不同工質(zhì)材料毛細管型脈沖等離子體推力器工作特性研究

王亞楠 ，任林淵，丁衛(wèi)東，孫安邦，耿金越

（1.西安交通大學，西安 710049；2.北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

隨著微納衛(wèi)星熱潮的興起，微型電推進技術逐漸成為熱點研究領域[1-3]。利用低能量毛細管放電構(gòu)建的脈沖等離子體推力器近年來受到廣泛關注[4-6]。CDPPT采用固體工質(zhì)，無需儲供機構(gòu)，采用脈沖工作模式，系統(tǒng)簡單、可靠性高，在微納衛(wèi)星應用中具有顯著優(yōu)勢。CDPPT單次放電能量通常在焦耳量級，通過脈沖放電在毛細管腔體中產(chǎn)生初始電弧，燒蝕并電離工質(zhì)產(chǎn)生等離子體，在電熱作用下向外噴射產(chǎn)生推力，其輸出元沖量可精細調(diào)節(jié)（μN·s量級），契合微納衛(wèi)星姿軌控制需求，發(fā)展前景廣闊。隨著微納衛(wèi)星任務場景的拓展，要求推力器具備高比沖、高效率和較大范圍元沖量調(diào)節(jié)的能力。然而，目前CDPPT的輸出效率較低，比沖有待繼續(xù)提高、制約了CDPPT的進一步應用，急需性能參數(shù)的優(yōu)化。

推力器工質(zhì)材料直接影響推力器輸出性能和工作可靠性。工質(zhì)材料的選擇必須考慮其穩(wěn)定性（在太空環(huán)境中儲存使用）、熱解特性（電弧燒蝕后表面無積碳，不影響絕緣性能）以及相對應的推力器輸出性能（應具有較高的比沖和效率等參數(shù)）。聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoroethylene，PTFE）憑借在推功比、比沖及效率上較好的均衡性成為固體燒蝕型脈沖等離子體推力器（Ablative Pulsed Plasma Thruster，APPT）工質(zhì)的首選材料。然而，PTFE的熔點較低且在高溫熔融狀態(tài)下對外應力敏感，滯后燒蝕效應及微粒發(fā)射影響燒蝕產(chǎn)物的噴射速度，成為限制推力器效率提升的關鍵因素[7-8]。為了進一步提高推力器性能參數(shù)并拓寬其應用范圍，國內(nèi)外學者針對APPT的工質(zhì)材料進行了廣泛的研究。Ling等[9]分析了適用于電磁型APPT的工質(zhì)材料，并對PTFE與ETFE的優(yōu)劣進行了分析。俄亥俄大學Leiweke等[10]將PTFE和高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）分層布置，形成多層堆疊狀工質(zhì)，以降低工質(zhì)中氟原子的相對含量，提高APPT的比沖。由于兩種工質(zhì)電離能的差異，導致燒蝕速率不一致，同時數(shù)萬次點火后HDPE層出現(xiàn)了炭化，使得推力效率明顯低于PTFE工質(zhì)。為突破采用PTFE工質(zhì)的APPT推功比及推力較低的局限性，九州工業(yè)大學Hisatsune等[11]首次將固體火箭推進劑中常用的端羥基聚丁二烯（Hydroxyl Terminated Polybutadiene，HTPB）及高氯酸銨（Ammonium Perchlorate，AP）與PTFE以30∶70∶15的比例混合形成復合含能工質(zhì)，通過APPT點火試驗發(fā)現(xiàn)含能材料可增強放電過程中電熱效應，使單次燒蝕質(zhì)量和元沖量均數(shù)倍于PTFE工質(zhì)，但比沖和效率卻顯著降低。該研究團隊還將HTPB-AP復合工質(zhì)應用于CDPPT中，發(fā)現(xiàn)復合工質(zhì)中AP占比的升高有利于元沖量及燒蝕質(zhì)量的增大，但對比沖及效率不利[12]。Glascock等[13-14]研究了電控推進劑在低功耗APPT上的應用可行性，并對等離子體羽流參數(shù)等進行了測量，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)PTFE工質(zhì)，電控推進劑的比沖劣勢明顯。除固體工質(zhì)外，有學者利用水或其他液體作為推力器工質(zhì)材料，盡管采用液態(tài)工質(zhì)的LPPT在燒蝕均勻性，工質(zhì)表面積炭及輸出推功比等方面較APPT有明顯改善[15-18]，但不可避免地增加了電推進裝置的結(jié)構(gòu)復雜性，不利于在微納衛(wèi)星中系統(tǒng)集成應用。目前對于低功率水平下的APPT替代性工質(zhì)仍以固體材料為主。過往研究中，有學者對不同種類的高分子聚合物材料進行了試驗與分析，結(jié)果表明，UPE、ETFE、POM、PTFE熱解溫度適中，熱解后無明顯炭黑殘留，較適用于燒蝕控制電弧等離子體產(chǎn)生應用場合。然而，上述工質(zhì)材料目前僅在平板式電磁型APPT上進行了試驗，缺乏在CDPPT上的系統(tǒng)性研究。

