耿金越，熊子昌，龍軍，沈巖，劉旭輝，陳君

（1.北京控制工程研究所，北京 100094；2.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191）

微陰極電弧推力器研究進(jìn)展

耿金越1，熊子昌2，龍軍1，沈巖1，劉旭輝1，陳君1

（1.北京控制工程研究所，北京 100094；2.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191）

介紹一種適用于微納衛(wèi)星的新型微電推進(jìn)方式——微陰極電弧推力器，其利用真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產(chǎn)生較高電離度的高速等離子體噴出產(chǎn)生推力，并利用外加磁場聚焦等離子體以減小羽流擴(kuò)散角、提高比沖?？偨Y(jié)了國外相關(guān)機(jī)構(gòu)大量的研究工作，并實(shí)現(xiàn)了在軌驗(yàn)證。北京控制工程研究所及其研究團(tuán)隊(duì)已攻克了陰極工質(zhì)均勻燒蝕、低電壓放電擊穿、磁場設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，完成原理樣機(jī)點(diǎn)火驗(yàn)證工作，并采用實(shí)驗(yàn)手段研究磁場對推力器影響；采用PIC/MCC方法開展數(shù)值仿真，獲得推力器內(nèi)部及羽流區(qū)相關(guān)參數(shù)分布，對其工作過程及工作機(jī)理開展研究，為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

微陰極電弧推力器；研究進(jìn)展；試驗(yàn)測試；數(shù)值仿真

0 引 言

微陰極電弧推力器（Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT）[1-3]是由美國喬治華盛頓大學(xué)（George Washington University）近年來研制的一種新型推力器，其利用真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產(chǎn)生較高電離度的高速等離子體，并利用外加磁場聚焦等離子體以產(chǎn)生推力。μCAT具有總沖較高、元沖量較小、系統(tǒng)質(zhì)量較低、系統(tǒng)體積較小、造價低廉等優(yōu)點(diǎn)。此外，該推進(jìn)模塊結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，可發(fā)展為即插即用部組件；并且該推進(jìn)模塊中使用的絕大部分零件可直接采購或加工難度較低，易于批量化生成，能夠滿足微小衛(wèi)星對推進(jìn)模塊的需求。

典型的環(huán)型微陰極電弧推力器如圖 1所示，主要包括陽極、陰極、電極間的陶瓷絕緣層和同軸的外磁線圈等。為了便于研究可以人為地將整個工作過程分為兩個階段：首先，脈沖放電的真空電弧在陰極表面收縮成電流密度很高且在磁場作用下不斷運(yùn)動的陰極斑點(diǎn)，燒蝕陰極材料形成較高電離度的高速等離子體；隨后，高度電離的等離子體在多物理場耦合作用下加速噴出，產(chǎn)生推力。由于μCAT采用金屬陰極作為推進(jìn)劑，使其效率較特氟龍作為推進(jìn)劑的傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器（Pulsed Plasma Thruster，PPT）有較大提高[2]；在加速的過程中外部磁場提高了等離子體軸向速度、減小了羽流發(fā)散角、提高了推力器比沖（比沖最高可達(dá)3 000 s以上），μCAT是極具發(fā)展前景的微型電推進(jìn)技術(shù)之一。

圖1 微陰極電弧推力器示意圖[1]Fig.1 Illustration of the micro cathode arc thruster

由于微陰極電弧推力器在各方面體現(xiàn)出的明顯優(yōu)勢，已被美國選中作為微納衛(wèi)星姿軌控的推進(jìn)方案之一，并在2015年5月將集成了4個μCAT的BRICSat-P星（1.5 U立方體衛(wèi)星，NO 83/Navy-OSCAR 83）搭載“阿特拉斯5號”（Atlas-5）火箭發(fā)射升空，開展了在軌驗(yàn)證工作[4]，并完成了消旋任務(wù)。

