• 头条学术前沿:微小卫星的电推进系统最新研究综述
    2019-05-28 作者:王亚楠、丁卫东等  |  来源:《世界杯外围滚球》  |  点击率:
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    导语毛细管型脉冲等离子体推力器具有结构简单,可靠性高,输出参数可调节范围宽的特点。与传统脉冲等离子体推力器相比,在低功率条件下,其推功比和总体效率有较大提升,在微小卫星领域具有较好的应用前景。

    (原文标题为“毛细管型脉冲等离子体推力器研究现状综述”)

    西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室的研究人员王亚楠、丁卫东等,在2018年第22期《世界杯外围滚球》上撰文指出,毛细管型脉冲等离子体推力器是一种高性能微型电推进系统。它利用放电电弧在腔体内部烧蚀管壁材料,材料消融产生的等离子体在压力梯度下加速喷射产生推力。

    毛细管型脉冲等离子体推力器具有结构简单,可靠性高,输出参数可调节范围宽的特点。与传统脉冲等离子体推力器相比,在低功率条件下,其推功比和总体效率有较大提升,在微小卫星领域具有较好的应用前景。

    毛细管型推力器研究包括推力器结构设计、关键部件及电源研制、工作机制研究、工作特性诊断、性能参数优化等,本文调研了日本、美国、德国等研究机构的相关研究成果,并对毛细管型脉冲等离子体推力器的研究现状进行评述。

    随着低温等离子体技术的不断发展,其在生物医学、材料处理、环境保护、薄膜沉积和物质合成转换等领域得到了广泛的应用。电推进技术是低温等离子体在航天技术领域的重要应用,是一种先进的推进技术。

    传统冷气推进的技术难度较低,易于实现,且功耗低,但是其比冲较低(一般仅有60s左右),由于卫星体积、重量的限制无法实现较大的总冲;化学推进的比冲有了较大幅度的提升,可达200s量级,但最小推力(最小元冲量)较大,且通常不具备宽范围调节能力。

    电推进系统利用电能加热、电离和加速推进剂使其形成高速射流而产生推力。电推进系统通常具备很高的比冲参数,这大大降低了其工质消耗量,对于提高航天器有效荷载有重要意义。此外,电推力器输出推力或元冲量较小,能够满足航天器执行轨道转移、姿态调整任务时的精密调节需求。

    典型的电推力器主要包括霍尔推力器(Hall thruster)、离子推力器(ion thruster)、脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster, PPT)等。到目前为止,美国、俄罗斯、日本、中国、法国等许多国家已对电推进技术进行了广泛而深入的研究,并成功地将不同型号电推进系统应用在卫星中承担飞行任务[8]。电推进技术也成为等离子体领域热门研究方向之一。

    随着航天技术的不断发展,电推进系统的应用场合也逐渐向微小卫星拓展。微小卫星总体功率有限,因此低功耗微电推力器得到广泛关注。表1所示为典型的低功率电推进系统性能参数对比[9-13]。

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    表1 典型低功率电推进系统参数

    目前,电推进应用包括无拖曳控制、大气阻尼补偿、轨道维持、姿态控制等,其中无拖曳控制和大气阻尼补偿主要是采用离子电推进,轨道维持主要是利用霍尔电推进和电热推进,姿态控制主要是利用脉冲等离子体推力器。实际情况中,将根据不同空间任务选择对应参数的推力器系统。

    脉冲等离子体推力器结构简单,采用固体工质,无需复杂的贮供部件,且具备小功率下的高比冲能力。推力器采用脉冲工作模式,可以降低电源部分的复杂性,提供较小元冲量(达◆N·s量级)和较高总冲,能够满足微纳卫星长寿命和精确姿轨控制的需求,得到了广泛的应用[14-22]。然而,目前对PPT的研究仍然不够深入,无论从理论研究或是工程角度而言,依然存在以下亟须解决的主要问题:

