離子推力器非預期電擊穿的主要誘發因素及機制

張天平，張雪兒 ，蒲彥旭 ，冉文亮 ，趙志偉

（蘭州空間技術物理研究所 a.真空技術與物理重點實驗室；b.甘肅省空間電推進技術重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

離子推力器在具有比沖高、性能調節便利、適用范圍廣、技術成熟度好等顯著優勢的同時[1?2]，一直存在非預期電擊穿（打火）問題。各國對非預期電擊穿的稱謂不盡相同：美國為束流循環（beam recycle）[3?5]、英國為束流錯誤（beam trip）[6?7]、德國為束流中斷（beam out）[8?9]、日本為高壓擊穿（HVBD）[10?11]。國內外離子電推進技術發展、工程研制和航天器應用的實踐證明，無論是在地面模擬環境條件下還是在空間環境條件下，離子推力器工作過程中都會出現非預期打火[2?11]。通過控制及防護能夠將非預期打火的頻次和影響降低到航天器工程可接受的程度，并由此保證離子電推進系統完成預定航天任務的可靠性和壽命[3?4，6]。但離子推力器非預期打火問題難以完全消除，因其根源為推力器內在工作特性及多種因素的復雜耦合。

我國離子電推進經過40多年的發展，已經步入航天器工程應用并不斷擴展的關鍵時期[12]，正確理解離子推力器非預期打火問題、準確把握非預期打火機制及規律、針對性采取工程控制與防護措施具有非常重要的意義。本文將從打火問題基本概念、主要影響因素及機制、有待深化研究的機制問題等方面對離子推力器非預期打火進行比較完整的闡述，以期促進對該問題進行從深化機制到提出工程解決措施的系統研究，為我國離子電推進在航天工程中的成功應用提供保證。

1 非預期電擊穿基本問題

1.1 術語

為便于對離子推力器非預期電擊穿進行準確描述，首先定義幾個本文用到的術語。

（1）電擊穿：原本絕緣良好的電極之間出現電流且電壓快速降低的現象；

（2）電弧：電極之間擊穿電流在負電位電極表面形成的斑點弧光；

（3）打火：電擊穿或電弧從產生、發展到熄滅的完整過程；

（4）非預期電擊穿（打火）：離子推力器工作中不期望發生的電擊穿（打火）。

本文在表述現象時多用打火，在表述機制時多用電擊穿。

1.2 離子推力器非預期電擊穿（打火）現象

離子推力器和電源處理單元（PPU）各輸出電源之間的配套關系如圖1所示[13]。離子電推進正常工作時，其陽極、屏柵、放電陰極等電極處于屏柵電源的正高電位（一般為1 000 V以上），統稱為高電位電極；其外殼和中和器處于近似地（零）電位、加速柵處于加速電源的負電位（一般為?200 V以下），統稱為低電位電極。高電位電極與低電位電極之間存在1 000 V以上的電位差，而屏柵和加速柵電極典型間距為1 mm左右、陽極與外殼電極最小間距為3 mm、屏柵與外殼電極最小間距為4 mm，高電位差和小間距使得高、低電極間存在較強的電場。

圖1 離子推力器與PPU各輸出電源的連接關系圖Fig.1 Connection between ion thruster and PPU

在離子推力器工作可靠性和安全性設計中，已經為電極間電場強度保留了避免電擊穿發生的安足夠的全裕度，也就是說在正常工作條件下電極間是不會發生電擊穿的。但在相關因素誘導或耦合作用下，推力器電極之間確實發生了電擊穿（打火），并造成離子推力器正常工作狀態被干擾或中斷。

離子推力器的非預期打火一般按照發生打火的組對電極進行分類，主要包括屏柵與加速柵之間打火、屏柵與外殼（地）之間打火、陽極與外殼（地）之間打火、加速柵與外殼（地）之間打火等。如果是三柵極會有更多類別，如加速柵與減速柵之間打火。

