同軸型微陰極電弧推力器的設計及性能測試

梁 軻，韓 鈺，王平陽，田雷超

（1. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；2. 哈爾濱電力職業技術學院 動力系， 哈爾濱 150030；3. 上海空間推進研究所，上海 201112）

0 引言

近年來，微納衛星的發展十分迅速，其主要特點是重量輕、體積小、成本低、研發周期短、可編組運行[1]。在遙感、導航、通信、海洋探測等領域都有極大的應用前景，已經成為衛星技術的發展方向之一。

微陰極電弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具備小型化、低功耗、低成本、高效率等特點，是微納衛星動力裝置的理想選擇。美國喬治·華盛頓大學的Keidar和Zhuang團隊在μCAT研究方面具有代表性，他們對μCAT的原理和結構進行了分析，設計了微推力測試臺，分別對不同磁場下的離子速度、陰極斑點的旋轉、推力器羽流分布情況等推力器性能參數進行了研究[2-4]。Zhuang提出通過改變外加磁場的位置，使其軸心與推力器軸心不重合，從而改變推力器的推力方向以達到矢量推進的目的[5]。Fuchikami對μCAT的元沖量進行了測量，計算了推力器效率[6]。

國內對μCAT的研究起步較晚，北京控制工程研究所、蘭州空間技術物理研究所等機構對該型推力器開展了相關研究[7-8]，完成了原理樣機的驗證工作，進行了初步的點火實驗，但是對該型推力器，尤其是同軸型μCAT的元沖量、比沖等推力器性能參數的實驗研究較少，尚未見有文獻報道。

本文針對陰極和陽極結構、磁場構型及脈沖電壓提供電路等部分進行設計，研制了一種同軸型μCAT，并在真空艙內進行了多次點火和長時間運行，對推力器的放電特性、陰極燒蝕量、離子電流和元沖量等關鍵參數進行測量分析，計算得到了推力器的比沖、推力、電離率等基本性能參數。

1 同軸型μCAT設計

設計目標是推力器能夠在真空環境下多次重復穩定點火，尺寸及質量指標符合微納衛星對于推力器小型化的要求，元沖量和推力分別能達到μN·s和μN量級，通過外加磁場可以增大推力器的推力。

本文所設計的同軸型μCAT系統由3部分組成（參見圖1）：

1）推力器本體：包括陽極、陰極、絕緣體、工質進給機構和外殼固定裝置；

2）電源處理單元（Power Process Unit, PPU）：包括直流電源、方波發生器、電感裝置和場效應管等；

3）外加磁場：包括電磁線圈和磁芯。

圖2 所示為本文所研制的同軸型μCAT的實物照片，其總重約為78 g，其中本體質量約為8.4 g。

圖2 本文研制的μCAT實物Fig. 2 Sketch of the developed μCAT

1.1 推力器本體的設計

推力器本體的核心部件為陽極、陰極及絕緣體。

本推力器的陽極材料選用黃銅。黃銅導電性能好，熔點與硬度都比較高。陽極的直徑為1.8 mm，較小的直徑可以使推力器的整體尺寸更小。

陰極材料選用鈦。放電陰極材料的選擇直接影響其放電特性，材料熔點過高，不易燒蝕；熔點過低，會在燒蝕時產生較大的金屬液滴，降低工質的電離率。陰極為環形結構，外徑6.3 mm、內徑4.8 mm、長度8 mm，套在絕緣體外，并與絕緣體緊密配合。陰極的長度決定著推力器的壽命，但是其長度不能超過絕緣體的長度，以防止推力器尾部放電。

陰陽極之間的絕緣體材料采用絕緣性好、不易被擊穿的陶瓷。陰陽極之間的放電不是擊穿絕緣體放電，而屬于沿絕緣體表面的閃絡放電[9]，在絕緣體頭部涂一層導電薄膜可有效降低閃絡電壓。絕緣體為環形，厚1.5 mm，套在陽極外，并與陽極緊密配合。絕緣體的厚度要適中，過厚會導致放電電壓增大，過薄則易被擊穿。

在推力器中，彈簧也是重要的部件，作為簡單而可靠的進給機構，當放電陰極頭部材料被燒蝕殆盡時，彈簧會推動陰極向前移動，以保證陰極的持續燒蝕；同時，彈簧連接電源處理單元，將負電位施加在金屬陰極上。

