一種新型Z-Pinch PPT的設計和試驗

，，，

1. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240 2. 上海空間推進研究所，上海 201112

20世紀80年代以來，國際上微小衛星的發展十分迅猛。但其阻力補償和位置保持、軌道提升以及姿態控制等所需要的傳統推進系統占整星質量的15%～35%，對于深空探測衛星甚至高達60%。因此，需要研制輕質量、高比沖、小體積、低成本及推力易控制的新型推力器。由于脈沖等離子體推力器(PPT)是具備上述特點的電推力器之一，因此，在微小衛星研究領域受到越來越多的關注[1]。

對PPT的研究，目前基本集中在固體推進劑結合平行板電極類型。傳統平行板電極PPT工作時，首先將儲能電容器充電至所需電壓，然后半導體火花塞點火，電容器沿著推進劑聚四氟乙烯表面放電，電流形成于工質表面，熱流將聚四氟乙烯表面的分子解聚、分裂、電離，隨后在廣義洛侖茲力和氣動壓力的共同作用下，等離子體被加速，膨脹噴出產生推力。火花塞是推力器正常工作的關鍵[2]。文獻[3-4]研制了一種平行板電極尾部采用彈簧饋送型PPT，通過測量獲得了放電電流和電壓波形等工作參數，計算得到了比沖、元沖量等性能參數。文獻[5]運用磁流體動力學的方法，建立了PPT工作過程模型，對推力器的燒蝕傳熱過程進行了分析。文獻[6]對固體燒蝕型PPT的工作特性展開研究，測得其推力器推功比為9.5～10.5μN/W。文獻[7-8]則對PPT開展了時空分辨光譜診斷研究。文獻[9-10]測量了微PPT的等離子體電子密度，并對放電過程進行研究。國外，文獻[11]研究設計了一種小型化電極PPT，并測量其相關性能參數。文獻[12]對PPT放電初始階段帶電粒子的移動進行數值模擬。以上文獻對PPT的研究表明，雖然傳統PPT具有比沖高、體積小、成本低等優點，但是存在彈簧等活動部件和火花塞，且推功比比較低。

文獻[13]研究設計了一種同軸型PPT，該推力器的工作原理是在真空中，對工質聚四氟乙烯高壓放電，使工質電離為等離子體。在電磁場的作用下，等離子體加速排出，形成推力。雖然該推力器不需要火花塞，但其需要2 000 V的高壓。文獻[14]提出了一種氣體短脈沖等離子體推力器，該推力器工質為氬氣，當陰陽兩極之間的電壓超過擊穿電壓，兩極之間形成電流，氬氣被加熱，進而電離，產生等離子體。雖然該推力器也不需要火花塞，但是，其點火電壓高達20 000 V。同時，其工質為氣體，需要貯箱來儲存，額外增加了推力器系統的體積。因此，在保持固體推進劑優勢的同時，去掉火花塞并降低點火電壓是目前PPT領域的研究方向。

1965年，文獻[15]發現Z-Pinch可以被改造產生軸向流動等離子體。文獻[16]將Z-Pinch原理應用于PPT，形成推功比比較高且無需彈簧的Z-Pinch PPT，但由于火花塞的存在導致尺寸減小受到限制且存在安全隱患。Z-Pinch的應用越來越廣泛，但是國內對Z-Pinch的研究和應用主要集中在核聚變、X射線激光器、X射線和中子源以及脈沖強磁場等方面。文獻[17]研究設計了一種用于Z-Pinch實驗的多幅激光差分干涉診斷系統。文獻[18]在聚龍一號上，首次完成了Z-Pinch X射線背光照相實驗。文獻[19]設計了基于LTD技術的Z-Pinch驅動器。文獻[20]分析了Z-Pinch驅動聚變-裂變混合堆氚燃料循環系統。但是，將Z-Pinch原理應用在PPT上，國內還沒有進行相關研究。

本文將Z-Pinch原理應用到PPT上。同時，通過對聚四氟乙烯表面進行改性，實現點火和放電一體化，降低點火電壓，提出一種無火花塞的自點火Z-Pinch PPT(Z-Pinch SI-PPT)。對該推力器進行真空艙點火試驗和性能參數測量，包括比沖、平均推力、推功比等，并與傳統Z-Pinch PPT以及其他類型的PPT性能參數進行比較。