1.3 非預期打火的后果

離子推力器非預期打火的影響及危害是多方面的，如果不進行有效控制，嚴重者會導致航天器任務失敗。

（1）對航天器任務而言，非預期打火將導致實際輸出推力（沖量）小于預期水平、預定的正常工作被臨時中斷、連續穩定推力狀態被破壞等情況。針對電推進不同的具體任務，其影響嚴重程度差別較大。對GEO衛星位保任務，打火產生的單次位保影響可以通過短期工作策略微調得到完全補償，因此影響較小；對無拖曳控制任務，打火造成的空間和時間節點的數據損失無法得到有效補償，因此會影響有效數據鏈的連續性；對深空探測軌道巡航任務，在長期旅途中進行部分工作段的調整就可以消除影響。

（2）對離子電推進系統而言，非預期打火可導致系統工作中斷、PPU單機失效、系統柔性變差、工作可靠性和壽命降低等后果。其中系統工作中斷包括安全控制主動中斷和放電熄滅被動中斷。PPU失效的原因之一是推力器打火產生的短路大電流脈沖導致PPU電路中電壓、電流快速變化，電路上元器件承受更大的應力；對多臺推力器同時工作的系統，不同推力器的非預期打火會直接導致系統工作不兼容，反過來影響到推力器和PPU之間配置的柔性設計；非預期打火導致的系統工作頻繁中斷、電流∕電壓脈沖對PPU電路元器件的損傷、系統兼容性或柔性變差都直接關系到系統工作的可靠性和壽命。

（3）對離子推力器本身而言，除了可恢復的束流中斷外，非預期打火可導致中和器熄滅、放電室熄滅、電極表面損傷、柵極之間永久短路等情況發生。中和器和放電室熄滅是由于非預期打火破壞了維持穩定放電的條件，主要包括電壓條件、電流條件、等離子體密度條件等。例如陽極對地打火時，陽極電壓嚴重降低直接導致放電室正常放電熄滅；電極表面損傷源于打火過程中能量積累產生的材料局部蒸發，以及表面損傷與打火頻次之間的惡性循環。對間距很小的柵極，嚴重打火或持續電弧不僅產生損傷，而且很容易使得蒸發物局部沉積或柵極損傷產生的毛刺在柵極之間形成搭橋短路，這種短路如果無法消除會導致推力器永久失效。

1.4 真空電擊穿基礎理論

首先了解由電極材料特性和電極間電場強度決定的真空電擊穿現象及機制。圖2（a）為研究真空電擊穿的經典實驗系統[14]，在高真空環境下，表面光潔的球型和平板電極、脈沖電路（高壓電源、1 MΩ充電電阻和電容器C）組成充電回路，電容器C、限流電阻R、真空繼電器和球板電極組成放電回路。采用球板電極是為了消除擊穿區域的邊緣效應，使電極間距精確可調。實驗時，真空繼電器閉合后電容器充電，電極間電壓持續升高，直到發生電擊穿，擊穿電弧積累的能量決定于電容器電容的大小。圖2（b）為鉬材料電極的一次真空電擊穿電流波形測量曲線，繼電器關閉后充電0.1 ms發生真空擊穿，峰值電流達到30 A，其后電弧電流逐漸減小到3 A時熄滅，電弧維持了0.3 ms的周期。

圖2 脈沖電壓真空電擊穿典型實驗圖Fig.2 Vacuum breakdown experiment under pulsed voltage

高真空下電極之間沒有氣體碰撞電離，因此真空電擊穿的決定因素是場發射電子[15]，真空條件下場發射電流IFE與電場強度E之間滿足F?N方程，常用表達式為：

式中：Φ為電極材料的電子發射功函數；Ae為電子發射有效面積。真空電擊穿的主要機制為：在電極間的強電場作用下，負電極內的電子突破表面約束（功函數）形成電子發射（稱為場發射），該發射電子被電場加速后碰撞于正電極，當沉積在正電極上的場發射電子流通量達到閾值時就能夠蒸發正電極材料，蒸發材料原子與場發射電子碰撞電離導致電極間擊穿（電弧）。