1.2 電源處理單元的設計

PPU采用電感儲能的方式為推力器提供脈沖式電壓，其核心元器件包括金屬?氧化物?半導體場效應管（MOSFET）、方波矩形信號發生器和電感，參見圖3。

圖3 PPU電路簡圖Fig. 3 Circuit diagram of the PPU

方波發生器通過控制場效應管的通斷來控制推力器的工作脈沖頻率。當場效應管導通時，直流電源為電感充電；當場效應管斷路時，由楞次定律知，電感產生一個峰電壓L(dI/dt)加載到推力器陰陽極兩端，導致陰陽極間絕緣體表面的導電介質層被燒蝕，從而產生微等離子體，進而觸發陰陽極之間電弧放電。

圖4所示為本文所研制推力器的PPU實物照片。

圖4 本文研制的推力器PPU實物Fig. 4 Sketch of the PPU of the developed thruster

1.3 外加磁場的磁路設計

外加磁場的作用是為陰極表面提供橫向磁場，使陰極斑點在陰極表面做“反向運動”，配合進給彈簧使陰極表面得到均勻燒蝕，以延長推力器壽命[10]；遠離推力器的區域是磁場發散區域，帶電粒子的運動軌跡為一條發散螺旋線，帶電粒子的軸向速度隨磁感應強度的減小而增大[11]。如圖5所示，喇叭形磁場約束使等離子體軸向速度增大，徑向速度減小，從而增大軸向推力與比沖，并減小推力器的羽流發散角，減少等離子體羽流回流對推力器造成的污染[12]。置于電磁線圈陰極一側的磁芯用于約束磁感應線方向，使其在陰極斑點附近產生橫向磁場。

圖5 喇叭狀磁場Fig. 5 Schematic diagram of trumpet magnetic field

外加電磁線圈采用線徑為0.47 mm的聚酯漆包圓銅線繞制，線圈匝數為240匝；磁芯厚度為2 mm，材料為純鐵。

為確定磁場的具體分布情況，使用FEMM軟件對外加磁場進行仿真與分析[13]。圖6所示為電磁線圈通電電流為1 A時，有無磁芯條件下的磁場分布情況。結果顯示，當加入磁芯后，磁感應線發生了顯著的變化，圖6(b)紅框處（即陰極斑點所在處）的橫向磁感應強度分量明顯增大，有利于陰極斑點的“反向運動”。

圖6 通電電流為1 A下的磁場分布Fig. 6 Magnetic field distribution with 1 A current

2 μCAT性能測試與結果分析

2.1 點火與放電特性

圖7為本文所研制推力器在真空艙（壓力5×10-3Pa）內的點火羽流圖像，在未加磁場時羽流的發散角較大，在外加0.044 T的磁場后羽流明顯向軸線方向聚集，磁場對等離子體的約束作用十分明顯。

圖7 自研推力器的羽流Fig. 7 Plume of the developed μCAT

圖8為本文所研制推力器的放電特性曲線，0 s之前，PPU電路處于通路狀態，放電電流曲線為PPU電路的電流曲線。由于電路中電感的存在，電流緩慢上升，為電感儲能，電壓值為0；當電路斷開時，PPU給推力器陰陽極之間施加高電壓，觸發電弧放電，電感中的能量以電弧方式釋放，隨著電感儲存能量的減少，放電電流逐漸降低到0，至此1個放電脈沖結束。

圖8 本文所研制推力器的放電特性曲線Fig. 8 Discharge characteristics of the developed μCAT

根據放電特性曲線可知，推力器的點火電壓為620 V，放電電壓穩定為46 V左右，放電結束瞬間電感產生反電動勢，形成第2個較低的高電壓峰；放電電流達到23 A，然后逐漸降低到0，放電持續時間約為 520 μs。

2.2 陰極損耗量的測量

為得到單次脈沖的陰極質量損耗量，采用梅特勒稱重天平對推力器陰極點火工作前/后的質量進行稱量，得到陰極質量損耗量，并記錄每次工作區間的重復點火次數。為減少誤差，在每種工況下對推力器進行3次點火實驗，每次脈沖次數在20 000次以上。通過測量和計算，在本文實驗條件下（磁場強度低于0.044 T），單次脈沖陰極質量損耗量平均為 0.253 μg。

