雙陽極磁增強真空弧推力器性能試驗研究

田 愷，史 楷，郭德洲，趙 勇，陳新偉

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

真空弧推力器（Vacuum Arc Thruster，VAT）以陰極為推進劑，基于無觸發(fā)引弧原理，在陽極和陰極間加幾十到數(shù)百伏的脈沖電壓即可在微陰極表面誘發(fā)真空電弧放電。放電過程中陰極表面熔融物質(zhì)伴隨熱、場發(fā)射電子噴射到陰極與絕緣體導(dǎo)電膜之間的間隙中，并發(fā)生碰撞電離，再通過氣動加速、電子-離子摩擦碰撞等機制使離子加速，形成高速等離子體射流，產(chǎn)生微牛級推力。VAT廣泛應(yīng)用于微納衛(wèi)星微小推力控制，傳統(tǒng)VAT放電脈沖次數(shù)在百萬次量級[1-2]，壽命問題仍然是限制其空間應(yīng)用的主要因素。

磁增強真空弧推力器（Magnetically Enhanced Vacuum Arc Thruster，MVAT）是在VAT器頭部加裝軸向磁場，通過磁場約束羽流等離子體，以降低推力損耗和羽流污染；同時，陰極斑在離子電流與磁場作用下沿J?×B?方向旋轉(zhuǎn)，促進了陰極表面的均勻燒蝕，延長了推力器壽命。按照電極排列方式，MVAT通常分為環(huán)形和同軸結(jié)構(gòu)[3]。美國阿拉米達(dá)應(yīng)用科學(xué)公司（Alameda Applied Sciences Corporation）聯(lián)合NASA JPL[4]于2005年研制的首款MVAT為同軸型VAT外加電磁線圈結(jié)構(gòu)，在22 A峰值電流下可以激發(fā)0.05 T磁場，推力器平均元沖量2.7 μN·s，相比沒有磁場時的推力提高了50%。2019年，美國華盛頓大學(xué)與俄羅斯Tomsk州立大學(xué)聯(lián)合研制了一款基于永磁鐵的環(huán)形電極高推功比MVAT[5]，該推力器質(zhì)量80 g，功耗16 W，設(shè)計磁場0.2 T，平均推力0.21 mN，比沖3 400 s，推功比達(dá)到 15 μN/W。國內(nèi)報導(dǎo)的MVAT[6]元沖量為0.26 μN·s，比沖為518 s，壽命為1.12×106次[7]。

2020年，蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的首款真空弧推力器LVAT-1完成在軌驗證，元沖量為0.68～0.83 μN·s，滿 足 ＜1 μN·s 的 設(shè) 計 要 求[8]。LVAT-1為無磁場約束的同軸型VAT。地面壽命試驗發(fā)現(xiàn)，陰極燒蝕只發(fā)生在陰極邊緣1 mm寬的環(huán)域內(nèi)，陰極中心部分未參與燒蝕放電，10 Hz工況下的壽命為1.7×106次。

本研究綜合環(huán)形MVAT和同軸型MVAT的技術(shù)優(yōu)勢對LVAT-1進行優(yōu)化，增加磁場結(jié)構(gòu)，研制一款圓柱型內(nèi)陽極與環(huán)形外陽極混合構(gòu)型的雙陽極磁增強真空弧推力器（Bi-Anode MVAT），并在本所TS-6E真空系統(tǒng)上進行引弧試驗、不同放電模式推力性能比較試驗、失效模式驗證和壽命考核等試驗研究，以期為后續(xù)長壽命真空弧推力器的改進和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