1.5 誘發非預期打火的主要因素

離子推力器非預期打火本質上是廣義的電擊穿及其電弧現象。對鉬、鈦、碳、鋁等常用推力器電極材料，圖3給出了實測的不同電極材料的真空擊穿電場強度Eb，純粹的電極間高真空電擊穿場強至少須達到80 kV∕mm以上，擊穿場強還與晶體結構相關[14]。離子推力器實際工作條件下的電極間場強遠沒有這么高，可見非預期打火的發生往往耦合了其他影響因素，為此有必要先梳理出離子推力器工作時可能誘發非預期打火的主要因素。

圖3 不同電極材料真空電擊穿場強度圖Fig.3 Field intensity of vacuum breakdown for different materials

結合離子推力器具體工作過程及相關環境，在供電和供氣條件正常、推力器結構穩定的前提下，可能導致非預期打火發生的主要因素包括：

（1）電極表面金屬微凸結構。電極表面存在初始缺陷，工作過程中離子濺射、電弧損傷等也會形成表面微凸結構。

（2）低氣壓環境。由于非完全電離的推進劑氣體、環境氣體、材料自身出氣等氣源條件，在電極之間形成低氣壓環境。

（3）等離子體環境。離子推力器放電室和柵極存在工作等離子體，電極之間可能出現等離子體泄漏。

（4）電極間漂浮顆粒物。離子濺射沉積物的剝離及漂浮，周圍環境顆粒物的侵入。微顆粒物類型包括導體和絕緣體。

（5）電極間絕緣體（層）。電極間存在結構支撐絕緣器，污染、氧化等過程形成的電極表面絕緣層（島）。

（6）以上因素的組合，包括多因素共存誘發和相互耦合誘發。

2 電極表面金屬微凸誘發電擊穿的機制

2.1 電極表面粗糙化的場發射增強效應

真空電擊穿實驗表明，擊穿電壓與電極表面粗糙度狀態密切相關，表面粗糙化會導致擊穿電壓顯著降低。機制分析表明，導致粗糙化表面電擊穿電壓降低的主要原因是表面微凸或銳化微結構：在施加同樣電壓條件下，微結構尖端產生了局部電場增強效應，如圖4所示，更高的電場強度使得場發射增強、擊穿電壓降低。

圖4 電極表面微凸產生的場增強效應示意圖Fig.4 Field emission from a protrusion on the electrode

為了描述這類微凸或銳化結構對場發射電流的影響，在F?N方程式（1）中引入了場增強因子βFE，其定義為式（2）[16?17]，對應的場增強F?N方程為式（3）：

式中：lg為電極間距；VT為總加速電壓。場增強F?N方程已經被大量試驗證明是正確和有效的。利用試驗數據繪制式（3）關系曲線，通過斜率可以得到場增強因子，再通過截距得到有效發射面積。圖5所示為典型的場增強F?N曲線[17]，隨電場增強，場發射被激發（對應圖中從右到左的激活過渡區），在圖中直線區形成場增強電子發射，當電場增大到擊穿電場閾值時產生電弧（對應圖中左端）。

圖5 場增強測試數據F-N曲線Fig.5 F-N curve of field emission

2.2 金屬微凸結構誘發電擊穿機制

柵極表面微凸結構引發電擊穿的基本機制為：在外加電場中微凸結構的尖端電場大幅增強，強電場對應更大的發射電流，足夠大的發射電流產生焦耳熱使微凸結構局部蒸發，在微凸周圍形成局部低氣壓環境，發射電子和金屬蒸氣碰撞發生電離，電離過程產生的離子進一步加劇微凸結構局部熱蒸發效應，由此形成不可逆的焦耳加熱、電子發射增強、電阻增大和離子沉積、焦耳熱進一步增強、蒸發進一步加速的循環過程，最終導致電極間電擊穿。

一個簡化模型如圖6所示，加速柵表面微凸結構為半徑R1、高度H1的圓柱，場發射電流在頂端（電場最強）出現，發射電流產生的焦耳熱使微凸結構溫度升高，當溫度達到沸點后開始氣化，形成的微凸結構蒸氣與發射電子碰撞導致電擊穿（電弧），柵極之間電流顯著增大。由此可得到全部微凸結構爆破性熔化和蒸發產生電擊穿的發射電流及焦耳熱的條件為[18]：