1 Z-Pinch SI-PPT工作原理和結構設計

1.1 工作原理

圖1 Z-Pinch SI-PPT結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of the Z-Pinch SI-PPT

Z-Pinch最早出現在核聚變研究領域里，用來提供高溫稠密的等離子體。如圖1所示，在Z-Pinch中，用中間帶孔的陰極來替換傳統陰極，徑向箍縮時，等離子體從小孔軸向噴出。當Z-Pinch SI-PPT陰陽兩極充電至給定電壓，聚四氟乙烯表面會產生電流片，燒蝕聚四氟乙烯。因為推進劑容器是圓筒形，所以電流片也是圓筒形。在推進腔的最大半徑處形成電流片，原因是該位置處回路阻抗最小。隨著電流的不斷增大，在電流片的外側產生磁場。電流片向推進腔中心移動的過程中，因為陽極為釘狀，所以電流片并不是完全以圓筒形向中心移動，而是產生了傾斜。電流片和磁場相互作用，產生向內放射狀的電磁力。在電磁力的作用下，燒蝕聚四氟乙烯產生的電子和離子等帶電粒子，被徑向加速。該過程被稱為電磁加速(箍縮加速)。因為等離子體存在電阻，所以在放電過程中會生成大量熱量，推進腔內溫度不斷升高，聚四氟乙烯表面會形成等離子體區域。功率處理單元、陰陽兩極、推進劑表面以及等離子體之間會形成導電回路，進而放電。推進腔內粒子數量急劇增加，該區域的壓力也隨之迅速升高。推進腔內的壓力遠高于推力器外部區域，在內外壓力差的作用下，燒蝕聚四氟乙烯產生的各種粒子，從陰極中心小孔處加速噴出。各種粒子在加速之后從推進腔中噴射而出，內外壓差減小。該過程被稱為電熱加速。在電磁加速和電熱加速的共同作用下，等離子體獲得較大速度，從陰極中心小孔處噴射而出，產生推力。

1.2 結構設計

Z-Pinch SI-PPT主要由推力器本體和為其供電的電源處理單元(PPU)組成。

(1)推力器本體設計

該新型推力器(如圖2所示)包括推進劑、陰極、陽極和絕緣體等。由于無需火花塞，所以尺寸可以做到非常小。

圖2 Z-Pinch SI-PPT樣機Fig.2 Z-Pinch SI-PPT model

推進劑的主體仍然是聚四氟乙烯，為圓柱形。與傳統脈沖等離子體推力器相比，該推力器不需要推進劑供應裝置。為了去掉火花塞，在聚四氟乙烯表面鍍上一層弱導電材料，研制出點火和放電一體化的推進劑，大大降低了點火電壓，也使得結構非常緊湊，理論上可以做到目前加工工藝能實現的最小包絡尺寸。

該推力器兩個電極均由黃銅制成。陽極是釘狀，電流片向推進腔中心移動的過程中，并不是以圓筒形向中心移動，而是產生了傾斜。陰極的中心位置有一個小口，軸向流動的等離子體會從這個小口中噴射流出。

(2)功率處理單元設計

Z-Pinch SI-PPT實現點火，功率處理單元(PPU)需要輸出脈沖高壓，PPU采用電感儲能升壓原理。

功率處理單元主要包括方波信號發生器、MOSFET、電感和電池組等原件。PPU的工作原理為，當一個方波信號作用于MOSFET時，MOSFET開通。電感持續儲能。當信號變為低電平時，MOSFET關斷，此時，電感兩端產生電壓，電感中儲存的能量作用于推力器的陰陽兩極，推力器開始點火工作。設計的PPU樣機實物如圖3所示。輸入電壓為20 V，輸入電流為1.5 A。

圖3 功率處理單元Fig.3 Picture of PPU

2 點火試驗

2.1 推力器點火

將該推力器固定在支架上，放入極限真空為1×10-4Pa的小型真空艙內，調整支架的位置，以便通過艙壁上的觀察窗對推力器的試驗狀況進行監控。將真空艙抽真空至極限真空度，打開推力器電源系統進行點火試驗。