    (1)存在滞后烧蚀效应(Late Time Ablation,LTA),工质利用率低下[22-25]。

    (2)中性粒子成分比重较大,无法获得电磁加速作用,系统效率低下。

    (3)在低能量水平下(通常指10J及以下量级),系统能量主要消耗于工质烧蚀过程,电磁加速过程能量分配少,推力器性能劣化严重[26]。针对微小卫星对高性能微推力器的需求,有学者研制了利用毛细管消融放电产生等离子射流,进而获得推力的微型推进系统,简称为毛细管型脉冲等离子体推力器[27]。

    1 毛细管型脉冲等离子体推力器主要特点

    毛细管型脉冲等离子体推力器是一种以电热加速为主的脉冲等离子体推力器,图1为传统PPT与毛细管型PPT的基本结构对比示意图。

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    图1 PPT结构示意图对比

    毛细管型脉冲等离子体的工作过程可以概括为:毛细管放电时,通过毛细管管壁材料烧蚀对电弧进行冷却,对腔体内的电弧进行约束,而产生的烧蚀产物在电弧的高温作用下分解、解离、加热并电离成为等离子体,以补充因喷射而造成的等离子体的损失。在电弧高温烧蚀作用下,毛细管腔体内迅速被高温等离子体所充斥,腔体内压强和温度快速升高,向外形成等离子体射流喷射。

    毛细管推力器主要利用电热加速作用,在低放电能量条件下,与传统PPT结构相比具备以下优势:(1)电热加速作用对中性粒子和带电粒子均有良好的加速效果,提高了总体效率;(2)滞后烧蚀产物依旧可被加速,无滞后烧蚀效应,提高了工质利用率;(3)放电弧道能量沉积效率高,进一步提高了总体效率;(4)毛细管推力器推功比高,拓展了脉冲等离子体推力器的应用范围;(5)毛细管放电等离子体粒子密度较高,适合附加加速电极等结构的优化。

    目前,关于脉冲等离子体推力器的研究主要集中在电磁型推力器上,已在轨应用的PPT也多为电磁型PPT。随着微纳卫星的发展,在低能量应用下具备优势的毛细管型推力器逐渐成为研究热点。日本于2012年率先进行了毛细管型推力器在轨功能验证。表2所示为主要研究机构研制毛细管推力器与传统PPT参数对比。

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    表2 典型毛细管型PPT参数

    本文系统调研了国内外相关毛细管型脉冲等离子体推力器研究现状,并对其进行评述。目前,我国主要由部分高校开展传统PPT的相关研究,毛细管型推力器相关研究尚未见报道。毛细管型脉冲等离子体推力器作为具备潜力的高性能微推进系统值得关注,应展开研究并加快其工程化应用。

    2 毛细管型脉冲等离子体推力器结构设计

    毛细管型脉冲等离子体推力器主体构件包括阳极、阴极喷嘴、毛细管腔体及触发器。毛细管型脉冲等离子体推力器利用电弧对毛细管管壁材料烧蚀,形成高温高密等离子体射流,在此过程中,阳极形状、阴极喷嘴半张角以及毛细管腔体的尺寸均会对等离子体电弧的形成和发展过程产生影响,进而影响推力器的整体输出性能。

    日本大阪工业大学Hirokazu Tahara等于2003年开始对毛细管型脉冲等离子体推力器进行研究[31],于2007开展PROITERES一期计划并于2012年在微纳卫星上通过执行轨道提升任务实现在轨验证。推力器设计结构如图2所示。

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    图2 大阪工业大学2.43J毛细管型推力器结构示意图

    Hirokazu研究了在初始能量2.43J时,毛细管长度及直径(毛细管长度范围为5~10mm,直径范围为1~3mm)对推力器元冲量及比冲的影响规律[32]。研究表明随毛细管长度的增大,元冲量增大而比冲减小;随毛细管直径的增大,元冲量减小而比冲增大,同时总体推力效率保持基本恒定。