式中：下標l表示屬于微凸結構；下標m表示熔化；下標e表示氣化；σ、ρ、c、k分別為電導率、密度、熱容和相變焓（潛熱）；ΔT為熔點和工作溫度增量；Δt為微凸加熱和蒸發時間。柵極表面微凸結構場增強效應導致非預期電擊穿所涉及的變量多達10多個，可見相關過程的復雜性。

圖6 加速極表面圓柱微凸的場增強發射效應示意圖Fig.6 Field emission from a cylinder protrusion on the accelerator grid

具體量化分析表明，要在幾納秒內實現微凸結構的爆破性蒸發，需要的發射電流密度要比空間電荷限制下的電流密度至少高出兩個量級，為此提出了單極電弧模型機制[19]。電極間有電荷和沒有電荷的電場分布存在差別，因為空間電荷自身產生的電場會減弱原有電場，這就是空間電荷效應。例如平行板電極之間有單荷正離子電流J時，電極間電勢V分布滿足式（5）[20]：

求解該方程得到對應的電場分布表達式為[20]：

式中：V0為電極間的電位差；D為電極間距；x為相對陰極板的距離。可見空間電荷效應顯著改變了原有平板電極之間的均勻電場，由此可得到熟知的離子推力器柵極系統引出束電流極限。正是空間電荷效應對場發射最大電流密度的這種限制作用，給真空擊穿中場發射電流瞬間蒸發微凸尖端這一理論增加了疑點[19]。

3 低氣壓環境誘發電擊穿的機制

3.1 氣體放電的帕邢定律

氣壓對電擊穿的影響源于早期低氣壓氣體放電研究：當電極間存在氣體時，擊穿電壓Ub取決于氣體壓力p和電極間距d的乘積，即滿足帕邢定律[21?22]：

式中：A、B為與氣體種類相關的常數；γ為電極材料二次電子發射系數。帕邢定律已經被大量試驗結果所驗證，式（7）表達的擊穿電壓與乘積pd的關系稱為帕邢曲線。

可通過如下推導過程了解帕邢定律的機制。擊穿電壓定義為實現自維持放電的電壓，氣體實現自維持放電的條件判據為：

式中：α為電離系數。進一步假設每個電子經過平均自由程后都會通過碰撞失去能量、每個電子碰撞都產生電離，并且電極間電場是均勻的，則通過式（8）可以推導出擊穿電壓表達式—式（7）[22]。由此可見，帕邢定律反映了電極間電子擴散和漂移損失與陰極產生發射電子的平衡關系，且電子和中性原子的碰撞電離概率、離子碰撞電極產生發射電子的概率均正比于電場、反比于氣體數密度，陰極材料決定了電子發射系數，因此對擊穿電壓影響較大。

3.2 低氣壓誘發電擊穿的機制

氣體放電機制研究將氣體擊穿分為一次擊穿過程和二次擊穿過程[23]。一次擊穿過程包括電離和復合碰撞，放電過程中氣體內總自由電子密度受控；二次擊穿過程是提供自維持（正反饋）的放電，即電離以擊穿達到過程頂點。如果氣體放電二次過程在氣體中激活，擊穿將以雪崩式（Streamer）機制發生，雪崩式擊穿機制以較高氣壓和較大間距為特征；如果二次過程在電極之間激活，擊穿則以湯森（Townsend）機制發生，湯森擊穿機制以較低氣壓和較小間距為特征。無論哪種機制導致擊穿發生，擊穿電壓都是pd乘積的函數（即帕邢定理）。

帕邢定理以具有最小值的非對稱U型曲線為特征，圖7所示為空氣的帕邢曲線，曲線最小值處對應的電離效率最大，最小值附近氣體擊穿為湯森機制，最小值右邊為雪崩式機制。pd更小處由于原子密度減小，部分陰極發射電子在發生碰撞電離前被陽極吸收；pd更大處由于原子密度增大，部分電離過程產生的離子在到達陰極前與中性原子發生碰撞而損失能量，陰極發射電子效率降低。