Bi-Anode MVAT由VAT和磁場兩部分組成。VAT保留了LVAT-1的環(huán)形陽極（外陽極），將陰極優(yōu)化為空心筒結(jié)構(gòu)，空心部分增加柱狀陽極（內(nèi)陽極）和內(nèi)絕緣體。陰極尾部連接饋送彈簧；將釤鈷磁鐵安裝在羽流出口附近，以提供磁場；陰極為Ti，陽極為Cu，絕緣體為Al2O3陶瓷，殼體為不銹鋼，如圖1所示。整個Bi-Anode MVAT包絡(luò)尺寸為D21 mm×35 mm，質(zhì)量30 g，功耗12 W＠30 Hz。設(shè)計為三種放電模式：內(nèi)陽極放電、外陽極放電和雙陽極（內(nèi)陽極+外陽極）放電，三種模式可以自由切換。

圖1 LVAT-1和Bi-Anode MVAT示意圖及Bi-Anode MVAT實物照片F(xiàn)ig.1 Schematic and photograph of LVAT-1 and Bi-Anode MVAT

磁場設(shè)計通常采用電磁線圈或永磁體。已有的仿真結(jié)果表明，MVAT最佳磁場強度為0.1～0.3 T[9-11]。電磁線圈的優(yōu)點是可通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)磁場強度。采用電源處理單元PPU儲能電感激發(fā)電流給電磁線圈供電，25 A激勵電流產(chǎn)生的磁場強度分布如圖2所示。

圖2 25 A時電磁線圈磁場分布圖Fig.2 Magnetic field distribution of electromagnetic coil at 25 A

從圖2可以看出，當(dāng)激勵電流為25 A時，線圈內(nèi)部軸向最大磁場出現(xiàn)在線圈中間，約0.034 T，線圈兩極最弱，約0.018 T。如果選擇Ti作為骨架材料，則該電磁線圈的質(zhì)量為20 g。如果考慮采用磁線圈供電模塊，總體積、功耗和質(zhì)量還須增加。

筒狀釤鈷磁鐵（質(zhì)量22.9 g）的磁場分布如圖3所示，筒內(nèi)的軸向磁場在0.13～0.28 T之間，分布均勻，符合0.1～0.3 T的設(shè)計要求。綜合比較，本設(shè)計采用釤鈷磁鐵作為Bi-Anode MVAT的磁極。

圖3 筒狀釤鈷磁鐵磁場分布圖Fig.3 Magnetic field distribution of cylindrical SmCo magnet

2 試驗系統(tǒng)

所有的試驗研究都在蘭州空間技術(shù)物理研究所電推進實驗室TS-6E真空系統(tǒng)進行。TS-6E的真空艙直徑0.8 m，長1.5 m，工作壓力低于2×10-5Pa。試驗儀器包括程控電源（TDK）、高壓脈沖電源（TSP3090）、空心電感、示波器和上位機，如圖4所示。TDK電源主要為高壓脈沖電源的光纖輸出端提供20～25 V的偏置電壓，精度±0.1%。TSP3090脈沖專用電源由光纖輸入、光纖輸出、脈沖高壓輸出和接地等四模塊組成，配合空心電感（346 μH），為MVAT提供0～10 kV連續(xù)可調(diào)，脈寬300 ns～1.6 ms，頻率1～50 Hz的脈沖電壓。示波器為DSOX3024T，CH1通道接差分電壓探頭，探頭紅色端和黑色端分別接TSP3090高壓輸出正極和負(fù)極，用來監(jiān)測MVAT放電脈沖電壓；CH2通道接電流探頭，監(jiān)測VAT陰極回路的脈沖電流。示波器采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸?shù)缴衔粰C，上位機使用LabVIEW 2012軟件實現(xiàn)對放電波形及特征數(shù)據(jù)的采集和存儲。

圖4 Bi-Anode MVAT試驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of test system for Bi-Anode MVAT

3 試驗

3.1 引弧試驗

Bi-Anode MVAT繼承LVAT-1硬質(zhì)Ti膜無觸發(fā)引弧機制，內(nèi)、外陽極與陰極的初始電阻分別為2.6 Ω和22.6 Ω。由于初始電阻較小，引弧試驗通常在大氣下完成，大氣分子參與電離有助于VAT引弧。起弧后再將Bi-Anode MVAT移入真空系統(tǒng)進行性能試驗。三種放電模式中，內(nèi)陽極引弧相對容易，其次為雙陽極和外陽極引弧。