    此外,Hirokazu利用长度9mm、直径1mm的毛细管腔体以1Hz频率连续工作53 000次累计获得了5N·s的总冲量,在此期间,元冲量随放电次数增加而显著降低。

    Hirokazu等于2010年开展PROITERES二期计划,研究了在单次放电能量31.59J,毛细管直径4mm下,毛细管长度在20~50mm范围内其对推力器输出特性的影响[33]。实验结果表明推力器元冲量和比冲参数存在最佳长度和内径配合方式,同时利用长度50mm、直径4mm的毛细管腔体可在10 000次重频工作后获得19.4N·s的总冲量。

    此外,为满足任务要求,进一步提高推力器寿命及推力水平,Hirokazu设计了多腔体阵列型推力器结构,可通过控制火花塞选通调节推力器工作模式,其结构如图3所示。

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    图3 大阪工业大学多腔体阵列推力器结构示意图

    针对上述多腔体阵列型PPT结构中附加部件较多导致的推进系统总体质量较大,同时由于固定件较少造成腔体结构一致性差等问题,Hirokazu等在2017年研制了第三代推力器,并命名为MDR-PPT[34]。通过改进单根毛细管型PPT结构使推力器在具有相同腔体数量时推进系统总体质量减轻33%,同时由于毛细管间采用独立腔体设计,保证了放电的一致性。

    图4中分别是单根毛细管型推力器结构及改进型多腔体毛细管型PPT结构。其中放电腔体长度为50mm,直径为4mm。单根毛细管在80 000次工作后可获得81N·s的总冲量。

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    图4 大阪工业大学3rd MDR-PPT单根毛细管推力器及总体结构示意图

    日本大阪大学Toshiaki Edamitsu等分别研究了单次放电能量为5.35J和21.4J时毛细管长度、推进剂工质和阴极喷嘴长度对推力器输出性能的影 响[35]。结果表明随毛细管长度增加,能量沉积效率增大而等离子体加速效率降低,此时存在最佳腔体长度。

    同时,在给定的毛细管长度下,比冲及效率随初始放电能量增大而提高。以聚乙烯为推进剂工质时,与聚四氟乙烯相比,推力器比冲可显著提高,而元冲量降低,同时工质表面易发生炭化影响放电的稳定性。随阴极喷嘴长度增大,元冲量、比冲及推力效率增大且有饱和趋势。

    为在相同单次放电能量下减小元冲量随放电次数的下降率以增加推力器总冲量,Toshiaki Edamitsu设计了毛细管阵列结构,利用单毛细管放电引发阵列放电,有效减少了火花塞数量并降低了元冲量的下降速率,显著提高了推力器寿命及总冲量,阵列型结构及放电图像如图5所示。

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    图5 大阪大学多通道毛细管推力器结构图及放电图像

    日本东京都立大学Junichiro Aoyagi等研究了阴极喷嘴半张角对推力器输出元冲量、比冲和总体效率的影响[36]。实验结果表明,喷嘴半张角会约束等离子体射流形态,元冲量、比冲和效率会随阴极喷嘴半张角的增大先增大后减小,最佳半张角为20°附近范围。

    此外,为提高推力器总冲量,Junichiro Aoyagi设计了步进电机控制的轮盘式毛细管腔体更换系统,结构如图6所示。在单次放电能量为10J下,工作150 000次后实现54.6N·s的总冲量。

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    图6 东京都立大学轮盘式工质送料结构

    美国爱德华兹空军基地A. P. Pancotti等研究了金属丝爆、巴申击穿和三电极沿面闪络三种不同触发方式下毛细管型脉冲等离子体推力器的放电特 性[37],其中利用三电极沿面闪络触发方式可获得比冲350~650s,效率8%~18%的最佳输出性能,同时保证了推力器工作稳定性及重频性能最优,基于三电极触发的毛细管型推力器结构如图7所示。

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    图7 爱德华兹空军基地三电极触发型毛细管推力器结构