本文從CDPPT工作過程入手，針對不同類型工質(zhì)材料PTFE、UPE、ETFE、POM對推力器的工作特性的影響規(guī)律開展了試驗研究。著重分析不同工質(zhì)材料下，回路等效放電參數(shù)、工質(zhì)燒蝕質(zhì)量、推力器輸出力學參數(shù)的變化規(guī)律，以期為毛細管推力器工質(zhì)材料設計及優(yōu)化提供基礎。

1 試驗平臺及工質(zhì)材料

1.1 推力器試驗平臺

本文設計的毛細管型脈沖等離子體推力器的剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，推力器整體呈同軸結(jié)構(gòu)，主要由陽極、絕緣護套、毛細管腔體、陰極噴嘴及火花塞等部件組成。在典型工況下，等離子體通道的電流峰值可達數(shù)千安培量級。為避免電極過度燒蝕影響推力器壽命，陽極和陰極均采用耐磨性和耐燒蝕性優(yōu)良的黃銅制作。為減小放電回路接觸電阻，電極引線與陰陽極間均采用螺紋緊密連接。

毛細管型脈沖等離子體推力器工作特性試驗研究平臺主要包括：真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、電學診斷、光譜診斷和微推力測量系統(tǒng)，如圖2（a）所示。試驗過程中，利用真空泵組將真空腔內(nèi)氣壓維持在低于5×10-3Pa水平。利用高壓直流電源將主電容充電至2 kV，對應CDPPT單次放電能量為5 J。用電壓探頭（Lecory PPS6kV，400 MHz）和羅氏線圈（Pearson 4997，15 MHz）分別測量推力器的放電電壓和電流波形，同時利用示波器（Tektronix DPO7054C）進行數(shù)據(jù)采集。后期分析中，利用Matlab對采集的電壓電流波形信號進行數(shù)據(jù)處理和計算。試驗中，利用微推力測量扭擺測量推力器的輸出元沖量，扭擺結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。CDPPT工作時產(chǎn)生的推力作用在扭擺擺臂上，擺臂運動可以用二階系統(tǒng)的零狀態(tài)沖擊響應方程表示，通過精密位移傳感器測量擺臂位移可求解推力器輸出元沖量。測量前，利用靜電梳標定裝置對微推力測量扭擺進行了標定，微沖量測量系統(tǒng)最小分辨率可達0.5 μN·s，不確定度低于1%，多次重復試驗線性度良好，滿足CDPPT輸出元沖量測量需求。

