.34 mm。可以看到，高功率下，絕緣體腐蝕嚴(yán)重，內(nèi)徑變大；而低功率下，腐蝕程度大大降低，但是以降低頻率來(lái)降低功率后，推力性能也隨之降低。在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)絕緣體軸向上的腐蝕，如圖13是陰極端面燒蝕形貌，外圈變薄，此圈燒蝕會(huì)始終腐蝕與其相鄰的絕緣體。

圖12 絕緣體內(nèi)徑變化Fig.12 Change of insulator diameter

圖13 陰極端面的燒蝕形貌Fig.13 Ablation morphology of cathode

前兩個(gè)試驗(yàn)中，在較大電流下，推力器達(dá)到熱平衡，可以持續(xù)穩(wěn)定地工作。結(jié)合第三個(gè)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在合適的放電電流和合理的熱控制下，制約μCAT壽命的主要因素是絕緣體的腐蝕，而根本原因是表面電流帶來(lái)的破壞以及等離子體的濺射。從壽命周期來(lái)看，絕緣體表面的腐蝕與修復(fù)很難達(dá)到平衡。對(duì)于推力器，需要在滿足性能的基礎(chǔ)上，盡量降低放電電流以及通過(guò)增大磁場(chǎng)、降低工作頻率等途徑減少離子的濺射來(lái)減緩絕緣體的腐蝕，另外還需進(jìn)行推力器內(nèi)部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié) 論

本文分析了影響環(huán)形μCAT壽命的因素，通過(guò)試驗(yàn)研究了電流參數(shù)對(duì)陰陽(yáng)極間電阻的影響，不同功率下的推力器熱性能以及功率大小對(duì)絕緣體腐蝕的影響。對(duì)于延長(zhǎng)推力器的壽命方面，研究得到以下結(jié)論：

1)需要控制推力器較大的放電電流，使得陰陽(yáng)極間電阻動(dòng)態(tài)平衡，維持在0.5～10 kΩ。

2)需要選擇合適的放電功率，功率閾值應(yīng)考慮各部件材料的高溫承受能力。

3)絕緣體的腐蝕是制約推力器壽命的主要因素，降低放電功率有助于減緩該腐蝕。