等離子體點火器放電研究

狄 輝， 車學科， 鐘 戰， 吳祥東， 朱少鵬

（航天工程大學 宇航科學與技術系， 北京 101400）

0 引言

姿控發動機[1]是一種小推力火箭發動機，通常被應用在衛星、空間站等航天飛行器上。 過去，姿控發動機通常使用自燃推進劑，現在推進劑更多使用碳氫化合物，這就要求姿控發動機擁有點火器，能夠長期重復點火。目前常用的點火技術有電火花點火技術[2]、激光點火技術[3]、電加熱點火技術[4]和微波點火技術[5]，這對姿控發動機而言并不適用，因此，迫切需要研究開發新型點火技術解決現有問題。 最近幾年等離子體在點火助燃[6-8]方面有著重要發展，滑動弧是一種局部熱平衡等離子體，同時具有熱平衡與非熱平衡等離子體的特點[9]，在放電過程中會產生大量活性自由基團與高能電子，釋熱較大。 通過航空發動機點火實驗發現滑動弧等離子體可以實現可靠點火， 能夠拓寬點火極限[10]，因此對滑動弧等離子進行放電研究，并將其應用在姿控發動機點火上面，意義重大。

滑動弧通常由兩種激勵器產生， 即平面滑動弧激勵器[11]和旋轉滑動弧激勵器[12]。 對于姿控發動機而言，平面滑動弧激勵器不存在內電極，不會堵塞燃料噴嘴，對發動機內部流場的影響相對更小， 因此更適用于姿控發動機點火。 目前國內外對平面滑動弧均有研究，例如：保加利亞索菲亞大學的St Kolev 等[13]在研究滑動弧在氬氣中的放電過程時，建立起了滑動弧在氬氣中放電的三維模型，該模型可以計算出滑動弧在不同位置的電弧長度和滑動速度；空軍工程大學何立明等[14]在研究平面滑動弧放電過程中發現滑動弧在滑動過程中具有穩定電弧滑動和擊穿伴隨滑動兩種模式，這兩種模式與工質氣體流量、放電電壓、電極結構有關。 鄭州大學李卓凡[15]對微秒脈沖滑動弧等離子體周期性進行了研究， 發現當工質氣體處于層流時，滑動弧最大上升高度隨流速增加而增加，當工質氣體處于湍流時，滑動弧最大上升高度隨流速增加而減小。

雖然國內外對平面滑動弧均有研究， 但現有的研究工況并不適合姿控發動機的工作工況， 需要對放電過程做進一步研究。 為研究平面滑動弧等離子體在低工質氣體流量下的放電過程，設計了平面滑動弧等離子體實驗系統，研究了工質氣體在不同流量下對滑動弧等離子體滑動階段、放電功率和滑動特性的影響。 實驗結果揭示了工質氣體在不同流量下滑動弧等離子體的變化規律，可為小推力火箭發動機滑動弧點火器的研制提供技術參考。

1 實驗設計

圖1 為滑動弧等離子體實驗系統， 主要包括高壓氣瓶、氣體質量流量控制器、滑動弧等離子體激勵器、交流電源、電壓調節器、高速攝像機、示波器、皮爾森線圈、高壓探頭等。 其中高壓氣瓶裝有高純空氣， 質量分數為99.99%； 質量流量控制器采用SC100 氣體質量流量控制器，控制精度0.01L/min；交流電源采用CTP-2000K 交流電源，電壓峰-峰值為0～30kV，電源頻率為5～25kHz；滑動弧電弧形態由Phantom v9.1 高速攝像機拍攝； 采用高壓探頭和電流線圈對滑動弧電壓電流進行測量， 采用安捷倫DSOX3054A 示波器對電壓和電流波形進行記錄。圖2 為交流滑動弧等離子體激勵器結構示意圖， 激勵器由絕緣石英基座、進氣孔、陰極、陽極等部件組成。兩電極均為棒型，兩電極夾角為40°，金屬陰極與金屬陽極之間最小間隙為2mm，進氣孔直徑為2mm。 實驗時，高壓氣瓶在流量控制器的控制下給激勵器供氣， 交流電源給電極兩端施加電壓， 當電極兩端電壓產生的電場超過臨界電場時，就會擊穿氣體，產生電弧，電弧在氣流的吹動下，就會沿電極滑動，產生滑動弧。