毛細管推力器單次燒蝕質(zhì)量通常在數(shù)十微克至數(shù)百微克量級，為減小測量隨機誤差，提高試驗效率，利用多次放電（1 000次）累計質(zhì)量變化求取平均單次燒蝕質(zhì)量。試驗時，分別在推力器放電前后利用精密天平（G&G Electronic Scale JJ124BC，精度±0.1 mg）測量毛細管腔體質(zhì)量，每次重復測量5次求取平均值。對比不同組別測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重復性良好，檢測結(jié)果偏差均小于0.5%。放電次數(shù)可通過信號發(fā)生器設定，利用試驗前后毛細管腔體質(zhì)量差值和累積放電次數(shù)，可獲得等效燒蝕質(zhì)量。結(jié)合微沖量測量結(jié)果，可以計算得到推力器的比沖和效率。

圖1 毛細管推力器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic and configuration of CDPPT and capillary cavity

圖2 CDPPT研究試驗平臺及微推力測量系統(tǒng)Fig.2 Schematic of the experimental platform and micro thrust measurement

1.2 工質(zhì)材料

試驗中所采用的CDPPT工質(zhì)材料包括：PTFE、UPE、POM和ETFE。四種不同聚合物工質(zhì)材料的電離特性，平均分子質(zhì)量及電離能的相關參數(shù)如表1所列。利用熱重分析方法可以確定不同材料的相變起始溫度，熱解起始溫度等參數(shù)。試驗中所利用的檢測設備為Mettler TGA1。檢測結(jié)果表明，PTFE相變溫度最高為609 K，ETFE約為585 K，POM與UPE相變溫度檢測結(jié)果相近，約為457 K。當溫度進一步升高后，相變材料會脫離材料表面產(chǎn)生質(zhì)量損失。四種材料中，POM的熱解溫度最低為554 K，UPE為651 K，PTFE與ETFE較為接近為670 K。不同工質(zhì)材料的熱解溫度差異導致了燒蝕過程起始時間差異，進而對推力器整個工作過程產(chǎn)生影響。

表1 不同工質(zhì)材料特性Tab.1 Different propellant materials characteristics

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同工質(zhì)材料下推力器放電特性

圖3為推力器主電容1.5 μF，充電電壓2.0 kV條件下，PTFE、POM、UPE和ETFE四種工質(zhì)材料在6 000次放電過程中的主電流波形變化規(guī)律。在不同工質(zhì)材料下，放電波形均為衰減震蕩波形，但電流幅值，電流波形半寬存在差異，這表明不同工質(zhì)材料下毛細管腔體內(nèi)等離子體等效阻抗參數(shù)存在差異。

圖3 不同工質(zhì)材料下主放電電流波形變化曲線Fig.3 Main discharge current waveform of the CDPPT with different propellant

此外，隨著放電次數(shù)的增加，不同工質(zhì)下，放電 電流均呈現(xiàn)增大趨勢。結(jié)合毛細管推力器工作過程分析可知，隨著放電次數(shù)增加，由于能量沉積密度的降低，每焦耳能量下燒蝕質(zhì)量不斷減小，弧道阻抗不斷降低，毛細管內(nèi)徑持續(xù)擴張，使得能量沉積特性進一步劣化。在四種工質(zhì)材料中，UPE材料對應的電流幅值增長率最小而PTFE最大。此外，快速沉積階段中UPE的能量上升速率呈無規(guī)律變化趨勢，意味著該材料在長時工作條件下的放電特性不穩(wěn)定。這與Kamhawi觀察到的聚乙烯材料平板式APPT的不規(guī)則放電現(xiàn)象一致[10，19]。

圖4所示為不同放電次數(shù)下四種工質(zhì)的主回路電流幅值及弧道電阻率變化。觀察圖4中電流上升趨勢及弧道電阻的下降趨勢可以發(fā)現(xiàn)，在4 000次放電過程中，四種材料放電特性的劣化程度均逐漸平緩。不同于其他三種材料，隨著放電的繼續(xù)進行，UPE自身較低的電離能使得其在單次放電中工質(zhì)燒蝕質(zhì)量持續(xù)降低，等離子體通道內(nèi)燒蝕產(chǎn)物的電離率不斷增大，因而4 000次放電后弧道電阻率的下降趨勢更為顯著。四種工質(zhì)材料的主電流幅值在6 000次放電過程中的增長率滿足：