    美国伊利诺伊大学Rodney L. Burton等利用PPT◆7型同轴电热式脉冲等离子体推力器研究了不同毛细管腔体尺寸[37](直径8~17mm,长度20~50mm)及单次放电能量(10~70J)对推力器有关性能的影响,PPT◆7结构如图8所示。

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    图8 伊利诺伊大学PPT7结构

    研究表明随单次放电能量增大,单位能量下单次平均烧蚀质量逐渐下降,比冲及元冲量增大且呈饱和趋势。比冲及元冲量随毛细管尺寸的变化规律与其他机构研究结果相似。特别地,该实验发现比冲随毛细管长度的增大先增大后减小,在给定内径范围中存在最佳尺寸配合方式。

    美国普林斯顿大学Thomas E. Markusic等为提高传统毛细管型脉冲等离子体推力器推功比及推进剂工质利用效率[38],研究了基于Z箍缩原理的新型毛细管推力器,在工作过程中,由于自感磁场的约束,在轴向上形成压力梯度,等离子体电弧沿阳极运动并脱离工质表面,使工质表面温度得以冷却以减弱滞后烧蚀效应,同时可使带电粒子获得电磁加速作用,电极结构及放电图像如图9所示。可在130J初始放电能量下,获得比冲525s,推功比50◆N/W,效率12%的输出性能。

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    图9 普林斯顿大学Z-Pinch型PPT电极结构及放电图像

    德国斯图加特大学Matthias Lau等设计了3J能量水平下的毛细管型推力器PET,结构如图10所 示[39,40]。研究表明为提高推力器元冲量,可通过增加放电频率及单次放电能量、减小毛细管腔体直径,采用掺杂型聚四氟乙烯工质和减小回路寄生电感等途径实现。

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    图10 斯图加特大学PET结构

    3 毛细管型脉冲等离子体推力器工作特性研究(有略节)

    毛细管型脉冲等离子体推力器利用电弧烧蚀毛细管腔壁使其分解、电离为等离子体,腔体内温度和压强不断增大并向外喷射等离子体。在此过程中,电容器、传输线和电极等效回路电阻热损耗以及电弧在烧蚀过程时产生的对流、辐射和冻结流等损耗,是限制毛细管推力器效率提升的关键制约因素。毛细管型脉冲等离子体推力器主放电回路能量流动示意图如图11所示[41]。

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    图11 毛细管型脉冲等离子体推力器能量流动图

    各国研究机构对毛细管型脉冲等离子体推力器进行的电学特性分析主要通过测量主放电电压、电流波形,触发电压、电流波形计算回路等效参数,并据此分析弧道沉积能量及能量转化效率。

    日本岐阜大学Takeshi Miyasaka等设计了“GOS-II”毛细管型脉冲等离子体推力器[42],实验装置结构如图12a所示,并假设其主放电为典型的R-L-C放电,典型放电电流波形如图12b所示。

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    图12 岐阜大学GOS-II实验装置结构及典型放电电流波形

    Takeshi Miyasaka研究了不同毛细管长度(5~25mm)及直径(2mm和3mm)下的放电特性。实验结果表明随毛细管直径的减小和长度的增大,等离子体通道等效阻抗增大,与此同时,弧道沉积能量效率提高。特别地,在毛细管直径为3mm时存在最佳毛细管长度使能量沉积效率最高。

    日本东京都立大学Junji Uezu等将利用式(5)~式(8)所计算出的弧道等效阻抗定义为放电初始条件[36],并利用该初始条件及电路方程对“PPT-Co II”推力器放电电流波形进行拟合,结果发现拟合波形在前半周期与实验所测波形重合度较好,而在后半周期幅值明显大于实验所测波形。