本文首先介紹國外在基礎(chǔ)理論、樣機(jī)研制及數(shù)值仿真等方面的研究情況，分析了微陰極電弧推力器的關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開展推力器的研制工作及數(shù)值仿真研究，分析微陰極電弧推力器內(nèi)等離子體的加速過程。

1 國外研究現(xiàn)狀

1.1 基礎(chǔ)理論研究

微陰極電弧推力器的基礎(chǔ)理論涉及真空電弧、電磁加速和等離子體等多方面理論。前人主要研究了陰極電弧推力產(chǎn)生機(jī)理及其等離子體特性。

陰極電弧現(xiàn)象及其電推進(jìn)應(yīng)用可行性是最早開展的研究領(lǐng)域。早在1930年，Plyutto[5]就對真空中銅陰極產(chǎn)生的等離子體及大粒子進(jìn)行了觀察，并發(fā)現(xiàn)高速等離子體流產(chǎn)生了可觀的推力。同時，Gilmour[6]還研究了真空電弧穩(wěn)定性，并發(fā)現(xiàn)：在放電過程中，陰極材料在垂直于陰極表面的方向有所損耗，等離子體密度在此方向上呈最大的余弦分布，大粒子多停留在陰極表面且數(shù)量與陰極材料及電流密切相關(guān)。Gilmour[7]研究了將陰極電弧應(yīng)用于電推進(jìn)的可行性。研究發(fā)現(xiàn)：由于陰極材料的氣化及電離會產(chǎn)生一條導(dǎo)電路徑，從而實(shí)現(xiàn)真空電??；使用外加磁場可以提高推力器產(chǎn)生的推力。

陰極電弧等離子體特性研究有助于人們深入了解陰極電弧及其推力產(chǎn)生機(jī)理。Plyutto測試并分析了所產(chǎn)生的等離子體典型參數(shù)。Gilmour也對真空電弧的某些等離子體特征參數(shù)進(jìn)行了研究，并且發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)材料及工作條件一定時，陰極的消耗率是常數(shù)；②真空電弧的陰極熾點(diǎn)是由離散點(diǎn)組成，每個點(diǎn)表示小范圍電流的產(chǎn)生，不同的材料擁有不同的電流激發(fā)閾值，但沸點(diǎn)較高的材料可能不表現(xiàn)離散點(diǎn)特性；③熾點(diǎn)和電弧有一定隨機(jī)性，且持續(xù)時間有限。陰極熾點(diǎn)附近壓強(qiáng)、電流及溫度梯度很高。Dorodnov[8]討論了真空電弧中燒蝕率及等離子體團(tuán)的性質(zhì)。Anders[9-10]研究了點(diǎn)火電極與陰極間產(chǎn)生的“高壓閃絡(luò)”過程。Niansheng Qi[11-13]通過實(shí)驗(yàn)研究了真空電弧的性質(zhì)，認(rèn)為從陰極熾點(diǎn)發(fā)射出的等離子體羽流速度達(dá)10 000～30 000 m/s的速度，并且離子通常為1～3價電離狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中的電弧電流、脈沖寬度及頻率均可調(diào)。此外，Niansheng Qi[14]分析了樣機(jī)（不含外加磁場）的電場加速、大粒子碰撞和電子離子碰撞等多種加速機(jī)制，電子電離碰撞所起的作用最大。

由此可見，研究人員對真空電弧等離子體產(chǎn)生、性質(zhì)和加速等過程研究較多，但對陰極燒蝕理論關(guān)注不夠。陰極燒蝕特性決定了推力器材料消耗及初始狀態(tài)，直接影響微陰極電弧推力器性能和壽命，是微陰極電弧推力器理論基礎(chǔ)研究的重要部分。