圖1 滑動弧等離子實驗系統

圖2 滑動弧等離子體激勵器

為研究不同流量的工質氣體對滑動弧滑動階段、放電功率與滑動特性的影響，實驗在大氣壓下進行，溫度為293K，交流電源頻率為5kHz，高速攝像機拍攝頻率1000 幀/秒，工質氣體為高純空氣，氮氣與氧氣體積比為79：21，工質氣體流量分別為3.0L/min、3.5L/min、4.0L/min、4.5L/min 和5.0L/min。實驗時，調節高速攝像機與數字示波器，使它們都處于外部觸發模式，需要記錄時，使用外部觸發器同時給高速攝像機與數字示波器觸發信號，使它們能夠同時對滑動弧等離子體進行記錄。

2 實驗結果分析

2.1 流量對滑動階段的影響

依據文獻[14]可知本實驗滑動弧放電為電弧穩定擊穿模式，電弧沿氣流方向滑動較大。圖3 為不同滑動階段電壓波形圖，圖4 為不同滑動階段電弧形態圖。根據示波器測得滑動弧電壓波形與高速攝像機拍攝的電弧形態，可將電弧穩定擊穿模式下的一個滑動過程可以分為3 個階段：擊穿滑動階段（Breakdown sliding stage，B-S）、穩定滑動階段 （Stable sliding stage，S-S） 和不穩定滑動階段（Unstable sliding stage，U-S）。

圖3 不同滑動階段電壓波形圖

圖4 不同滑動階段電弧形態圖

B-S 階段通常發生在滑動弧擊穿空氣開始放電時，從電弧形態上來看，此時滑動弧處于擊穿狀態，電弧處在電極的下端，電弧對稱，從電壓波形上來看，在每個放電周期內電壓波形會出現一個較明顯的正向峰和負向峰；S-S 階段通常發生在滑動弧滑動的中期， 從電弧形態上來看，此時滑動弧沿著工質氣體流動方向滑動，電弧較為對稱，從電壓波形上來看，每個放電周期內電壓波形與方波較為相似， 電壓波形正向與負向沒有出現較明顯的波峰；U-S 階段通常發生在滑動弧滑動的后期，從電弧形態上來看，滑動弧左右不對稱，電弧不穩定，隨時可能發生斷裂，從電壓波形上來看，在每個放電周期內電壓波形在正向與負向上均會出現一高一低兩個波峰。

電弧穩定擊穿模式下的滑動弧在一個滑動過程內會經歷3 個滑動階段， 即B-S 階段、S-S 階段和U-S 階段。從示波器測得的電壓波形與高速攝像拍出的滑動弧形態來看， 滑動弧從擊穿空氣開始進入B-S 階段， 而后進入S-S 階段，最后進入U-S 階段，直到電弧斷裂，隨后進入下一個滑動過程。

根據滑動弧在一個周期內滑動階段的劃分， 通過多次測量求平均值的方法，測量出滑動弧在不同流量下BS、S-S 和U-S 階段下平均滑動時間，結果如圖5 所示。 結果發現：向激勵器通入的工質氣體，流量從3.0L/min 增加到5.0L/min 的過程中，B-S 階段的滑動時間增加，S-S 階段與U-S 階段的滑動時間減小，并且S-S 階段時間減小程度較大，U-S 階段減小程度較小。

圖5 不同流量下各滑動階段所用時間

2.2 流量對放電功率的影響

滑動弧等離子體電弧放電功率是衡量滑動弧電學特性的重要參數。 通過示波器可以測出滑動弧放電時的瞬時電壓和瞬時電流值，通過式（1）可以計算出滑動弧瞬時功率，通過式（2）可以計算出滑動弧平均功率，滑動弧瞬時功率與平均功率計算結果如圖6 圖7 所示。

