吸氣式電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)直流放電等離子生成試驗(yàn)研究

戴芳立，楊寒，徐勇，楊龍，趙光磊，趙宏

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)相比，吸氣式電推進(jìn)的投資規(guī)模小，入門難度低，取得技術(shù)突破獲得技術(shù)成果的可能性高，在超低軌道衛(wèi)星應(yīng)用前景廣闊[1-2]。在1959年，軌道器收集空氣作為推進(jìn)劑的理念[3]被Demetriades第一次提出。上個(gè)世紀(jì)90年代開始，歐美等國家對(duì)吸氣式柵網(wǎng)型離子推進(jìn)器（ABIE）的研究取得了一系列的成果，對(duì)其吸氣方式、電離方式、加熱方式和推進(jìn)過程等進(jìn)行了大量的分析和改進(jìn)[4-5]。歐空局在2018年3月5日發(fā)布了吸氣式電推進(jìn)試驗(yàn)的消息，發(fā)動(dòng)機(jī)為雙模式發(fā)動(dòng)機(jī)，既可使用氙氣工質(zhì)，也可使用空氣工質(zhì)，工作高度為200km，飛行器飛行速度7.8km/s[6]。國內(nèi)方面，航天五院在火星探測方案中，提出了吸氣式螺旋波電推進(jìn)進(jìn)行航天器軌道維持的方案[7]；北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所完成了以原子氧為工質(zhì)，綜合考慮碰撞、激發(fā)、電離等過程，通過13.56MHz射頻加熱，由磁噴口完成推力輸出的吸氣式螺旋波電推進(jìn)器仿真模擬[8]。

本文在超低軌道來流模擬技術(shù)、電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、空間環(huán)境模擬試驗(yàn)硬件條件基礎(chǔ)上，探索吸氣式電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)方法等相關(guān)技術(shù)，為工程樣機(jī)研制及吸氣式穩(wěn)態(tài)等離子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)探索奠定基礎(chǔ)[9]。

1 試驗(yàn)裝置及工作原理

等離子體放電試驗(yàn)裝置分布如圖1所示，試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖2所示。

圖1 放電試驗(yàn)裝置分布示意圖

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物及附件

其中包括真空艙、真空機(jī)組、真空機(jī)組控制系統(tǒng)、試驗(yàn)電源、氮?dú)饧訜嵫b置、配氣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及銅電極板等[10]。

利用氮?dú)饧訜嵫b置供應(yīng)給定壓力、溫度的氮?dú)猓⑼ㄟ^0.6mm孔向真空艙內(nèi)供應(yīng)一定流速的氮?dú)猓M太空中來流氮?dú)狻Ｔ囼?yàn)電源在設(shè)定的電壓條件下，通過穿艙電極對(duì)艙內(nèi)電極板進(jìn)行供電；真空機(jī)組對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行抽真空，調(diào)整至設(shè)定的真空度條件；進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)采用的導(dǎo)電性較強(qiáng)的銅電極板，電極板下端固定，上端固定在導(dǎo)軌上，通過開艙手動(dòng)調(diào)節(jié)上電極板之間的上下運(yùn)動(dòng)以達(dá)到調(diào)節(jié)電極間距之間的距離，利用絕緣材料聚四氟乙烯（FR-4）將兩導(dǎo)電電極與艙體隔開；利用真空硅傳感器對(duì)真空度進(jìn)行監(jiān)測[11]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無來流條件下等離子體生成分析

由圖3可得出如下結(jié)論：

圖3 無來流條件下電極間距為100mm不同壓力下的放電脈沖

①無來流條件下，氣體放電前，氣體分子保持絕緣狀態(tài)。②無來流條件下，在10Pa、40Pa、100Pa、1atm等不同環(huán)境壓力下均出現(xiàn)了氣體放電現(xiàn)象。放電現(xiàn)象是在電極間電壓達(dá)到放電閾值時(shí)產(chǎn)生，此時(shí)放電電流為最大值，隨后氣體發(fā)生電離使極間氣體電阻下降，放電電流下降至較小值，但保持持續(xù)放電狀態(tài)。③環(huán)境壓力越低，最大放電電流越大，當(dāng)環(huán)境壓力為10Pa時(shí)，最大放電電流約為0.045A[12]。

2.2 氮?dú)鈦砹鳁l件下等離子體生成分析

給定電極間距60mm，氮?dú)鈦砹鲏毫?.4MPa，溫度283k,通過0.6mm孔模擬來流氮?dú)猓瑢?duì)試驗(yàn)裝置在不同真空度下進(jìn)行放電測試，結(jié)論如下：①在283K氮?dú)鈦砹鳁l件下，氣體放電前，氣體分子保持絕緣狀態(tài)；②在283K氮?dú)鈦砹鳁l件下，在80pa、40pa、20pa、10pa等不同環(huán)境壓力下均出現(xiàn)了氣體放電現(xiàn)象（氣體放電脈沖波形見圖4），當(dāng)電極間電壓達(dá)到放電閾值（分別為168V、167V、139V、94V）時(shí)立即產(chǎn)生放電，且此時(shí)放電電流為最大值，隨后氣體發(fā)生電離，氣體電阻逐漸下降，放電電流隨之下降，但保持持續(xù)放電狀態(tài)；③環(huán)境壓力越低，放電現(xiàn)象越明顯，最大放電電流越大，當(dāng)環(huán)境壓力為10Pa時(shí)，最大放電電流達(dá)0.8A[13]。

圖4 來流氮?dú)鈼l件下電極間距為60mm不同壓力下的放電脈沖

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到了各種因素對(duì)等離子生成的影響，由此得到以下結(jié)論：①真空度越低，等離子體生成越容易；②電極距離為100mm時(shí)，在10pa真空度下更容易形成等離子體；③在相同的電極距離和真空度條件下，來流氮?dú)馀c靜止?fàn)顟B(tài)下相比，電極之間更加容易放電，放電電流更大，形成的放電效果更加明顯。