真空弧推力器構型設計發展現狀

李嘯天，張天平，吳先明

（蘭州空間技術物理研究所 真空與技術重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

2002年，美國加州州立理工大學提出了納衛星Cubesat（立方星）的概念并且制訂了相關標準，1U體積為10 cm×10 cm×10 cm，質量為1.33 kg，可以進行疊加組合。由于具有成本低廉，制造相對簡單，載荷搭載靈活等優勢，立方星得到了廣泛的應用。如歐盟提出了QB50立方星計劃，國內有哈爾濱工業大學、西北工業大學和南京理工大學加入到該計劃中。之后，又出現了皮衛星、手機衛星等微納衛星概念，各國航天機構、高校和公司也紛紛發射了自己的微納衛星，并且有些還提出了微納衛星星座計劃，少則由數十顆組成，多則幾千顆。由此可見微納衛星的發展十分迅猛。

對比于微納衛星的發展，微推進技術發展相對較為遲緩，現在入軌的很多微納衛星并沒有攜帶推進子系統，從長遠來看，衛星的性能必將因此而受到影響。因此，在最近幾年，各國紛紛開始發展微推進技術，由于真空弧推進技術具有天然優勢，正被各國所重視。美國Bricsat-P和日本HORYU-4已搭載VAT入軌，德國搭載了VAT的UWE-4也即將入軌。而最近3年，瑞典、法國、英國、澳大利亞以色列、南非等也加入到真空弧推進技術研究隊伍中。國內510所、502所、801所、北京理工大學、北京航空航天大學等也正在對其進行研究。

其中，構型設計是影響微真空弧推力器性能的重要因素，但是目前該技術還不太成熟，各國研究者們進行了很多探索性工作，也得到了不同的推力器性能。對前人的工作進行了總結，探討了各構型的優缺點，并分析了構型設計發展的趨勢，為后續真空弧推力器的構型設計提供借鑒。

目前真空弧推力器的構型主要可以分為平板構型、同軸構型、環型構型和新構型。

1 平板型真空弧推力器

2002年，德國的Schein[1]報道了一種平板構型的推力器，電極是平板結構，中間由平板絕緣層隔開，如圖1所示。其優點是推力器制造簡單，電極與絕緣環之間結合緊密，類似于平板型的PPT。但缺點是效率太低，性能較差，不能很好的滿足應用要求，因此后來并沒有得到更多的發展。

圖1 平板型真空弧推力器圖Fig.1 Flat geometry vacuum arc thruster

2 同軸型真空弧推力器

同軸型真空弧推力器的陰極、陽極、絕緣體共軸分布，但是尺寸不同，由內而外呈現圈狀分布。結構簡單，鍍膜容易，是目前發展最廣泛的一種構型。優點是由于陰極和絕緣環的交界面是暴露在推力器的右端，當真空弧等離子產生后，由于端面的反作用力，其產生的等離子羽流與推力器的軸線方向幾乎一致，不需要外加磁場就具有較好的束流準直性。缺點是磁場對其效率增強作用相對來說較小，從效率的角度來說，略顯不足。另外存在陰極補給較為困難的問題，限制了推力器的壽命。

2.1 美國AASC公司早期同軸VAT

2001年，美國AASC公司[2]在NASA的資助下，聯合勞倫-伯克利實驗室研發了同軸真空弧推力器，如圖2所示。這是近年來最早報導的同軸型推力器，成為了后續各同類推力器發展的基礎。其質量（加PPU）為200 g，實心圓柱陰極在最里面，最外面是管狀陽極，中間由管狀絕緣體隔開。經測量，其元沖量為1 μNs，推功率比為2.2 μN/W，比沖為1 100～3 000 s，效率最大能達到12%。

圖2AASC公司早期同軸型真空弧推力器圖Fig.2 AASC early coaxial VAT

2.2 日本茨城大學研發的同軸VAT

2006年日本茨城大學和日立公司的研究人員提出一種基于電容儲能脈沖驅動的同軸真空弧推力器[3]，如圖3所示。其中陰極和陽極都是使用的銅材料，陰極直徑為1.6 mm，陽極直徑為7.0 mm，SiO2絕緣管厚度為0.7 mm，將兩電極隔離，電壓為8 kV，峰值電流為120 A。測得離子的能量為300 eV，一個脈沖產生的離子的總數量約為6.8×108個。

