微陰極電弧推力器放電壽命特性研究

王雯倩，劉向陽,*，王帥，陳世昌，趙子靖，耿金越，沈巖,3，王寧飛

1. 北京理工大學 宇航學院，北京 100081

2. 北京控制工程研究所，北京 100190

3. 中山大學 航空航天學院，廣州 510275

μCAT是一種利用真空電弧放電工作的空間推力器。由于其體積小、質量輕等優點，在微納衛星的姿態控制、軌道保持等任務上，有良好的應用前景[1-2]。

μCAT有同軸型與環型兩種常見構造，主要由推力器頭部、電源處理模塊和磁模塊組成。本文對同軸型μCAT進行研究，其結構如圖1所示。其中，推力器頭部主要包括陰極、陽極和絕緣體[3-4]。

圖1 μCAT頭部構造

μCAT工作過程為：電源處理單元(PPU)首先將直流電輸入電感儲能模塊，通過IGBT將直流信號轉化為脈沖信號，通過導電薄膜連接陰陽極放電，從而實現無觸發點火，隨后燒蝕陰極形成的等離子體經過電磁場加速噴出產生推力[5-6]。μCAT工作時理想狀態為:首先燒蝕導電薄膜，建立放電通道，隨后真空電弧燒蝕陰極材料，補充導電薄膜，使推力器持續放電[7]。

μCAT為脈沖工作放電，目前研究認為當放電失效時，意味著μCAT不能正常工作，其可達到的最大放電次數即為其壽命。因此，μCAT放電特性變化是其壽命的重要表征。Mathias等[8]認為達到106次壽命是樣機研制的一個重要挑戰。Zhuang等[9]預估了環型推力器壽命可達108次，但目前沒有該樣機的詳細壽命試驗放電次數，文獻[10]提到其測試壽命可達2×106次。任亮等[11]研制了一款推力器樣機，開展了推力器壽命試驗，成功實現了1.12×106次點火。Kronhaus等[12]開發了一種稱為直列螺旋饋電真空電弧推進器(ISF-VAT)的推進系統，測試壽命至少可達到7×105次。綜上，目前已知μCAT樣機壽命僅能達到106次水平，距離衛星總體所期望的107次水平尚有一定差距。

Dethlefsen等[13]發現低熔點、低熱導率的材料在放電過程中會產生液滴，降低推力器性能；推力器工作的脈沖時間降低能減少液滴的形成。Kolbeck等[14]發現在低頻率下，真空電弧同時燒蝕陰極和陽極；在高頻率工作情況下，低熔點陽極材料會形成大顆粒金屬液滴凝聚在陰極或導電薄膜上，阻止推力器點火，并使其失效；Kronhaus等[12]發現放電過程中陶瓷絕緣體也會被消耗；田雷超等[15]發現推力器失效模式與絕緣體燒蝕有關；任亮[16]等發現長時間工作情況下，推力器工作末尾階段電阻會突然升高；耿金越[17]等發現較高的放電電流條件下，推力器的工作壽命更長。

μCAT全壽命放電次數多，總工作時間長，記錄其全壽命放電特性數據需要大量的時間及人力，是目前制約對其壽命研究的主要原因。且μCAT失效機理及影響其失效因素尚不明確。因此，本文研制了一款自動數據采集系統，可自動記錄μCAT放電電流及放電電壓。

本文在記錄μCAT放電次數基礎上，增加了對全壽命不同階段放電特性演化過程的研究。本文從導電薄膜微觀形貌上進一步對μCAT放電失效機理進行了闡述，有助于從放電頻率與導電薄膜設計方面入手，為提升μCAT壽命提供支持。

1 自動數據采集系統設計

自動數據采集系統是本文試驗設計的核心硬件設施，可實現對μCAT放電電壓、放電電流數據自動記錄，有效降低了人工成本，提高了技術精確度。

該采集系統包含硬件與軟件兩部分。硬件部分包含電壓探頭、電流探頭、示波器和PC等；軟件部分利用程序控制硬件進行記錄工作。

μCAT放電特性主要由其放電電流、放電電壓體現。μCAT工作為脈沖放電，單次脈沖放電時間處于幾十至幾百微秒量級[1]。因此，本文試驗選用的示波器型號為泰克示波器的TDS3014C，電流探頭型號為CP8150A，電壓記錄選用P4100高壓無源差分探頭。