    其假设在放电过程中弧道等效阻抗线性增长,并利用放电电流波形中二、三峰值计算后半周期等效阻抗,并借此拟合等离子体阻抗整体变化趋势。根据该拟合结果对放电电流波形进行分析发现:在全放电周期过程中,所拟合的放电电流波形与实际测量波形具有较好的一致性。拟合曲线及实测波形如图13所示。

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    图13 PPT-Co II放电电流波形拟合

    主放电过程中等离子体等效阻抗的变化会对放电通道中的沉积能量产生影响,而沉积的能量将通过焦耳热进一步使等离子体温度及电子数密度发生变化进而影响等效阻抗。由此可知,在该过程中存在复杂的电热耦合关系,而Junji Uezu等从宏观角度对等离子体等效阻抗的变化进行了分析,虽在一定程度上与实测波形具有较好的一致性,但并未从微观层面上解释该拟合方法的科学性。

    同时Junji Uezu研究发现等离子体通道电感随毛细管长度增大基本保持恒定,同时等效电阻随毛细管长度的增大而线性增大,且当毛细管直径较小时,增长程度更为显著。初始放电能量为10J,毛细管直径为3mm时,推力器整体效率保持恒定的同时,弧道能量沉积效率随腔体长度增加而增大且具有饱和趋势,这由等效阻抗的线性增长决定;而等离子体加速效率则随腔体长度增加而降低[36]。

    由脉冲等离子体推力器比冲及效率计算式可知,输出性能的计算需要对单次放电下工质烧蚀质量进行准确测量,而在低能量水平下毛细管型脉冲等离子体推力器单次放电工质烧蚀质量为数十克,且多次放电间存在较大的分散性,这对于测量单次放电前后工质质量变化存在较大的不确定性。因此各研究机构均采用上千次放电后利用精密电子天平测量对平均单次放电工质烧蚀质量进行估计,且在放电前后需考虑控制工质吸附气体的影响。

    日本大阪工业大学Hirokazu Tahara等研究单次放电平均烧蚀质量与毛细管直径及长度、放电次数、单次放电能量(5~15J)和阴极喷嘴结构的关系[35]。8.8J单次放电能量,0.5Hz重复频率工作模式下,推力器相关性能随放电次数(10000次)的变化结果如图14所示。同时,单次放电平均烧蚀质量随单次放电能量的增大和阴极喷嘴的缩短而增大。

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    图14 推力器输出性能随放电次数的变化

    4 毛细管推力器放电过程诊断及仿真建模

    毛细管推力器工作的物理过程主要包括放电过程、烧蚀过程和射流产生过程。多个物理过程相互耦合,共同决定了毛细管推力器的性能参数。对于推力器等离子体诊断,主要包括放电通道内等离子体和喷口外羽流的诊断。

    美国爱德华兹空军基地对XPPT◆1的等离子体发射光谱进行诊断,通过对C2、C+、F及F+几种特征光谱强度进行时间分辨的诊断,发现各成分发射光谱的强度变化与推力器宏观放电特性间存在密切关系。

    岐阜大学Takeshi Miyasaka等在毛细管壁上布置狭缝,研究了毛细管型推力器工作过程[42],包括等离子体的产生和射流过程。在喷口轴线方向布置光电倍增管,利用飞行时间(Time of Flight, TOF)法,测量了等离子体团粒子等效速度。并将该方法测量结果与高速摄像机、静电探针测量结果对比,验证了该方法的有效性,如图15所示。

    实验结果显示,等离子体平均速度约为10km/s。利用高速相机,可以透过毛细管壁狭缝观察工质烧蚀过程。实验结果显示,烧蚀过程远大于放电持续过程。

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    图15 岐阜大学对毛细管推力器工作过程诊断

    2007年日本东京大学对平板式PPT进行研究,通过在高速摄影机前加装滤光片的方法,对代表中性成分的C2及电离成分的C+离子运动特性进行观测[43,44]。观测结果表明,等离子体速度存在“分层”现象,带电粒子运动速度可达10~20km/s,中性成分运动速度仅为1.8km/s,中性成分速度偏低是造成PPT总体效率低下的主要原因。Kumagai等发现放电通道内等离子体以发散方式向喷口运动,而非成电流片形式整体喷射,这也是由于不同带电粒子运动速度存在差异所致。