引弧脈沖參數(shù)為：注入脈沖能量0.1 J，放電頻率5 Hz，引弧3 000次，如果引弧成功，試驗結(jié)束，否則，須提高脈沖能量，設(shè)置同樣頻率和放電次數(shù)，直至引弧成功。引弧流程如圖5所示。選用3個Bi-Anode MVAT樣機進行引弧試驗，結(jié)果如表1所列。

圖5 Bi-Anode MVAT引弧流程國Fig.5 Process of igniting arc for Bi-Anode MVAT

表1 Bi-Anode MVAT引弧放電參數(shù)Tab.1 Igniting arc parameters for Bi-Anode MVAT

從表1可以看出，內(nèi)陽極引弧的能量閾值最低，為0.2 J，引弧時間為10 s，雙陽極和外陽極放電閾值能量為0.3 J，引弧時間為30 s。圖6為Bi-Anode MVAT內(nèi)陽極放電模式下初次引弧脈沖放電波形。從圖中可以看出，引弧電壓為540 V，脈沖峰值電流37.0 A，脈沖積分電量為1.25 mC，脈寬在120 μs左右。引弧成功后重新測量陽極和陰極間的電阻，內(nèi)陽極與陰極間電阻為2.0 kΩ，外陽極與陰極間電阻為26.9 Ω，說明內(nèi)陽極易于引弧，放電能量集中，能使膜層電阻迅速增大。

圖6 Bi-Anode MVAT引弧放電波形Fig.6 Waveform of igniting arc for Bi-Anode MVAT（inner anode discharge mode）

3.2 不同放電模式推力性能比較試驗

Bi-Anode MVAT的推力性能由元沖量Ibit[12]描述，其理論評估公式為：

式中：k為常數(shù)，表示電離單位庫倫電量的離子所產(chǎn)生的沖量，μN·s/C ，，其中C為與陰極t形狀相關(guān)的推力修正系數(shù)，mi為陰極材料的離子質(zhì)量，ui為離子速度，fi為離子電流與總放電電流比，eZ˙為離子平均電荷量。Bi-Anode MVAT的陽極和陰極共面，Ct值為 0.67[13]，mi、ui、fi和Z˙都是由 Ti陰極材料決定的基本特性參數(shù)[12]，結(jié)合LVAT-1在軌驗證結(jié)果[8]，本試驗取k=218.9 μN·s/C。Qd為單次放電脈沖的積分電量，單位為C，可通過示波器脈沖電流對時間的積分運算直接讀取。

改變高壓脈沖電源對Bi-Anode MVAT注入脈沖能量，可以評估不同放電模式下注入脈沖能量轉(zhuǎn)化為推力器輸出元沖量的轉(zhuǎn)化率。圖7為1 Hz放電頻率下Bi-Anode MVAT不同放電模式的脈沖能量-元沖量轉(zhuǎn)化率。從圖7可以看出：

圖7 1 Hz下注入脈沖能量-元沖量轉(zhuǎn)化率Fig.7 Conversion rate of injected pulse energy to impulse bit at 1 Hz

（1）三種放電模式下，推力器輸出的元沖量與外界注入脈沖能量均呈正相關(guān)。內(nèi)陽極放電模式產(chǎn)生的元沖量與注入的脈沖能量的線性度較好，平均轉(zhuǎn)化率為 0.9 μN·s/J；在0.5 J以下，外陽極放電模式產(chǎn)生的元沖量與注入脈沖能量具有較好的線性度，但隨著注入能量的增加，元沖量趨于飽和，平均轉(zhuǎn)化率為1.4 μN·s/J；雙陽極放電模式下的元沖量與注入能量始終有較好的線性關(guān)系，平均轉(zhuǎn)化率為1.7 μN·s/J。