圖3 日本茨城大學同軸型VAT圖Fig.3 Japan Ibaraki University coaxial VAT

2.3 德國JMUW聯合研發的同軸型VAT

2013年，德國的JMUW和UniBWM聯合瑞典的LTU為UWE-4納衛星研制了同軸真空弧推力器[4]，其大小為7 mm×7 mm×80 mm，4個推力器的質量為50 g，輸入電壓為3～5 V，1 Hz頻率工況下功耗為1 W左右，元沖量為1～30 μN·s，比沖為139～1 666 s，推功比為1～20 mN/W。具有錐形羽流，束流發散半徑小于20 mm。采用了輕量化設計，如圖4陽極直接使用衛星上的鋁邊框，這樣可以節省安裝空間，在衛星上共安裝了4個推力器。研究人員發現若使用實心圓柱陰極，在工作的過程中，陰極有很大部分幾乎都沒有燒蝕，大部分燒蝕發生在陰極的邊緣，造成了極大的浪費，于是將陰極改為管狀結構，該推力器使用彈簧作為推進劑補給機構。

圖4 德國UniBWM研發的同軸型VAT圖Fig.4 coaxial VAT developed by UniBWM in German

2.4 南非威特沃特斯蘭德大學研發的同軸VAT

2013年，南非的威特沃特斯蘭德大學為Tshepi?so Sat研發了一種同軸推力器[5]，陰極直徑為6 mm，沒有陰極補給機構。陽極的外徑為25 mm，內徑為10 mm，陰極端面較陽極端面縮進去0.5 mm，如圖5所示。絕緣環的外徑為10 mm，內徑為6.35 mm，長度為25 mm，且絕緣環的端面比陰極的端面要低0～0.25 mm。該實驗小組認為陰極的端面如果低于陽極的端面會使得陰極燒蝕的可靠性增加，而絕緣環的端面低于陰極的端面也會進一步增強可靠性。

圖5 南非威特沃特斯蘭德大學研發的同軸型VAT圖Fig.5 Coaxial VAT developed by Witwatersrand University in SouthAfrica

2.5 日本九州工業大學研發的同軸型VAT

2013年，日本九州工業大學為HORYU-4納衛星研發了300 V電壓直接驅動的同軸真空弧推力器[6]，其中加入了彈簧作為推進劑的補給機構，這種推力器具有緊湊的結構和極輕的質量采用的CFRP作為推進劑。其大小為Φ6 mm×Φ14 mm，質量2 g。該推力器結構的特點是陰極具有三結點結構，在點火初期可以產生直接由300 V電壓擊穿，不需要額外的觸發裝置，可以直接為真空弧的形成提供蒸氣環境。使用6.6 μF的電容和300 V的點火電壓，測得沖量為1.5 μNs，比沖約為1 000 s。另外在套筒的設計上采用了分離式設計，分成兩個部分，可以拆開從兩側裝入安裝架上。外側是陽極，將絕緣環通過螺紋旋合于陽極管內，內部的陰極是CFRP，如圖6所示。

圖6 日本九州工業大學研發的同軸型VAT圖Fig.6 Coaxial VAT developed by Kyushu Institute of Technology，Japan

2.6 英國薩里大學設計的同軸型VAT

2015年，英國薩里大學[7]設計了一種同軸真空弧推力器，陰極的長度為35 mm，外徑為19 mm，其中陰極使用了兩種形狀。第一種陰極是圓柱型并且使用錐形結構的末端，長度為10～19 mm；第二種陰極是空心圓柱型，長度為15 mm。管狀陽極的材料是銅，陽極和陽極座之間采用螺紋連接。另外在陽極的斷面也留有3個螺紋孔，便于永磁體的安裝。陰極如圖7所示，使用一個緊定螺絲來固定陰極，使其便于拆卸。當點火頻率在54 Hz時，此推力器的功耗為4.2 W，測量得到的比沖為1 000 s。在試驗中發現，對于鋅材料，若采用錐形的陰極結構，并且陰極和陽極端面平齊的時候，可以使推力達到3.3 mN，較圓柱型陰極增大了6.3倍。

圖7 英國薩里大學設計的同軸型VAT圖Fig.7 coaxial VAT designed by the University of Surrey，UK

2.7 澳大利亞悉尼大學研發的同軸VAT

2015年，澳大利亞悉尼大學的研究人員研發了一種中心燒蝕的同軸陰極真空弧推力器[8]，結構如圖8所示。實心圓柱陰極中間孔處的激發裝置來激發真空弧，使其從陰極的軸心處開始往外燒蝕，產生真空弧。該機構研究人員認為這樣不會使陰極材料升華，而是利用激發棒產生的蒸氣來為真空弧的引燃提供擊穿環境，減少對比沖無貢獻的中性微粒或者液滴，從而使陰極產生等離子體的離子電流比更高，產生的比沖也越高。通過測試表明，該推力器的比沖為2 500～4 600 s。