    2013年Schönherr等利用马赫-曾德尔干涉仪和光谱仪对ADD SIMP◆LEX推力器放电通道的等离子体时空特性进行了诊断,实验平台如图16所示。结果表明,放电通道等离子体温度和密度随时间和位置改变而改变,电子密度最大可达1023m◆3,电子温度变化范围为1.7~3.1eV。

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    图16 Schönherr搭建的推力器光学诊断平台

    通过仿真研究深入揭示微观机理,阐明等离子体的宏观特性变化规律,对于脉冲等离子体推力器研究具有重要意义。毛细管型脉冲等离子体推力器工作过程的仿真研究主要集中在毛细管烧蚀过程、毛细管内等离子体流体力学和羽流流场仿真等。

    大阪大学Toshiaki Edamitsu等研制了侧面供料型毛细管等离子体推力器,并建立一维数值仿真模型分析了工质传热、烧蚀、等离子体阻抗变化过程[35]。利用该仿真模型,定量分析了在毛细管推力器工作过程中,辐射、粘滞阻力、外回路阻抗等因素造成的能量损耗,对细化推力器工作过程,深入研究各因素对推力器性能影响规律有重要意义。

    密歇根大学Michael Keidar先后建立了朗缪尔烧蚀模型和动力学烧蚀模型,描述毛细管推力器工作过程中工质烧蚀规律。结果表明,管壁烧蚀量存在轴向不均匀性,会影响毛细管内等离子体轴向分布。利用仿真结果计算了推力器的平均烧蚀质量和元冲量,与实验结果对比,有较好的一致性[45-47]。

    电热化学炮中的毛细管放电过程与毛细管推力器的工作过程有相似之处,均属于消融毛细管放电过程。不同之处在于,毛细管推力器工作环境为真空(约5×10◆3Pa);触发方式为火花塞放电引燃,不涉及金属丝爆过程;单次放电能量较低,烧蚀过程主导因素可能存在差异;毛细管推力器仿真模型需要对输出元冲量进行计算。根据研究需求,可以对电热炮中毛细管放电过程相关研究加以借鉴[48-50]。

    目前关于等离子体射流仿真建模研究较多,毛细管推力器工作过程流场模型与其有相似之处,也可借鉴其研究和分析方法[51-55]。此外,目前对推力器仿真过程均基于局部热平衡假设,但推力器在实际工况下可能尚未达到局部热平衡条件,因此,在研究中,需要借鉴其他非平衡态等离子体模型对其进行修正[56,57]。

    5 毛细管型脉冲等离子体推力器研究评述

    随着微纳卫星的发射任务不断增多,对低功率高性能的推力器提出了更高的要求,传统电磁型脉冲等离子体推力器经过数十年的发展已接近瓶颈,其效率、推功比等性能参数已靠近理论极限,优化空间较小。此外,脉冲等离子体推力器性能参数随功率降低不断劣化,难以满足对低功率高性能推力器的需求。通过文献调研,可以发现,毛细管脉冲等离子体推力器通过将以往以电磁加速为主导的工作模式改变为电热加速工作模式,获得了良好的效果。

    目前,日本、德国、美国等国已相继展开研究,并逐步进行工程性能验证。毛细管微推力器相关技术获得了长足进步,但仍存在诸多科学和技术问题需要解决,主要包括:

    (1)完善实验方法与仪器测试系统。

    目前,关于毛细管型脉冲等离子体推力器的研究手段主要包括:力学测量、电学测量、等离子体诊断以及建模仿真研究。毛细管型推力器输出元冲量范围为◆N·s量级,因此需要研制应用于微小推力测量的精密测量装置及对应的参数标定方法。电学测量包括典型放电电压与放电电流波形的测量,主要用于推力器放电过程的宏观分析。