通過圖6 可以看出，隨著工質氣體流量的增加，滑動弧平均放電功率會降低，分析認為：當工質氣體流量增加時，滑動弧沿工質氣體流動方向上的滑動距離減小，進而使得滑動弧電弧長度減小， 而滑動弧電弧放電功率與電弧長度成正比，導致平均功率減小。

圖6 不同流量下滑動弧平均功率

通過圖7 可以看出，在一個滑動周期內，滑動弧瞬時功率先減小后增大。 分析認為：而在一個滑動周期內，當處于B-S 階段時，因為激勵器要擊穿空氣產生滑動弧，需要電源提供的能量足以擊穿空氣， 所以此刻需要的能量較大， 此刻電弧功率較大， 擊穿完畢后電弧功率隨之減小；當處于S-S 與U-S 階段時，電弧功率與電弧長度成正比，滑動弧在工質氣體的吹動下弧長逐漸增加，因此需要提供的功率也逐漸增加， 當提供的電功率不能滿足電弧滑動時，滑動弧就發生斷裂，隨后進入下一個滑動周期。

圖7 不同流量下電弧功率變化曲線

2.3 流量對滑動特性的影響

電弧的滑動特性可以從最大滑動高度、 最大弧長和滑動速率進行研究， 為研究工質氣體流量對最大滑動高度、最大弧長和滑動速率的影響，實驗時使用高速攝像機拍攝滑動弧等離子體，將拍到電弧圖片每10ms 進行一次疊加并對電弧顏色進行處理，結果如圖8 所示，每張圖中最低點處的滑動弧發生在工質氣體剛被擊穿時， 最高點處的滑動弧發生在電弧剛要斷裂時。 從圖8 中可以看出，不同工質氣體流量下的滑動弧在滑動前中期電弧形態較為對稱，在滑動后期電弧形態的不對稱性增加。

圖8 不同流量下滑動弧等離子體形態圖

將滑動弧等離子體激勵器的對稱中心線視為滑動弧滑動高度線， 經測量可以得到滑動弧的最大滑動高度以及滑動弧將要斷裂時的最大弧長， 經過測量計算可以得出滑動弧在不同工質氣體流量下的滑動時間、 平均滑動速率、最大滑動高度和最大弧長，結果如圖9、圖10 所示。

從圖9 圖10 中可以看出，滑動弧滑動速率在5～12m/s內， 滑動時間在40～150ms 內， 最大滑動高度在50～75mm內，最大弧長在25～40mm 內，滑動弧平均滑動速率隨著工質氣體流量增加而增加，滑動時間、最大弧長和最大滑動高度均隨工質氣體流量增加而減小。 經過計算，噴嘴出口處流速超過4m/s，工質氣體流動為湍流，根據文獻15，當工質氣體流動為湍流時， 滑動弧滑動高度隨流量增加而減小，實驗結果與文獻相一致，故滑動弧最大弧長與滑動時間均減小。

圖9 不同流量下滑動弧滑動速率與滑動時間示意圖

圖10 不同流量下最大滑動高度與最大弧長示意圖

3 結論

本文進行了滑動弧放電實驗， 通過改變工質氣體流量大小的方法，分析了工質氣體流量對滑動弧放電階段、瞬時功率和電弧形態的影響，具體結論如下：

滑動弧在一個滑動周期內有3 個比較顯著的階段，即B-S、S-S 和U-S 階段，隨著流量的增加，滑動弧滑動周期時間減小，其中B-S 階段的放電時間增加，S-S 和U-S 階段放電時間減小。

滑動弧的放電功率與放電階段和弧長有關，當處于BS 階段下，放電功率隨時間增加而減小，此時滑動弧放電功率與弧長成反比，當處于S-S 和U-S 階段下，放電功率隨時間增加而增加，此時滑動弧放電功率與弧長成正比。

工質氣體流量從3L/min 增加到5L/min 時，氣體狀態為湍流，滑動弧滑動時間、最大滑動高度、最大弧長隨著工質氣體流量的增加逐漸減小。