1.2 樣機(jī)研制

微陰極電弧推力器是基于真空電弧的脈沖式微型電推力器，其工作原理見圖 2。在電源處理單元（Power Processing Unit，PPU）方面采用電感儲能電路，通過絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的快速開關(guān)在電極上施加較高的電壓，使得電極間發(fā)生擊穿放電；此外推力器方面，除了改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)外，還通過施加專門設(shè)計(jì)的外加磁場提高推力器比沖，降低羽流發(fā)散角。

圖2 微陰極電弧推力器控制電路及儲能機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Illustration of control circuit and energy storage module for the μCAT

Michael Keidar研究團(tuán)隊(duì)在2010年前后對微陰極電弧推力器進(jìn)行了深入研究，大大推進(jìn)了微陰極電弧推力器工程化的研究水平[1-4，15-21]。Michael Keidar比較了多種電推進(jìn)微推力器的性能，研制了微陰極電弧推力器樣機(jī)，并建立了微陰極電弧推力器測試系統(tǒng)。Michael Keidar、Taisen Zhuang及其研究團(tuán)隊(duì)研制了適用于微陰極電弧推力器的推力測試臺（如圖 3所示），并使用多個探針測試了不同磁場強(qiáng)度下的離子時空分布情況，使用CCD及同心圓形探針測試了微陰極電弧推力器的羽流（如圖 4所示），并研究了外加磁場對推力器性能的影響（如圖 5所示）。Patrick Vail測試了微陰極電弧推力器的元沖量，并計(jì)算了樣機(jī)的效率。Dereck Chiu研制了使用兩種陰極材料的雙模式微陰極電弧推力器，并測試了其相關(guān)性能。

Taisen Zhuang還對微陰極電弧推力器作為矢量控制方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過采用3個磁線圈，即在微陰極電弧推力器外增加3個不同軸的磁線圈（如圖 6所示）。采用這種設(shè)計(jì)，當(dāng)只有一個勵磁線圈工作時可以使得微陰極電弧推力器具有3個方向的矢量控制作用，但是當(dāng)3個勵磁線圈以一定的方式同時供電工作時微陰極電弧推力器則可以提供360°的矢量控制，這對于微陰極電弧推力器如此小的推力器來說極具吸引力。此外，通過控制勵磁線圈中勵磁電流的大小，還可以調(diào)節(jié)微陰極電弧推力器矢量控制時推力偏轉(zhuǎn)的角度。

圖3 微推力測試臺Fig.3 Micro thrust bed test

圖4 離子空間分布測量探針示意圖Fig.4 Illustration of probe for the ion distributions

圖5 外加磁場對微陰極電弧推力器羽流對比Fig.5 Comparison of external magnetic fields on the μCAT plume

圖6 矢量控制的微陰極電弧推力器示意圖Fig.6 Illustration of the vector control for the μCAT

1.3 數(shù)值仿真研究

關(guān)于微陰極電弧推力器仿真研究的文獻(xiàn)較少。Lubos Brieda[22]使用Starfish仿真代碼模擬了二維微陰極電弧推力器流場，其中入口條件由實(shí)驗(yàn)測得。雖然仍存在一些待解決的問題，但計(jì)算結(jié)果反映了一定趨勢，可為樣機(jī)小型化提供幫助。Thomas Andrew Denz通過外加固定磁場研究了不同的磁場分布，主要包括不同磁芯位置、電磁線圈數(shù)量及曲率對推力器的影響。Taisen Zhuang使用FEMM磁場模擬軟件模擬了非均勻磁場的分布情況（如圖 7所示）。

由圖 7可見，微陰極電弧推力器仿真研究尚處于初步階段。模型多依賴實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且未能實(shí)現(xiàn)推力器整個工作過程仿真。開展相關(guān)方面的研究將有助于進(jìn)一步理解推力器內(nèi)部等離子體加速過程，縮短工程樣機(jī)的研制周期，并有效提高推力器性能。

圖7 磁場分布情況的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Distribution of magnetic field by numerical simulation

1.3 國外研究及制約微陰極電弧推力發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)小結(jié)