（2）相同注入脈沖能量下，內(nèi)陽極放電模式輸出的元沖量最小，雙陽極放電模式輸出元沖量最大，外陽極放電模式輸出的元沖量要明顯大于內(nèi)陽極放電輸出的元沖量；0.5 J以下，雙陽極放電輸出的元沖量略大于外陽極放電模式輸出的元沖量；當(dāng)注入能量大于0.5 J時，雙陽極輸出的元沖量明顯大于外陽極輸出的元沖量。造成上述放電差異的主要原因是外陽極和內(nèi)陽極的結(jié)構(gòu)不同，外陽極的放電面積遠(yuǎn)大于內(nèi)陽極的放電面積。

（3）當(dāng)脈沖注入能量＞1.0 J時，推力器周圍有可見的熔融液滴噴出，這些液滴主要為內(nèi)絕緣體燒熔物，對推力無貢獻，圖7中外陽極的試驗曲線也說明了這一點；當(dāng)注入脈沖能量增大時，推力器輸出的元沖量有飽和的趨勢，說明注入的脈沖能量只有一部分用于陰極放電，其余能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使絕緣體陶瓷燒融變成液態(tài)噴出。

（4）注入能量在0.1～0.4 J時，陰極斑以單點的形式隨機出現(xiàn)，斑點很小，弧光微弱，如果觀測時間足夠長，斑點沿環(huán)形陰極表面呈順時針分布；當(dāng)注入能量為0.5 J時，斑仍為單點，弧光覆蓋25%陰極表面，強度沿順時針方向減弱；注入能量從0.6 J增大到0.9 J時，弧光覆蓋50%陰極表面，呈藍(lán)色；注入能量達(dá)到1.0 J時，多陰極斑連成片，弧光覆蓋70%的陰極表面，呈紫色。圖8為Bi-Anode MVAT在0.9 J時的放電波形，從圖中可以看出，引弧電壓為840 V，積分電量達(dá)到6.25 mC，對應(yīng)1.4 μN·s的元沖量。

圖8 Bi-Anode MVAT在0.9 J時的放電波形圖Fig.8 Discharge waveform of Bi-Anode MVAT at 0.9 J

3.3 失效模式驗證試驗

（1）短路和開路故障模式驗證

由于導(dǎo)電膜過度沉積引起的短路和燒蝕損耗造成的開路是VAT兩種基本的失效模式。對這兩種基本故障模式進行試驗驗證，得到相應(yīng)波形，如圖9和圖10所示。圖9是典型的陽極短路故障波形，這種情況下放電主要發(fā)生在陽極與殼體（地）之間，脈沖持續(xù)時間長，達(dá)到1.6 ms以上，雖然能夠抓到放電波形，但陰極表面無電弧。圖10是典型壽命末期的開路放電失效波形，主要特征是引弧電壓高，脈寬特別短，通常在50 μs以下，積分電量小于1 mC。

圖9 典型的陽極短路故障波形圖Fig.9 Typical anode short-circuit fault waveform

圖10 典型壽命末期的開路放電失效波形圖Fig.10 Open-circuit discharge failure mode waveform at the end of typical life

（2）熱失效故障模式

外界注入的脈沖能量只有一部分使陰極表面蒸發(fā)的材料電離，其余能量以熱的形式耗散掉。Bi-Anode MVAT的散熱路徑主要有：內(nèi)陽極-信號線、外陽極-信號線、陰極-彈簧-殼體和陰極-信號線。如果耗散熱量集中在陽極，會導(dǎo)致信號線與陽極之間的焊點熔化；如果耗散熱量集中在陰極，會導(dǎo)致陰極信號線焊接熔化或饋送彈簧失效；嚴(yán)重情況下，還會導(dǎo)致陰極、陽極、絕緣體材料過度燒蝕，縮短推力器壽命。

設(shè)計了放電頻率對熱失效故障模式的影響試驗。試驗采用雙陽極放電模式，外界注入脈沖能量0.5 J，放電頻率為 1 Hz、5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz，每個頻率放電10 min，試驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同放電頻率下的元沖量Fig.11 Impulse bit under different discharge frequency