當給推力器的陰陽兩級加上電壓之后，推力器便開始工作。圖4中，可以看出推進劑燒蝕產生的羽流。

圖4 在真空艙中放電過程Fig.4 Discharge in vacuum chamber

為了考察推進劑燃燒后的狀態以分析推力器性能，利用低真空超高分辨場發射掃描電子顯微鏡對點火工作后的推進劑表面掃描，結果如圖5所示，F元素的質量百分比為69.07%，C元素的質量百分比為27.16%，兩者質量之比為2.54:1。此外，還檢測出Fe的質量百分比為0.65%，Cu的質量百分比為0.63%，Zn的質量百分比為0.56%，這說明電極表面出現了輕微的濺射材料并沉積到推進劑表面，對于放電室內的濺射和沉積現象以及對性能的影響還需要后續進行深入研究。

聚四氟乙烯分子式為(C2F4)n，F元素和C元素的質量之比為19:6。由此可見，C的百分比增加了，這是由于隨著推進劑被燒蝕，推進劑表面出現了輕微碳化現象。

圖5 推進劑中元素分布Fig.5 Distribution of elements in propellant

2.2 點火機理研究

Z-Pinch SI-PPT以傳統Z-Pinch PPT為基礎，采用點火和放電一體化的改性聚四氟乙烯為推進劑。推進劑的主體材料仍然是聚四氟乙烯，結構為圓筒形。通過在聚四氟乙烯表面鍍一層弱導電材料，對推進劑進行改性。在傳統Z-Pinch PPT工作過程中，火花塞的作用是提供帶電粒子，使電容器、陰極、推進腔和陽極形成一個回路。通過在Z-Pinch SI-PPT聚四氟乙烯表面鍍一層弱導電材料，實現了推進劑表面直接放電點火的目的。

當Z-Pinch SI-PPT陰陽兩極充電至給定電壓，由于陰極和陽極之間圓筒形推進劑表面的弱導電性使得兩端電壓升高，推進劑表面溫度隨之升高并產生少量的涂層和推進劑蒸汽，蒸汽在高電壓下放電完成自點火過程。由于電極的特殊形狀和結構，在推進劑表面迅速形成圓筒形電流片，燒蝕電離推進劑，徑向加速燒蝕產物。

當Z-Pinch SI-PPT點火工作時，推進腔內的粒子除了撞擊推進劑表面外，還會撞擊黃銅電極，黃銅電極發生濺射現象。濺射是指在真空狀態下，具有一定能量的粒子，主要包括離子、中性粒子等，撞擊固體表面。固體表面粒子之間相互碰撞，發生動量和能量的轉移。因此，固體表面的分子或原子，在獲得足夠大的能量后，從固體表面逃逸。在Z-Pinch SI-PPT工作過程中會連續不斷的有少量被濺射出來的金屬沉積在推進劑表面，給電流片的產生提供初始路徑，實現持續點火。

3 Z-Pinch SI-PPT性能分析

3.1 電流和電壓分析

圖6中給出了推力器工作過程中一個脈沖的放電特性，其中實線為電流曲線，虛線為電壓曲線。從圖6中可以看出，初始時電壓為20 V，點火電壓為480 V。可見，采用點火和放電一體化的改性聚四氟乙烯為推進劑，降低了點火放電的電壓峰值。充電過程持續時間為1 ms，此時電流增大，最大值為24 A，隨后電流緩慢下降。從圖中可以計算得出，該新型推力器的運行功率為4.8 W。

圖6 放電電流和放電電壓曲線Fig.6 Discharge current and voltage trace in Z-Pinch SI-PPT

3.2 單位時間推進劑消耗量

將推力器放在梅特勒模塊上，為了防止空氣中的水分等雜質影響推力器的測量質量，在每次測量前，將推力器放進干燥箱進行干燥處理。記錄下此時的質量，隨后將推力器放入真空艙中，點火一段時間，同時記錄點火時間。將推力器從真空艙中取出，置于梅特勒模塊上測量質量，計算點火前后的質量差。重復以上過程3次，計算質量差的平均值，減少試驗誤差。經過測量和計算，單位時間推進劑損耗量為41.43 μg/s.