國外針對微陰極電弧推力器進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，完成了工程樣機(jī)研制，且美國實(shí)現(xiàn)了初步的在軌驗(yàn)證工作?，F(xiàn)將制約微陰極電弧推力器工程化的關(guān)鍵技術(shù)予以總結(jié)。

1.3.1 陰極電弧燒蝕理論

陰極作為微陰極電弧推力器的電極和推進(jìn)劑，直接決定了微陰極電弧推力器的燒蝕過程，并會對推力器性能和壽命產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。為提高推力器性能，研究人員通過實(shí)驗(yàn)研究了鈦、鎂、銅、鋰等多種材料作為陰極的燒蝕情況，并考慮了多種材料混合應(yīng)用以提高推力器性能。但由于缺乏恰當(dāng)?shù)年帢O材料熱物性模型和數(shù)據(jù)，無法從理論角度闡釋陰極燒蝕對推力器性能的影響。此外，陰極燒蝕也與推力器壽命密切相關(guān)。一方面，陰極消耗會決定推力器的壽命；另一方面，陰極構(gòu)型的不規(guī)則燒蝕以及長時間工作電性能退化引起的燒蝕變化，也對推力器壽命有著不可忽略的影響。

然而，直接通過材料燒蝕試驗(yàn)開展陰極材料燒蝕研究較為困難。目前的燒蝕試驗(yàn)總體上尚處于宏觀量測量水平，并且測量誤差較大。絕大多數(shù)燒蝕實(shí)驗(yàn)通過測量多次點(diǎn)火平均燒蝕質(zhì)量獲得平均燒蝕率，但儀器精度和推力器重復(fù)性等因素會大大影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此，陰極燒蝕理論研究對于推力器工程化研究至關(guān)重要，需要大力推進(jìn)相關(guān)的理論和數(shù)值仿真研究。

1.3.2 工作過程模擬

微陰極電弧推力器工作過程極其復(fù)雜，涉及到熱、電、磁等多種物理場的相互耦合，需要建立準(zhǔn)確的模型模擬推力器工作機(jī)理。

從目前的國外研究狀況看，微陰極電弧推力器的數(shù)值模擬需要提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為輸入?yún)?shù)，例如燒蝕質(zhì)量和電流等參數(shù)需要實(shí)驗(yàn)確定再代入到仿真模型中，這樣的仿真無法為設(shè)計(jì)提供全面支持。因此需要借助燒蝕理論研究建立，并借助等離子體理論獲得等離子體電參數(shù)建立電路模型，建立包括燒蝕模型和電路模型在內(nèi)的完整數(shù)值模擬模型才能對整個推力器工作過程進(jìn)行仿真，為樣機(jī)研制及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1.3.3 微推力測試

微陰極電弧推力器的元沖量測量是測試系統(tǒng)的難點(diǎn)。微陰極電弧推力器的元沖量為μN(yùn)s量級，而目前常見微推力測試裝置只能測量幾十μN(yùn)s量級，尚無法滿足微陰極電弧推力器的元沖量測試需求。在測量如此小沖量的同時，微推力測量裝置還需要具有一定的抗干擾能力。試驗(yàn)時真空機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生機(jī)械振動；推力工作時也存在電磁干擾。這些均會影響微推力測量裝置的有效輸出。因此微推力測試技術(shù)是研制微陰極電弧推力器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 國內(nèi)產(chǎn)品研制及試驗(yàn)研究

北京控制工程研究所于2014年開始關(guān)注μCAT的研究，并開展了預(yù)先研究工作[23-25]，先后完成了方案設(shè)計(jì)，攻克了陰極工質(zhì)均勻燒蝕、低電壓放電擊穿、磁場設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，并完成了原理樣機(jī)驗(yàn)證工作?，F(xiàn)已完成環(huán)型和同軸型兩種μCAT。