離子推力器中的低氣壓電擊穿絕大多數屬于湯森機制類型，即當pd處于中等值時，對應的間距d小于電子自由程，電極上的二次擊穿過程主導氣體中的二次擊穿過程，計算擊穿電壓的適用條件為湯森判據[23?24]：

式中：η為電子附著系數。低壓氣體來源包括氣體解吸、污染物揮發、材料出氣、未電離的推進劑氣體、外部氣體擴散進入或它們的組合。初始電子源包括電極熱發射、場發射、射線激發或電離等，發生擊穿的位置在帕邢曲線最小值及其左側附近。

圖7 空氣的U型帕邢曲線Fig.7 Paschen’s curve for air

當pd很小時，間距小于電子自由程，電極材料蒸發導致擊穿，對應真空擊穿機制，正如第2節所討論，真空條件下由于電極材料蒸發導致的電擊穿，只與過程中的低氣壓相關。當pd較大時，氣體中的二次擊穿過程主導電極上的擊穿，對應雪崩式擊穿機制，計算擊穿電壓的適用條件為雪崩判據[24?25]：

雪崩擊穿的擊穿電壓約為發射特征電壓V?4的2倍，V?4是發射電流為10?4A時對應的電壓。

4 等離子環境誘發電擊穿的機制

4.1 等離子鞘層誘發的電擊穿

鞘層結構是電極間存在的等離子體中對電場分布影響最大的因素。一方面，該鞘層承擔著電極間的大部分電壓降，能夠增強陰極電子場發射和熱發射能力；另一方面，該鞘層一旦與導體微凸結構、帶電絕緣體表面等發生耦合作用，會對電極表面附近的擊穿過程產生重要影響[26]。電極間為高電壓時，不滿足波姆條件的陰極鞘層厚度及陰極表面電場強度表達式為[27]：

式中：mi為離子質量；qi為離子電荷；vi0為離子進入鞘層的初速度；ni為數密度；V為電極間電壓。對典型離子電推進等離子體進行的計算表明，鞘層內電場強度可達到106V∕m。

4.2 等離子體泄漏誘發的電擊穿

離子推力器發生來自內部或外部的等離子體泄漏可直接導致打火。內部等離子體泄漏主要源于推力器熱循環導致的密封結構破壞；外部等離子體泄漏主要源于對環境等離子體的防護不當，中和器電子反流引發的柵極間電擊穿最為典型。

離子推力器發生中和器電子反流的條件為[13]：當加速柵負偏置電壓不夠高或加速柵孔徑隨交換電荷離子腐蝕變到足夠大時，由屏柵和加速柵形成的電勢分布在加速柵孔中心會呈現相對中和器為正的狀態，中和器發射的高能電子會直接通過加速柵孔進入柵極系統，稱為電子反流現象。阻止電子反流的加速柵電壓Va的最小絕對值與加速柵孔半徑Ra的關系式為：

式中：Vs為屏柵電壓；Da為加速柵厚度；Rs為屏柵孔半徑；Lg為柵間距。中和器電子反流一旦開始就是一個不可逆過程：電子進入柵極進一步升高加速柵孔中心的電位，使得更多電子反流進入。進入柵極后的大量電子加速到上千電子伏并被屏柵極吸收，該能量積累會迅速加熱屏柵局部位置，導致局部熱形變和材料蒸發，最終導致柵間電擊穿。

一個簡單估算模型為：假設從加速柵單孔徑截面反流的電子電流Ibs被屏柵等面積吸收，忽略屏柵熱傳導效應，經簡單推導可得到屏柵截面溫度升高ΔTs與反流時間Δtbs的關系：

以鉬材料為例，取屏柵電壓Vs為1 000 V，Ra為0.6 mm，Ds為2 mm，反流（電子）電流Ibs為0.02 A，ρs為10.2 g∕cm3，熱容cs為0.25 J∕gK，計算結果表明：1 s時間的電子反流可使屏柵局部溫度升高3 472 K，遠超出其沸點溫度，足以產生蒸氣和放電擊穿。