2.3 總離子電流與電離率

圖9為總離子電流測量原理示意，采用半球型收集板收集總離子電流，以保證盡可能多地收集離子，減少由離子反射等因素造成的損失。收集板一端正對推力器噴口，另一端接推力器陰極。在收集板探針上施加-50 V的負偏壓足以排斥電子，收集離子飽和電流。改變外加磁場的強弱，記錄不同磁場情況下的離子電流。

圖9 總離子電流測量原理Fig. 9 Schematic diagram of total ion current measurement setup

推力器的電離率是指陰極損耗的質量中被電離的比例，其計算式為

式中：mi為單個離子的質量；Iion為離子電流；e為電子電荷；Z為鈦離子平均電荷態；為放電時陰極質量的平均單位時間損耗率。

離子電流測量及電離率計算結果見表1，未加磁場時電離率為4.67%，外加磁場后電離率有所上升，在磁感應強度為0.044 T時，電離率為6.89%。作者認為，電離率的提升主要是因為磁場對于等離子體的橫向約束作用減少了離子在陰極斑點處到推力器噴口之間的推力器通道壁面上的損失，這也與觀測到的羽流隨著磁場的施加而更加匯集的現象相符。盡管采用半球型收集板，但由于等離子羽流反流污染的存在[14]，導致總離子電流測量值比實際值略有降低。

表1 不同磁場下的總離子電流與電離率Table 1 Total ion current and ionization rate in different magnetic fields

2.4 元沖量與比沖

如圖10所示，采用打靶法測量推力器的元沖量[6]。將一薄圓片置于推力器的噴口處，當推力器點火時，圓片受力會向左移動。通過高速相機記錄下圓片的位移過程，測量擺長L和圓片的水平最大位移X。

圖10 元沖量測量示意圖Fig. 10 Schematic of impulse bit measurement

該方法基于能量守恒和動量守恒定律：

式中：mw為圓片的質量；vw為推力器給圓片的初始速度；F為推力器的平均推力；It為一個脈沖周期內的總沖，即元沖量；g0為重力加速度，取9.8 m/s2。

聯立式(2)和式(3)，可得：

為了減小測量誤差，薄圓片材料選用聚酰亞胺，質量應盡可能小，使其受到推力器的推力后擺動幅度更大，本文中實驗所用圓片質量為20 mg。圓片的直徑應大于推力器噴口直徑，以確保可覆蓋到推力器出口處的初始羽流。在初始狀態，圓片質心應與推力器出口位于同一軸線。在測量元沖量時，將脈沖頻率設定為5 Hz，降低推力器工作頻率可以在測量時免除2次脈沖之間對圓片的互相干擾。

推力器的元沖量隨磁場的變化如圖11所示：在未加磁場時，元沖量為0.485 μN·s；當外加磁場達到0.044 T時，元沖量增大了165%。可見外加磁場的施加能夠增大推力器的推力。

圖11 不同磁感應強度下的元沖量Fig. 11 Impulse bit with different magnetic field

根據測得的元沖量和單次脈沖陰極質量損耗量，可以得到推力器的比沖。未加磁場時，推力器的比沖為195.6 s；當外加磁場磁感應強度為0.044 T時，推力器的比沖達到了518.2 s。這主要是因為磁場對等離子體的約束作用使等離子體在洛倫茲力的作用下軸向速度增大，在推力器壁面上的損耗減少，羽流向軸側匯集。推力器的平均推力F與外加磁場強度和工作頻率f有關，F=Itf，其大小在10 μN量級。

3 結論

本文設計了自點火同軸微陰極電弧推力器的陰極和陽極結構、磁場構型及電感儲能電路等關鍵部件，實現了該推力器在真空艙內的多次重復點火和長時間穩定運行，對推力器的多種主要參數進行實驗測量，得到如下主要結論：

1）本文研制的CA-μCAT性能穩定，本體質量僅為約8.4 g，符合微納衛星的質量要求；無磁場情況下的電離率為4.67%，外加磁場強度為0.044 T時電離率提高到6.89%。

2）采用打靶法測量該推力器的元沖量，無外加磁場下，元沖量為0.485 μN·s；隨著外加磁場的增大，推力器的元沖量和比沖也隨之增大。在外加磁場磁感應強度為0.044 T時，元沖量為1.285 μN·s，比沖為518.2 s，基本滿足預先的設計要求。

3）在本文實驗參數范圍內，推力器性能隨外加磁場磁感應強度的增大而提高，表明推力器的性能還有很大的優化空間；但磁場增強會使得熱效應加重，因此，高效的熱設計是后續提高推力器性能的主要研究方向之一。