圖8為北京控制工程研究所研制的μCAT樣機(jī)（包括PPU模塊和推力器頭部）。其中PPU模塊尺寸為100 mm × 100 mm × 30 mm（0.3 U），通過電感線圈和IGBT快速開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了從5～28 V的供電電壓起，瞬間升至800 V以上的能力，保證了推力器能夠可靠擊穿放電工作；推力器頭部主要由陰極、陽極、陶瓷絕緣環(huán)及彈簧和外殼組成：①綜合考慮燒蝕速率、效率及粒子發(fā)射速度等因素，陰極選用金屬鈦；②考慮到導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及避免陽極燒蝕，陽極材料采用金屬銅；③為了實(shí)現(xiàn)低電壓放電擊穿，在陶瓷表面鍍上了一層導(dǎo)電薄膜，提供放電初期的背景粒子。

圖9為樣機(jī)點(diǎn)火照片，可以看到明亮的陰極弧斑，燒蝕后形成的陰極斑點(diǎn)見圖 10。圖 11為陰極斑點(diǎn)燒蝕過程中的放電電壓變化曲線，工作過程中首先IGBT導(dǎo)通，進(jìn)行電感線圈充電儲能，隨著IGBT的快速斷開，在微陰極電弧推力器的陰極和陽極之間產(chǎn)生數(shù)百伏的高壓，完成了擊穿放電，陰極斑點(diǎn)燒蝕陰極產(chǎn)生的等離子體承載著電極間的電流，隨著高速等離子體噴出，一次放電過程結(jié)束，而電感兩端再次產(chǎn)生反電動勢，形成第二個較低的高電壓峰。

圖8 μCAT樣機(jī)Fig.8 Prototype of the μCAT

圖9 μCAT點(diǎn)火照片F(xiàn)ig.9 Picture of the μCAT lighting

圖10 陰極燒蝕斑點(diǎn)Fig.10 Cathode ablation spots

圖11 放電電壓變化曲線Fig.11 The discharge voltage

此外，還采用TOF方法用雙法拉第筒通過實(shí)驗(yàn)測量方法研究了磁場對微陰極電弧推力器工作的影響，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小獲得各磁感應(yīng)強(qiáng)度下等離子體的速度，隨著磁場強(qiáng)度增加等離子體速度增大，測量結(jié)果如圖 12所示。

圖12 不同磁場下等離子體速度Fig.12 Plasma velocity under different magnetic fields

3 國內(nèi)數(shù)值仿真研究

北京控制工程研究所與相關(guān)合作單位還采用PIC/ MCC方法開展了μCAT推力器通道內(nèi)及羽流區(qū)等離子體加速機(jī)制的初步仿真工作[25]。首先針對喬治華盛頓大學(xué)研制的環(huán)型μCAT推力器進(jìn)行仿真（部分結(jié)果見圖 13～15），并與文獻(xiàn)[22]報(bào)道結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果趨勢、等離子體參數(shù)量級基本一致，驗(yàn)證了本項(xiàng)目擬采用的模型和方法的可行性。

圖13 計(jì)算域內(nèi)離子數(shù)密度分布Fig.13 Distribution of ion number density in the simulation domain

圖14 計(jì)算域內(nèi)電子數(shù)密度分布Fig.14 Distribution of electron number density in the simulation domain

圖15 計(jì)算域內(nèi)電勢分布Fig.15 Distribution of potential in the simulation domain

采用PIC/MCC方法對自研的同軸型μCAT進(jìn)行數(shù)值仿真（部分結(jié)果見圖 16～19），通過模擬可知，離子在陰極表面形成局部高電勢的虛陽極；電子被磁化，被牢牢地束縛在磁感線的周圍，形成局部低電勢通道；使得離子會沿此通道加速定向噴出，可以觀察到明顯的沿磁感線的離子主流區(qū)。