弧道電阻率的下降率滿足：

圖4 不同放電次數(shù)下四種工質(zhì)的主回路電流幅值及弧道電阻率變化曲線Fig.4 The amplitude of discharge current and plasma channel specific resistance of CDPPT with different propellant

圖5為不同放電次數(shù)下，四種工質(zhì)材料在放電全過程及電流第一次過零前的沉積能量及能量沉積效率變化規(guī)律。隨著放電次數(shù)的增多，不同工質(zhì)材料下能量沉積效率均有不同程度的降低。在放電全過程中不同工質(zhì)沉積能量的下降比例滿足：

圖5 不同放電次數(shù)時四種工質(zhì)材料的沉積能量及能量沉積效率變化曲線Fig.5 Deposited energy and energy deposition rate under different firing number

相較于放電全過程中沉積能量特性的劣化趨勢，電流第一次過零前能量沉積效率的降低趨勢更為顯著。結(jié)合不同放電次數(shù)下的主回路電流波形可知，電流反向峰值隨放次數(shù)的增長程度明顯高于電流正向峰值，這與回路中阻抗降低，阻尼系數(shù)減小有關。而這也直接導致了沉積于第二個振蕩半周期內(nèi)的能量比例增大。根據(jù)計算，快速沉積階段的能量沉積效率在6 000次放電過程中的下降比例滿足：

結(jié)合放電全過程及快速沉積階段的能量沉積效率劣化程度可知，ETFE材料在長時放電過程中的放電特性較為穩(wěn)定。主要原因在于，一方面，ETFE與PTFE同樣具有較高的C-F鍵能，保證了較高的弧道能量沉積效率；另一方面，ETFE類似于UPE，結(jié)構(gòu)較為致密，具有較好的防積炭性能，在放電次數(shù)不斷增大時仍可保持較好的穩(wěn)定性。

2.2 燒蝕特性

為了考察采用不同工質(zhì)時推力器的燒蝕特性，在主電容容值1.5 μF，充電電壓2.0 kV條件下對四種工質(zhì)材料進行了6 000次連續(xù)放電，每1 000次放電后測量毛細管質(zhì)量，用以分析單次放電時燒蝕質(zhì)量的變化。圖6為不同放電次數(shù)下四種工質(zhì)的單次燒蝕質(zhì)量變化規(guī)律。由圖可知，隨著放電次數(shù)的增加，由于毛細管管徑的不斷擴張，各工質(zhì)的平均單次燒蝕質(zhì)量均呈現(xiàn)下降趨勢。不同工質(zhì)材料的推力器單次燒蝕質(zhì)量下降率Δmbit滿足如下規(guī)律：

圖6 不同放電次數(shù)下四種工質(zhì)單次燒蝕質(zhì)量Fig.6 Mass shot of the CDPPT with different propellant under different firing number

當采用不同工質(zhì)材料時，單次燒蝕質(zhì)量下降速率與弧道沉積能量及毛細管內(nèi)徑的變化率有關，此外，隨著放電次數(shù)的增加，電弧通道的能量沉積密度也會發(fā)生不同程度的變化。

對四種工質(zhì)在6 000次放電過程中的能量沉積密度及毛細管內(nèi)徑的變化規(guī)律進行擬合，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同放電次數(shù)下四種工質(zhì)弧道能量沉積密度及毛細管內(nèi)徑的變化規(guī)律Fig.7 Plasma channel energy deposition of the CDPPT with different propellant under different firing number