圖8 澳大利亞悉尼大學研發的同軸陰極真空弧推力器圖Fig.8 Coaxial cathode vacuum arc thruster developed at the University of SydneyAustralia

2.8 以色列海法空間等離子體實驗室研發的同軸VAT

2017年，以色列的海法空間等離子體實驗室研發了一種直列螺旋補給的同軸VAT[9]，如圖9所示，該VAT的管狀陰極位于同軸的絕緣環套內，陽極環套在絕緣環的外部，形成了無激發機制所需要的交界面，為了保持VAT在長時間的操作過程中保持外形不便，使用了一個可控的機構使得陰極向陽極方向螺旋運動以填補燒蝕的部分，這也使得陰極可以旋轉，從而使其更均勻燒蝕。使用補給機構使得陰極的端面始終和陽極的端面平齊，使得氣動加速機制能夠最大化的作用以產生推力，減少外部增強結構。其直徑為15 mm×15 mm×66 mm，總質量約為60 g。推力器產生的推力為7.0 μN，比沖為400 s，效率為0.5%，其壽命達到了106次。

圖9 以色列的海法空間等離子體實驗室研發的同軸VAT圖Fig.9 Coaxial VAT developed by Israel's Haifa Space Plasma Laboratory

3 環型真空弧推力器

2009年GWU的Zhuang等[10]報導了一種環型結構的真空弧推力器，結構如圖10所示。陽極、陰極、絕緣環的內外徑相同，三者同軸排列，左端是彈簧起補給作用，整個電極由一個絕緣的套筒所包裹，左端由帶螺紋的絕緣塞封口。其中，電極的外徑為6.35 mm，內徑為4.85 mm，陽極長1 mm，陰極長60 mm，中間由一個1 mm長的絕緣環隔開。絕緣環內側鍍上一層1～10 kΩ的薄導電涂層和陰極的內側平齊，形成交界面，初始等離子體將在此交界面上產生。推力器外側添加了電磁線圈作為磁增強結構，左邊加一個不銹鋼環以吸收向左發散的磁力線，左端面與陰極和絕緣環的交界面平齊，其外徑為45 mm，內徑為9 mm，長約15 mm。

環型結構的好處主要有兩方面：（1）陰極補給十分方便，而且從陰極的內側往外側燒蝕，陰極可以得到完全燒蝕，并且由于陰極的壁厚不厚，不會因為所需擊穿電壓過高而失效；（2）陰極和絕緣環的交界面是沿著軸向方向幾乎是同一個平面，利于陰極燒蝕產生的微粒對燒蝕的薄導電涂層進行補給，可以增強推力器的壽命，實驗中壽命達到了108次，這比一般的VAT高出了近兩個量級。

缺點是產生的等離子方向是垂直于軸線方向，只有一部分等離子體的速度方向是沿著軸線向外發散的，從而造成了等離子體的損失過多。為了解決這個問題，Taisen隨后使用了同軸磁場來進行速度轉化和束流，意外地發現磁場對推力器的性能有了極大的提高。一方面將更多的等離子速度方向由法向轉化到軸向，減少等離子體的損失；另一方面，對于鈦陰極，洛倫茲力對管內離子加速一段距離后，在推進器的出口處離子速度提高了近兩倍，同時還提高了陰極的燒蝕率，提高了離子與總電流的比值，增加了推力器的效率和元沖量，最后得出的結論是可實現離子速度提高2倍、元沖量提高10倍、效率提高7%。在持續幾年的研究后，2012年Taisen報導了推力器的參數。其包絡體積為100 mm3，質量為60 g，比沖為3 000 s，元沖量為1 μN·s，推功比為10 μN/W。這相比于之前的同軸推力器性能有了較大地增強。

圖10 GWU大學設計的環型VAT圖Fig.10 GWU University designed ring geometry VAT

4 新構型真空弧推力器

4.1 雙陰極構型

2013年GWU的Keidar等[11]提出一種雙陰極模式微真空弧推力器。推力器包含兩種同軸分布的鎳陰極和鈦陰極，被陶瓷絕緣環隔開，如圖11所示，外部的電極是鈦，外徑為10.16 mm，內徑為8.33 mm，內部的電極是鎳，外徑為6.35 mm，內徑為5.08 mm。陶瓷絕緣環使兩個電極的間距為0.96 mm。所有的電極被鋁管外殼包裹，中心是鈦陽極，左端用帶螺紋的特氟龍絕緣塞封閉。陶瓷右端面鍍有導電涂層和陰極端面形成交界面，初始等離子體將在此交界面產生。