從圖11可以看出，放電頻率從1 Hz增大到20 Hz過程中，元沖量從0.32 μN·s減小到0.20 μN·s，當(dāng)頻率達(dá)到25 Hz時，推力器輸出元沖量突然增大到0.59 μN·s，是20 Hz時的近3倍，主要原因是高頻放電下陰極表面處于超熱態(tài)，陰極斑增多，等離子體發(fā)射成倍增大，脈沖積分電量隨之增大。從試驗現(xiàn)象看，此時陰極表面發(fā)紅，陰極斑覆蓋整個陰極表面，羽流呈藍(lán)紫色連續(xù)噴射狀態(tài)，當(dāng)頻率增大到30 Hz時，推力器輸出元沖量降至0.50 μN·s。試驗還發(fā)現(xiàn)，陶瓷熔融顆粒隨放電頻率的增加而增加，說明高頻放電下熱效應(yīng)已非常明顯，內(nèi)陽極和內(nèi)絕緣層已出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)g。30 Hz放電持續(xù)20 min后，弧熄滅，內(nèi)、外陽極與陰極電阻分別大于20 MΩ和400 Ω，說明內(nèi)陽極已處于開路狀態(tài)。開艙檢查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)陽極尾部信號線已燒熔脫落，陰極尾部饋送彈簧性能良好，但陰極頭部與內(nèi)、外絕緣體已熔焊在一起，說明彈簧饋送對同軸型VAT是不適合的。

3.4 壽命考核試驗

完成Bi-Anode MVAT性能驗證試驗后，進行了連續(xù)放電壽命考核試驗。放電參數(shù)為：注入脈沖能量0.5 J，放電頻率10 Hz。LabVIEW 2012軟件每隔6 min自動采集存儲一次放電波形及其特征數(shù)據(jù)。壽命考核試驗持續(xù)145 h（放電520萬次）后，推力器因熱失效而終止試驗。圖12為Bi-Anode MVAT壽命試驗期間引弧電壓隨脈沖數(shù)的變化曲線，試驗初期引弧電壓為370 V，壽命末期引弧電壓為1 965 V。圖中1 000 V臺階以外陽極放電為主，1 500 V臺階為雙陽極放電，壽命末期的2 000 V臺階以內(nèi)陽極放電為主。

圖12 Bi-Anode MVAT壽命試驗中引弧電壓隨脈沖數(shù)的變化曲線Fig.12 Variation of igniting arc voltage with pulses during in Bi-Anode MVAT lifetime test

4 結(jié)論

Bi-Anode MVAT是一種改進型長壽命微推力器，能夠提供內(nèi)陽極放電、外陽極放電和雙陽極同時放電三種放電模式，可以滿足不同的推力需求。

（1）三種放電模式中，內(nèi)陽極引弧閾值脈沖能量最低，為0.2 J，引弧時間最短，約10 s，典型引弧電壓為540 V，脈沖峰值電流37.0 A，脈沖積分電量1.25 mC，脈寬為120 μs。

（2）三種放電模式中，雙陽極放電模式輸出的元沖量最大，注入能量對元沖量的平均轉(zhuǎn)化率為1.7 μN·s/J；其次為外陽極放電模式，平均轉(zhuǎn)化率為1.4 μNs/J；內(nèi)陽極放電模式的平均轉(zhuǎn)化率最小，為0.5 μN·s/J。

（3）熱失效是Bi-Anode MVAT的主要失效模式。脈沖能量0.5 J，放電頻率大于25 Hz時，連續(xù)放電20 min會導(dǎo)致陰極尾部導(dǎo)線焊點熔化脫落。高頻放電還會導(dǎo)致內(nèi)陽極和內(nèi)絕緣體陶瓷燒熔而噴射熔融物，輸出元沖量減小。最佳放電頻率為10 Hz。

（4）10 Hz頻率下連續(xù)放電壽命超過5.2×106次，提高放電壽命的關(guān)鍵在于提高VAT熱失效設(shè)計能力。