圖16 微陰極電弧推力器磁場分布Fig.16 Distribution of magnetic field in the μCAT

圖17 電子數(shù)密度分布Fig.17 Distribution of electron number density

圖18 離子數(shù)密度分布Fig.18 Distribution of ion number density

圖19 電勢分布Fig.19 Distribution of potential

4 結(jié) 論

微陰極電弧推力器具有體積小、重量輕、比沖較高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于實(shí)現(xiàn)模塊化等優(yōu)點(diǎn)，已被美國選中作為微納衛(wèi)星姿軌控的推進(jìn)方案之一，并開展了在軌驗(yàn)證工作。

國外針對微陰極電弧推力器開展了基礎(chǔ)理論研究、樣機(jī)研制和數(shù)值仿真研究等大量的研究工作。本文針對國外研究進(jìn)展總結(jié)出制約其工程化的關(guān)鍵技術(shù)包括陰極電弧燒蝕理論、工作過程仿真分析及微推力測試等。

北京控制工程研究所及相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)已研制了環(huán)型和同軸型兩種μCAT，并進(jìn)行了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和原理驗(yàn)證工作，獲得推力器工作過程的電參數(shù)變化情況，還采用實(shí)驗(yàn)方法研究了不同磁場對推力器的影響，隨磁場增強(qiáng)等離子體速度增大；針對μCAT內(nèi)高度電離的等離子體在多物理場耦合作用的加速過程采用PIC/MCC方法進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得了電子數(shù)密度分布、離子數(shù)密度分布、電勢分布等參數(shù)，通過模擬結(jié)果可知，電子被磁化并牢牢地束縛在磁感線的周圍，形成局部低電勢通道，使得離子會沿此通道加速定向噴出，可以觀察到明顯的沿磁感線的離子主流區(qū)。

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The Research Progress in the Micro-Cathode Arc Thruster

GENG Jinyue1，XIONG Zichang2，LONG Jun1，SHEN Yan1，LIU Xuhui1，CHEN Jun1
（1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100094，China；2.School of Astronautics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

A new micro electric propulsion，micro-cathode arc thruster (μCAT)，is introduced.The μCAT is based on the vacuum arc process where an arc flows through a medium between two electrodes.The high ionized plasma is produced by the cathode spot ablation and then spell out to produce the thrust.The magnetic field is applied to focus the plasma plume and increase the specific impulse.A lot of researches on the μCAT have been conducted in the foreign institutes，and the μCAT has been verified on orbit in USA.In China，Beijing Institute of Control Engineering (BICE) has made breakthroughs in the key technologies including uniform ablation on the cathode，low voltage discharge，magnetic field design，etc.The influences of magnetic fields on the thruster are studied by experimental measurement.And the numerical simulations are conducted to obtain the plasma information in the thruster and plume region and study the work process and mechanism.The research will lay the foundation for engineering applications.

micro cathode arc thruster；research progress；experimental measure；numerical simulation

V439+.4

A

2095-7777（2017）03-0212-07

[責(zé)任編輯：楊曉燕，英文審校：朱魯青]

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.002

耿金越，熊子昌，龍軍，等.微陰極電弧推力器研究進(jìn)展[J].深空探測學(xué)報(bào)，2017，4（3）：212-218，231.

Reference format：Geng J Y，Xiong Z C，Long J，et al.The research progress in the micro-cathode arc thruster[J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（3）：212-218，231.

2017-03-30

2017-05-20

載人航天預(yù)研支持項(xiàng)目（050303）

耿金越（1986- ），男，博士，工程師，主要研究方向：空間電推進(jìn)技術(shù)。

通信地址：北京市海淀區(qū)友誼路104號北京控制工程研究所（100094）電話：（010）68112260

E-mail：jinyuegeng@163.com

沈巖（1978- ），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：空間電推進(jìn)技術(shù)。本文通信作者。

通信地址：北京市海淀區(qū)友誼路104號院北京控制工程研究所（100094）

電話：（010）68112255

E-mail：shenyan7806@163.com