4.3 類真空弧等離子體源誘發的電擊穿

源于真空陰極電弧等機制，陰極表面產生了半徑為R的半球形初始等離子云，如圖8所示。在R<

圖8 陰極表面初始等離子體云示意圖Fig.8 The geometry of the primary plasma cloud

該初始等離子體誘發電極間電擊穿的條件為：等離子云發射的電流應達到由陰極材料決定的某閾值ith，且設想產生初始等離子體云的入射能量w0全部轉化為陰極材料蒸發和電離的能量，由此推導出激發初始等離子體云并誘發電擊穿的入射能量為[28]：

式中：wv為陰極原子升華能；wi為Z階平均電離能，均為材料對應的真空弧試驗數據。

5 其他因素誘發的電擊穿

5.1 金屬顆粒物誘發的電擊穿

假設金屬微顆粒物開始時接觸于負電極表面，如圖9所示，受電極間電場的影響，顆粒物表面帶電。球型顆粒物的帶電量為[29]：

在空間微重力條件下，該帶電顆粒受到電場力作用向陽極運動并碰撞于陽極，獲得的最大速度為[30]：

式中：ρp為微球顆粒的密度；Emax為微顆粒極化帶電時最大表面電場。例如0.1μm半徑、50 kV電壓下速度可達到500 m∕s以上。

圖9 電極間金屬顆粒物帶電及運動示意圖Fig.9 A charged particle between electrodes

當碰撞能量高于一定閾值時，在碰撞電極表面產生由濺射物低氣壓環境導致（誘發）的電擊穿，文獻[31]討論了電極板上微凸結構對金屬顆粒物碰撞速度及濺射結果的顯著影響。絕緣體顆粒物極化帶電后，其運動行為與金屬帶電顆粒具有相似性。

5.2 絕緣體表面閃弧誘發的電擊穿

大量試驗結果表明，真空條件下由固體絕緣體支撐的電極間擊穿電壓往往會低于無絕緣體情況，而絕緣體材料的擊穿電壓高于真空擊穿電壓，研究確認是發生在絕緣體表面的所謂閃弧（flashover）現象所致[32?34]。試驗發現由絕緣體表面閃弧導致的擊穿電壓主要取決于絕緣器外形和性能（純度、出氣、表面電導等），且陰極電極與絕緣體之間的連接狀態對擊穿電壓的影響遠大于陽極與絕緣體的連接狀態。

絕緣體表面閃弧過程分為起源、發展和擊穿三個階段，如圖10所示。起源階段是在絕緣體、電極（負電極）和真空交界的三結區發生電極的電子發射，包括場致（場增強）和熱電子發射。發展階段為絕緣體表面的二次電子發射雪崩，又稱為絕緣體表面電子發射瀑布，這是一個電子碰撞表面、表面產生二次電子發射增益、更多電子碰撞表面的發射電子雪崩式快速增長過程。擊穿階段為電子轟擊表面導致表面的吸附氣體解吸或表面材料蒸發，最終產生低氣壓放電擊穿。

一個基于吸附了單層氣體的絕緣體表面閃弧真空擊穿電壓的計算公式為[34]：

式中：Mcr為產生擊穿的解析氣體臨界總量；A1為電子碰撞能量；A0為電子發射能量；v0為解吸氣體平均速度；l為絕緣體長度；γ為解吸概率；ve為平均電子速度。

圖10 絕緣體表面閃弧發展過程圖Fig.10 Physical processes involved in insulator surface flashover

就二次電子發射瀑布過程而言，發射電子以初速離開絕緣體表面，必須有改變電子軌跡的物理機制使其回來碰撞于表面：絕緣體表面帶電、位移電流產生表面磁場都可以實現電子軌跡反流。一個針對平行板電極間柱型絕緣體的位移電流產生的表面磁場如圖11所示，磁感應強度大小為[35]：