由圖7可知，隨著放電次數(shù)的增加，能量沉積密度及毛細管內(nèi)徑的變化率均會逐漸變緩，且能量沉積密度反比于毛細管內(nèi)徑的平方。因此，相比于毛細管內(nèi)徑的變化，能量沉積密度衰減趨勢更為明顯。不同于單次燒蝕質(zhì)量的變化規(guī)律，在四種工質(zhì)中，POM的衰減程度最大，約為51.51%。前述分析中認為，單次燒蝕質(zhì)量的變化僅由能量沉積密度決定，忽略了滯后燒蝕效應對于單次燒蝕質(zhì)量的影響。在主放電后的較長時間內(nèi)，管壁溫度將保持在其相變溫度之上，燒蝕過程將維持百微秒至數(shù)毫秒量級。從熱重分析可知，POM材料受熱易裂解，在320°C左右即發(fā)生熱解現(xiàn)象。在四種工質(zhì)中，POM的熱解溫度最低，滯后燒蝕部分引起的質(zhì)量變化受主放電過程影響較小，因而它的單次燒蝕質(zhì)量隨放電次數(shù)增大變化率較低[20]。其他三種工質(zhì)材料由于熱解溫度相近，單次燒蝕質(zhì)量主要受能量沉積密度的控制。

圖8（a）為不同放電次數(shù)時，單位初始儲能下單次燒蝕質(zhì)量。隨著放電次數(shù)的增大，四種材料單位是放電能量下的工質(zhì)燒蝕質(zhì)量均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。為排除滯后燒蝕效應對不同工質(zhì)燒蝕特性一致性的影響，僅對比PTFE、UPE及ETFE三種工質(zhì)每焦耳沉積能量下的單次燒蝕質(zhì)量的變化率，如圖8（b）所示。總沉積能量是通過放電波形處理積分得到，已排除回路傳輸能量損耗等，體現(xiàn)放電過程中電弧的總能量。可以發(fā)現(xiàn)，在6 000次放電過程中，ETFE降低了16.52%，UPE降低了11.09%，PTFE僅降低了6.38%。根據(jù)先前的研究可知，三種工質(zhì)材料在弧道中沉積能量的衰減率呈相反規(guī)律。這意味著在長時間的放電過程中，PTFE管壁材料的物理狀態(tài)及相關物性不會發(fā)生較大程度的變化，在電弧作用下可以保持燒蝕過程具有較好的一致性，有利于推力器輸出參數(shù)的長期穩(wěn)定性。

圖8 不同放電次數(shù)下四種工質(zhì)的單位能量燒蝕質(zhì)量Fig.8 Mass shot per joule of the CDPPT with different propellant under different firing number

2.3 輸出力學特性

為衡量長時放電條件下各工質(zhì)推力輸出特性的穩(wěn)定性，對四種工質(zhì)材料6 000次放電過程中元沖量、比沖、效率及推功比等關鍵參數(shù)進行測量和計算，結(jié)果如圖9所示，工況為放電電壓2 kV，儲能電容容值1.5 ΜF(xiàn)，單次放電能量3 J。由圖9（a）可知，隨著放電的進行，四種工質(zhì)的元沖量均呈逐漸下降的趨勢。隨著燒蝕作用的不斷進行，毛細管內(nèi)徑逐漸增大，單次放電燒蝕工質(zhì)質(zhì)量及電熱加速效果所形成的壓力梯度逐漸減小，造成粒子出口噴射速度降低，導致了輸出元沖量的不斷衰減。不同工質(zhì)元沖量衰減率ΔIbit滿足規(guī)律：