軟件系統主要目的是控制示波器使其存儲放電特性數據。該系統主要包括波形圖展示面板、參數輸入控制模塊、數據保存模塊三部分。

本文利用LabVIEW和NI-VISA編程，通過控制示波器實現數據自動采集。

2 壽命特性試驗

本文試驗系統主要包括四部分：真空系統、推力器樣機、自動數據采集系統和自動計數裝置，如圖2所示。

圖2 試驗系統原理圖

本文對同軸型μCAT分別進行了多組放電頻率下的全壽命試驗。每組控制放電頻率不變，使推力器進行不間斷放電，直至推力器失效。采集每次推力器放電時的放電電流、放電電壓數據，同時利用自動計數器記錄全壽命過程中的放電次數。

在推力器完成全壽命放電后，利用USB顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對導電薄膜和陰極表面形貌變化進行觀察。

2.1 試驗樣機

本文所用樣機陰極材料為鈦，陽極為銅，絕緣材料為氧化鋁。絕緣體上涂有鈦導電薄膜，實物如圖3(a)所示。本文中電源處理模塊包括電容、電感、IGBT、信號輸出元件等，控制推力器脈沖工作，實物如圖3(b)所示。

圖3 推力器實物圖

2.2 真空系統

為保證μCAT工作環境與空間中環境接近，試驗樣機需在真空環境下放電工作，本文所用的真空艙參數如表1所示。

表1 真空艙參數

3 試驗結果與分析

3.1 放電特性

本文對比了放電頻率為20 Hz及50 Hz兩種條件下，μCAT全壽命過程的放電電壓和放電電流隨時間變化情況。經過處理，得到了擊穿電壓和電流峰值隨放電次數的變化曲線，如圖4所示。在20 Hz放電頻率下，推力器壽命可達到1.1×105次，在50 Hz放電頻率下，推力器壽命僅可達到1.8×104次。擊穿電壓在放電初始階段急劇上升，近似為初始階段擊穿電壓的1.7倍，峰值電流在該階段小范圍內波動降低。在隨后的放電過程中，擊穿電壓平穩波動，峰值電流保持平穩波動。在壽命最后階段，擊穿電壓相對不變，而峰值電流急劇下降，隨后失效。放電頻率為50 Hz時，在壽命的后半段提前出現了電壓、電流提前波動下降的情況。

圖4 放電電壓、峰值電流全壽命變化

圖5為兩種放電頻率下μCAT全壽命過程中，單次放電持續時間與薄膜電阻隨放電次數變化的曲線。薄膜電阻在放電初始階段略有升高，在隨后的放電過程中保持相對穩定。在推力器臨近失效階段，薄膜電阻波動上升直至極高，導致推力器失效。

圖5 放電持續時間、電阻全壽命變化

在兩種放電頻率下，放電持續時間均隨放電次數波動減少。這是因為隨著放電次數的增加，薄膜燒蝕，使其逐漸變薄，單次放電可燒蝕物減少，從而使放電持續時間逐漸減少。

綜合圖4和圖5可得，μCAT工作狀態分為三段。初始段會發生相對不穩定的放電現象，該狀態放電次數占比小于全壽命的10%；隨后μCAT工作達到穩定段，該段的放電特性相對穩定，放電可靠性較高，為其放電工作的標準狀態，此時推力器工作參數更具有代表性；μCAT放電工作末期放電特性發生突變，突變后的放電次數占全部放電次數的比例小于2%，該段為μCAT的失效段，放電特性發生突變后短時間內推力器便會停止工作。

μCAT工作初始段放電特性不穩定是由于導電薄膜在制備過程中未能達到導電材料絕對均勻分布，放電易發生在導電材料相對更多、電阻更小的位置。隨著放電的進行，導電材料相對多的位置會發生燒蝕損耗，薄膜電阻逐漸變為分布均勻的狀態，此時μCAT工作到達穩定段。導電薄膜從分布不均勻到分布相對均勻的短暫過程中，放電特性會發生急劇變化。隨著放電的持續，放電末期陰陽極間可燒蝕材料持續減少，μCAT工作到達失效段，該階段導電薄膜燒蝕退化，電阻迅速升高，最終μCAT因為無法實現無觸發放電而失效。