圖11 雙陰極構型VAT圖Fig.11 Bio-Cathode Configuration VAT

另外，管狀電磁線圈包裹在推力器的外面，外徑為38 mm，內徑為13.5 mm，以脈沖模式工作，為推力器提供磁場增強。實驗表明，鈦陰極的離子與總電流的比值為3.25%，在無磁場下，離子速度達到20 km/s，在磁場為0.2 T時，離子速度增加到30 km/s，可產生1 μN·s的元沖量。鎳陰極的離子與總電流的比值為3%，在無磁場下，離子速度達到10 km/s，在磁場為0.2 T時，離子速度增加到20 km/s，可產生2 μN·s的元沖量。研究人員認為此種設計可以滿足納衛星不同需求，對于不同的任務模式，可以選擇比沖較高的鈦陰極，也可以選擇元沖量較高的鎳陰極，同時保證了推力器的結構緊湊小巧。

4.2 熱陽極構型

2014年GWU的Teel[12]提出了一種平板構型的加熱陽極模式的陰極真空弧推力器。無激發機制產生的準中性等離子體是一種電離的氣體，在其擴散的方向上，隨時會碰撞到周圍的壁面從而冷凝回到固體狀態，在陰陽極上形成涂層效應，這樣對于推力器的性能會造成不利的影響，通過加熱陽極可以使冷凝的離子涂層重新蒸發并且對陽極表面形成反作用力，進一步增加推力，形成二次發射過程。該構型是層疊的平板構型，用一層層平板氮化硼將平板電極分隔。在陽極的后面，安裝加熱電阻絲，如圖12所示，工作方式分為兩種模式，一種是不加熱模式；另一種加熱模式。可以看出，在加熱模式下，不僅朝軸向向右方向的等離子體可以發射產生推力，沿著軸線方向向左沉降在陽極上的等離子體可以通過加熱的方式二次發射產生推力，這樣就增強了推力器效率和陰極的利用率。每一層氮化硼的厚度為4 mm，長寬分別為25 mm和30 mm。這種結構同時可以保證與周圍環境絕熱，將熱量集中在陽極上。陽極為鎢，具有高熔點不易蒸發，而陰極使用的銅熔點較低。實驗表明，在冷模式下，效率為0.08%，在加熱模式下，效率提高到了0.6%。

圖12 加熱陽極模式的平板型VAT圖Fig.12 Heating the anode mode VAT

4.3 雙電極燒蝕構型

2016年，GWU的Lukas等[13]提出了一種新型的雙電極燒蝕模式的VAT，如圖13所示。VAT由陰極、陽極、外殼和補給機構組成，其中磁增強結構可以是永磁鐵或者電磁線圈，絕緣陶瓷是鍍有導電涂層的，這種結構，既可以燒蝕陽極，又可以燒蝕陰極。研究人員認為在等離子體加速區域，離子與中性粒子碰撞，傳遞給中性離子能量，產生中性粒子流，同時電子和離子碰撞，發生動量交換，產生離子流，而這兩種質量流都能產生推力。另外，雖然燒蝕陽極產生的大部分是中性粒子，從陰極產生的電子或者原子能夠與這些中性粒子碰撞，增強了電離的可能性，因此會產生更加濃密的等離子體，從而增強氣動壓力，加速羽流，產生更高的比沖，并且提高推力器的效率。除此之外，根據公式T=m?ve，m?是粒子質量流率，ve是粒子速度。分析可以知，相比于只燒蝕陰極的情況下，同時燒蝕兩電極可以增強粒子的質量流率，從而提高推力。根據計算，研究人員估計這種推力器可以將推功比提高2～3倍。其他方面的性能增強還等待實驗驗證。

圖13 雙陰極燒蝕VAT圖Fig.13 Double electrode ablation mode VAT

5 總結

微真空弧推進技術是應用于納衛星的一種極佳的電推進技術，在最近幾年里得到了密集的發展。引燃真空弧的方式有很多，目前得到廣泛應用的是無電極激發機制，在這種機制下，推力器的構型設計也比較靈活。主要集中在電極的分布，陰極的端面形狀，陰極端面和陽極端面，絕緣體端面的三者位置關系，陰極的補給方式等方面，以均勻燒蝕，提高陰極利用率和推力器壽命，增強離子電流密度，提高比沖推力和效率等。同軸結構有利于增大推力，環型結構有利于延長壽命，旋轉補給有利于陰極均勻燒蝕，新構型可以提高陰極利用率。另外，不同構型推力器的長處不同，性能也各不相同，針對不同的空間推進任務，應該設計相應構型的微真空弧推力器。

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