通過元沖量的擬合曲線在放電次數(shù)上的積分可以獲得6 000次放電過程中不同工質(zhì)材料所能產(chǎn)生的總沖量。計算結(jié)果表明，PTFE為0.846 N·s，POM 為 0.902N·s，UPE 為 0.327N·s，ETFE 為0.851 N·s。從圖9（b）中比沖隨放電次數(shù)的衰減率能明顯看出，UPE材料輸出性能的劣化較為嚴重，但在不同的放電次數(shù)范圍內(nèi)，劣化程度具有明顯的差異，在開始的1 000次放電過程中，比沖迅速跌落近25.23%，而后保持著相對穩(wěn)定的衰減趨勢。原因是，在放電初期，工質(zhì)表面溫度較低，工質(zhì)內(nèi)殘余有部分吸附氣體，導致放電處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，工質(zhì)燒蝕率較低，注入弧道內(nèi)的功率較大，弧道內(nèi)電離率較高，易形成較大的溫度梯度并加速燒蝕產(chǎn)物至可觀的噴射速度；而隨著放電的進行，并進入相對穩(wěn)定的時期，伴隨著滯后燒蝕作用的累積，在放電全過程中粒子噴射速度顯著降低。不同工質(zhì)比沖衰減率ΔIsp基本滿足如下規(guī)律：

圖9（c）中各材料隨著弧道阻抗降低，毛細管內(nèi)徑增大，能量沉積效率及加速效率均逐漸降低。相應地，推力器的整體效率也呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。在四種材料中，ETFE的推力效率下降程度最低，為25.16%，UPE的推力效率由起初的7.66%降低至6 000次放電結(jié)束后的3.05%，下降幅度為60.17%，表現(xiàn)出較為明顯的性能劣化。圖9（d）中推功比的變化趨勢與元沖量類似。通過對推力器關鍵參數(shù)在長期工作條件下的對比分析可知，PTFE及ETFE材料可以較好地保證力學性能參數(shù)的穩(wěn)定性，而UPE材料隨放電的持續(xù)進行，性能劣化程度嚴重，不能滿足推力器長期穩(wěn)定工作的需求。

圖9 不同工質(zhì)輸出參數(shù)隨放電次數(shù)的變化Fig.9 Output parameters of the CDPPT with different propellant under different firing number

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了四種聚合物材料工質(zhì)的毛細管型脈沖等離子體推力器的工作特性，探討了不同工質(zhì)材料下推力器放電特性、燒蝕特性、推力特性隨放電次數(shù)的變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

（1）隨放電次數(shù)增大，四種工質(zhì)材料的放電特性均呈現(xiàn)出逐漸劣化的趨勢。UPE出現(xiàn)放電不穩(wěn)定現(xiàn)象且在相同放電次數(shù)下的主放電電流峰值變化率最高，ETFE在長時間放電過程中表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的放電特性。

（2）四種工質(zhì)材料的單次放電平均燒蝕質(zhì)量與單次放電能量均成線性關系。隨放電次數(shù)增大，四種材料單次放電燒蝕質(zhì)量及能量沉積密度均逐漸降低。在相同放電次數(shù)下，ETFE的單次放電燒蝕質(zhì)量變化率最大，POM的能量沉積密度變化率最大。由于POM的熱解溫度較低，相比于能量沉積密度對單次燒蝕質(zhì)量的影響，滯后燒蝕效應對其影響更為突出。

（3）四種工質(zhì)材料的元沖量與單次放電能量成線性關系。在相同放電能量下，ETFE的元沖量和推功比最大，UPE的比沖最大，POM具有最高的推力效率。隨著放電次數(shù)的增大，UPE的元沖量及比沖性能參數(shù)劣化最為嚴重，PTFE和ETFE保持了相對穩(wěn)定的力學輸出性能。

（4）實際應用中必須結(jié)合航天推進任務要求選取工質(zhì)材料。本文研究表明，ETFE材料的推力器參數(shù)與PTFE較為接近，但在長期運行過程中，ETFE材料推力器輸出參數(shù)穩(wěn)定性更好，更適宜對推力器輸出性能一致性要求較高的任務需求。POM和UPE工質(zhì)具備更高的比沖參數(shù)，適合對輸出總沖量有要求，但對推力參數(shù)穩(wěn)定性無明確要求的任務場景。本文研究結(jié)果可為不同任務要求下的CDPPT工質(zhì)材料選擇提供依據(jù)。