式中：C是絕緣體的電容；d為絕緣體長度。計算分析表明，當電壓變化速率足夠大時二次發射電子軌跡可以偏移并再次碰撞表面。

圖11 位移電流產生表面磁場示意圖Fig.11 A magnetic field generated by the displacement current

5.3 電極表面絕緣層誘發電擊穿

為增大離子推力器由內向外的熱輻射，陽極、外殼等電極往往采取表面陽極化處理或鍍膜處理以提高表面發射系數，結果導致金屬電極表面被絕緣層覆蓋。電極表面局部氧化、濺射沉積等也會導致類似結果，形成金屬電極表面的絕緣島分布。一般來說，電極表面絕緣層的存在有助于提高真空條件下電極間擊穿電壓閾值[14]，對防止電極間打火產生有利的作用。但在局部情況下，電極上的絕緣層會成為導致電擊穿的誘發因素，金屬電極表面絕緣層的存在會以多種機制誘發電擊穿：

（1）如果電極表面存在局部絕緣層或絕緣島，等離子體環境中該絕緣層（島）類似于電容器，等離子體對絕緣層充電，絕緣層電荷不斷累積，直到其內部場強超出擊穿閾值時絕緣層被擊穿，例如鋁氧化層在低軌等離子體環境下的擊穿電壓臨界值為70 V[36]。

（2）絕緣體與電極之間有空隙時，空隙內電場明顯增強更易發生低氣壓放電，由此導致局部電擊穿，結果如圖12（a）所示。

（3）絕緣層與電極微凸結構耦合。如圖12（b）所示，金屬電極場增強發射的電子進入絕緣層并產生絕緣層分子（原子）的倍增電離效應，包括絕緣層內形成的空穴增強局部電場[37]，導致絕緣層發生雪崩擊穿。

圖12 缺陷引發的絕緣體局部損傷示意圖Fig.12 Dielectric damage caused by the defects in dielectric and electrode

如果以上局部擊穿產生的瞬態大電流足以蒸發和電離局部絕緣層，可直接誘發或通過二次耦合效應誘發電極間擊穿。

6 展望

無論是地面試驗還是在空間工作條件下，離子電推進都會發生非預期打火問題，通過分析發現，離子推力器非預期打火的影響因素多、機制復雜、耦合性強。并且隨著離子推力器比沖性能的提升，束電壓會進一步提高，相應的非預期打火問題會變得更加突出。由此可見，持續深入地開展離子電推進非預期打火的機制研究，不僅是保證成熟產品工程應用可靠性的迫切需求，更是研發新一代超高比沖離子電推進的必然要求。主要研究包括如下方面：

（1）多因素耦合機制研究[38?40]。在離子推力器的設計中，單個影響因素的抗擊穿裕度都是足夠的，但實際工作時卻無法徹底杜絕電擊穿事件的發生，顯然是多因素隨機耦合的結果。本文對單一因素影響機制的分析和量化估算也表明，只有理解了多因素的初始誘發和過程發展等耦合機制，才能完全解釋實際發生的非預期打火。

（2）隨機偶發特性研究[41?43]。離子推力器非預期電擊穿的偶發特性非常突出，誘發因素較多、各因素參數分布范圍較寬、各因素之間相互耦合隨機性大等都是導致這種不確定的主要原因。針對擊穿隨機性的深入研究，不僅需要基于誘發機制的正確物理模型，更需要強有力的數學工具來進行復雜耦合過程概率分析。

（3）數值計算與專項測試有機結合研究[44?47]。真實離子推力器工況下的非預期打火測試在實施中存在較大困難，越來越高效的數值計算方法成為更有效的研究手段，計算仿真和專項試驗的有機結合正在成為深化研究的主要方法，由此可顯著地推進對問題的研究從定性到定量的轉化。

（4）特征參數研究[48?50]。非預期電擊穿的時間（周期）、打火頻次、擊穿電流峰值、推力器各電極參數響應等是區分、判定不同因素導致擊穿或耦合演化的主要特征量，也是進行量化分析和評價的核心參數，獲取和分析這些特征參數非常關鍵。

（5）綜合研究支撐工程應用[51?53]。離子推力器的多電極結構、多誘發因素、多工況條件、長期工作磨損效應等情況，使得在工程應用中解決打火問題非常困難。一種有效的程序方法就是通過綜合研究，首先確認第一（耦合）誘發因素及其機制，采取有效措施顯著降低其影響程度，然后確認新的第一誘發因素及其機制并采取措施，以此類推直到非預期打火頻次及危害程度達到工程可接受。