    等离子体诊断包括发射光谱诊断,高速摄影,质谱检测等。通过等离子体检测可以获得微观粒子的状态特性分布。理论建模则包括对推力器工作过程的建模与仿真分析等。在完善各特性研究测试系统的同时,还需要不断完善实验方法与综合检测手段。借助不同角度的实验结果,深入分析推力器工作特性。

    (2)毛细管推力器工作机制。

    由于毛细管推力器单次放电周期短(通常在10◆s以内)。放电过程、烧蚀过程、等离子体喷射过程相互耦合,电气参数、结构参数等影响因素多,各因素对等离子体参数与最终输出参数作用规律尚不明晰,需要借助实验和仿真分析相结合的方法,探索各关键因素对输出参数影响机制间的作用规律,从而为推力器优化设计提供理论依据。

    (3)烧蚀过程实验与仿真研究。

    毛细管推力器腔体为聚四氟乙烯材料,在其工作过程中充当推力器工质,在电弧作用下电离、分解。烧蚀过程是推力器工作过程中的重要一环,直接影响推力器的输出特性。目前,对于烧蚀特性的研究仍不够深入,尚未阐明烧蚀过程的发展机制。

    研究烧蚀过程需要综合借助多种检测手段,深入分析放电参数等对烧蚀过程及烧蚀产物的影响。最终目的是通过烧蚀机理的研究,建立电学参数和输出参数之间内在联系。此外,还需借助数值模拟的方法,建立仿真模型,辅助实验完善对烧蚀机理的研究。

    (4)参数调控方法。

    毛细管推力器可以通过改变放电电压、放电频率获得大范围内输出参数调节。需要对放电电压、结构尺寸、极性配合对放电特性、烧蚀特性、喷射特性的影响规律进行系统的测试、分析和研究。针对推力器比冲、元冲、效率等输出参数进行深入分析,建立工作参数与输出参数之间的对应关系。在对工作机制研究的基础上,选择目标参数对应的最佳参数配合方案,最终掌握推力器参数调控方法。

    (5)工程应用优化。

    推力器真实工作时需要面对真空低温强电离等条件的恶劣太空环境,这对其系统元器件可靠性提出了更高要求。毛细管型推力器由诸多单元构成,包括电路处理单元、触发单元、推力器主体单元,各单元的寿命和稳定性决定了推力器整体性能,因此需要在地面模拟环境中开展毛细管推力器全系统寿命研究,包括工质材料、电极烧蚀情况等。研制耐烧蚀性能好的电极结构[58,59]。

    为了满足微小卫星的使用需求,还需研制先进电源系统、高性能储能单元和高集成度的电源处理模块[60]。此外,为延长推力器输出总冲,还需要结合微小卫星对推力器使用和安装要求改进毛细管结构设计、推力器工质补给或替换方式。

    6 结论

    微小卫星的不断发展对微推进系统提出了更高的要求,脉冲等离子体推力器采用固体工质,脉冲工作,具有系统简单、可靠性高、参数拓展范围宽的优点。

    然而,传统脉冲等离子体推力器性能参数随整体功率降低劣化严重,难以满足参数需求。毛细管型脉冲等离子体推力器利用消融毛细管放电,产生等离子体射流获得推力。电热加速机制使其在低功率下能够获得良好性能参数,具有良好的应用前景。

    对于毛细管型推力器的研究,一方面,需要从科学研究的角度,深入分析毛细管推力器工作机制,对所涉及的放电特性、烧蚀特性、喷射特性开展系统的理论分析、数值模拟和实验研究工作,获得参数影响规律;另一方面,需要从工程应用角度出发,不断优化毛细管推力器结构设计,开展推力器各模块的全寿命试验,提高参数输出一致性,掌握参数调控方法。

    目前,国内尚未见相关研究报道,应加快毛细管推力器相关研究,加快其工业化应用进程。