3.3 推力器元沖量

如圖7所示，采用打靶法測量推力器元沖量[21]。用細繩懸掛一個薄片，將其放置在推力器出口處。當推力器工作時，薄片會運動一定的角度。通過薄片運動的角度和其他參數即可計算元沖量。

圖7 測量元沖量實驗裝置簡圖Fig.7 Diagram of impulse bit experiment device

圖8 薄片運動軌跡示意Fig.8 Diagram of slice movement trace

該方法基于動量定理和能量守恒定律，來測量元沖量：

It=Ft=mbvb

(1)

(2)

一個脈沖內的總沖It(即元沖量)為：

(3)

則平均推力F為：

(4)

比沖Isp為：

(5)

通過計算表明，比沖為211 s，平均推力為85.6 μN，推功比為17.83 μN/W。

為了考察Z-Pinch SI-PPT的性能，將其與同軸型PPT[13]、氣體PPT[14]、平行板固體PPT[6]和傳統Z-Pinch脈沖等離子體推力器[16]進行比較。表1分別給出了5種推力器包絡尺寸，是否需要火花塞，推進劑種類，點火電壓，比沖和推功比等情況。可見，雖然同軸型PPT和氣體PPT都不需要火花塞，但是它們都需要較高的點火電壓，而Z-Pinch SI-PPT的點火電壓僅為480 V，為同軸型PPT的24%，氣體PPT的2.4%。Z-Pinch SI-PPT包絡尺寸較小，僅為21 mm，因此可以應用于微小衛星的姿態控制。同時，可以在一個微小衛星上裝備多個Z-Pinch SI-PPT，而只需要采用一個DC-DC轉換電源，是一個典型的單電源多推力器的應用。

Z-Pinch SI-PPT的平均推力為85.6 μN，推功比為17.83 μN/W，比傳統PPT的推功比要大69.8%。Z-Pinch SI-PPT推功比較大的關鍵在于電熱加速過程。傳統PPT推進劑曝光區域只是一個平面，而Z-Pinch SI-PPT推進劑曝光面積是圓筒形。曝光面積的提高，表明燒蝕推進劑粒子的數目增多，進而導致燒蝕區域的壓力升高。因此，更有利于等離子體進行電熱加速。

目前Z-Pinch SI-PPT的比沖雖然偏小，但有多種方案可以約束羽流提高比沖，如在陰極小孔處增加一個噴嘴，可以提高等離子體速度；或者增加推進艙的高徑比，改變陰極小孔的大小，以及改變陽極釘狀物的高度。推力器提高比沖及性能優化的工作，將在未來陸續展開。

表1 五種推力器性能比較

4 結束語

將Z-Pinch原理應用于PPT，結合自點火技術成功地研制了無需火花塞的脈沖等離子體推力器原理樣機，試驗結果表明，本文研制的Z-Pinch SI-PPT點火順利可持續，并得到如下主要結論：

1) 真空艙內多次點火實現累計脈沖1萬多次的試驗并結合多種參數測量表明，該推力器初步達到了設計要求。平均推力85.6 μN，推功比17.83 μN/W，比沖211 s。

2) 該推力器無需彈簧進行推進劑給進，沒有任何活動部件，也無需火花塞輔助點火，大大降低了點火電壓、尺寸和質量，并保持了Z-Pinch PPT高推功比的性能。與同樣無需火花塞的同軸固體PPT相比，點火電壓降低了76%，比氣體PPT降低了97.6%(見表1)。

3) 掃描電鏡結果表明，推進劑表面出現輕微碳化現象，并且，在工作過程中會連續不斷沉積少量被濺射出來的金屬(見圖8)，實現了無需火花塞而保持持續脈沖和重復點火。

4) 推力器的比沖相對較低，后續需要采取多種方法優化推力器性能和提高比沖，如優化出口形狀和尺寸等。并且，從理論上講，由于Z-Pinch PPT的特殊結構以及依靠電流片產生的徑向洛倫茲力箍縮作用將等離子體“擠出”推力器的原理，該型推力器的推進劑利用效率會高于傳統固體PPT，但這還需要深入研究。