圖6為20 Hz放電頻率下，μCAT工作初始段、穩定段及失效段的單個脈沖下的放電特性曲線。

圖6 單個脈沖下各工作階段典型放電特性曲線

單個脈沖放電能量可由放電特性計算得到，其表達式如下[2]：

其中Earc為電弧能量；Vdisc(t)為放電電壓；Iarc(t)為電弧電流；Tdisc為放電時間。

單個脈沖平均功率表達式如下：

通過式(1)與式(2)計算得到各階段單個脈沖放電能量與平均功率如表2所示。隨著放電的進行，單個脈沖放電能量逐漸降低，在放電穩定段放電功率最高。

表2 單個脈沖放電能量及平均功率

3.2 燒蝕分析

壽命試驗后，僅更換帶有全新導電薄膜的絕緣體，且保持μCAT其他部分及外圍設備、儀器狀態、放電頻率等工況不變的情況下，重新開展試驗，得到結果與原壽命試驗之間有很強的重復性，說明導電薄膜的燒蝕退化是制約μCAT壽命的關鍵因素。

本文推力器全壽命放電燒蝕后，導電薄膜形貌如圖7所示。對比試驗前后形貌可知，導電薄膜燒蝕不均勻分布，僅集中在某一區域。μCAT每次脈沖放電時，真空電弧產生位置隨機分布。但由于其為無觸發放電工作，真空電弧更易發生在導電材料相對較多，電阻相對較小的位置，而不是均勻分布，因此導電薄膜會發生不均勻燒蝕。對比兩種放電頻率下導電薄膜燒蝕結果可知，頻率升高可使導電薄膜燒蝕區域更大，燒蝕程度更強。這是因為當推力器以更高放電頻率不間斷工作時，放電產生的熱能積累，使導電薄膜燒蝕加劇直至燒蝕殆盡陰極材料來不及補充導電薄膜，且未燒蝕位置不滿足真空電弧發生條件。因此造成了前文所述電阻急劇上升使推力器提前失效的結果。

圖7 放電前后導電薄膜

為了進一步分析推力器的燒蝕機理，本文選用S-4800掃描電子顯微鏡觀測了推力器失效后，陰極及導電薄膜微觀形貌，加速電壓均設置為5 kV，如圖8所示。

圖8 陰極燒蝕SEM圖

圖8(a)為將陰極局部放大100倍時的圖像。可以觀察到陰極上的放電燒蝕隨機發生，更多集中在近導電薄膜一側。不均勻燒蝕導致陰極利用率降低，陰極不能按需補充到導電薄膜上，從而降低了推力器壽命。

將陰極坑放大1 000倍，可知陰極坑尺寸在微米量級，如圖8(b)所示。陰極坑燒蝕明顯，陰極材料被電弧燒蝕后在陰極坑周圍產生沉積。

由于高放電頻率作用下，導電薄膜燒蝕嚴重，為方便觀察分析，本文進行了放電頻率為1 Hz及10 Hz全壽命試驗，并對導電薄膜進行了SEM觀測。將兩組失效后的導電薄膜均放大1 000倍，如圖9所示。對比兩種放電頻率下的導電薄膜，10 Hz放電頻率下，導電薄膜更為破碎，這印證了前文所述的放電頻率升高會使導電薄膜燒蝕加劇的結論。

圖9 放電失效后導電薄膜燒蝕SEM圖

4 結束語

本文設計搭建了μCAT壽命試驗平臺并進行了全壽命放電試驗，觀察了推力器失效后導電薄膜形貌變化，可以得到以下結論：

1)在μCAT全壽命工作過程中，擊穿電壓在放電初始階段急劇上升，隨后保持相對平穩直至推力器失效；電流峰值在小范圍內波動降低，在臨近失效時急劇下降直至失效；單次放電持續時間波動降低；薄膜電阻前期相對穩定，在臨近失效時迅速升高。

2)放電初期不穩定階段在μCAT全壽命占比小于10%，放電穩定階段工作特性更能反映μCAT最佳推進效果。

3)放電頻率升高會使陰極坑區域熱量累積，增強了導電薄膜破碎程度，導致推力器提前失效，從而降低其壽命。

4)電弧燒蝕位置不均勻分布，導致陰極利用率降低，陰極不能按需及時補充到導電薄膜上，從而降低了推力器壽命，這是制約μCAT壽命的重要因素。

綜上所述，可適當降低放電頻率，增加導電薄膜厚度，以提升其壽命。