梁 軻,韓 鈺,王平陽(yáng),田雷超
(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240;2. 哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 動(dòng)力系, 哈爾濱 150030;3. 上??臻g推進(jìn)研究所,上海 201112)
近年來,微納衛(wèi)星的發(fā)展十分迅速,其主要特點(diǎn)是重量輕、體積小、成本低、研發(fā)周期短、可編組運(yùn)行[1]。在遙感、導(dǎo)航、通信、海洋探測(cè)等領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用前景,已經(jīng)成為衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展方向之一。
微陰極電弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)具備小型化、低功耗、低成本、高效率等特點(diǎn),是微納衛(wèi)星動(dòng)力裝置的理想選擇。美國(guó)喬治·華盛頓大學(xué)的Keidar和Zhuang團(tuán)隊(duì)在μCAT研究方面具有代表性,他們對(duì)μCAT的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了微推力測(cè)試臺(tái),分別對(duì)不同磁場(chǎng)下的離子速度、陰極斑點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、推力器羽流分布情況等推力器性能參數(shù)進(jìn)行了研究[2-4]。Zhuang提出通過改變外加磁場(chǎng)的位置,使其軸心與推力器軸心不重合,從而改變推力器的推力方向以達(dá)到矢量推進(jìn)的目的[5]。Fuchikami對(duì)μCAT的元沖量進(jìn)行了測(cè)量,計(jì)算了推力器效率[6]。
國(guó)內(nèi)對(duì)μCAT的研究起步較晚,北京控制工程研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所等機(jī)構(gòu)對(duì)該型推力器開展了相關(guān)研究[7-8],完成了原理樣機(jī)的驗(yàn)證工作,進(jìn)行了初步的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),但是對(duì)該型推力器,尤其是同軸型μCAT的元沖量、比沖等推力器性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究較少,尚未見有文獻(xiàn)報(bào)道。
本文針對(duì)陰極和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)構(gòu)型及脈沖電壓提供電路等部分進(jìn)行設(shè)計(jì),研制了一種同軸型μCAT,并在真空艙內(nèi)進(jìn)行了多次點(diǎn)火和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,對(duì)推力器的放電特性、陰極燒蝕量、離子電流和元沖量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析,計(jì)算得到了推力器的比沖、推力、電離率等基本性能參數(shù)。
設(shè)計(jì)目標(biāo)是推力器能夠在真空環(huán)境下多次重復(fù)穩(wěn)定點(diǎn)火,尺寸及質(zhì)量指標(biāo)符合微納衛(wèi)星對(duì)于推力器小型化的要求,元沖量和推力分別能達(dá)到μN(yùn)·s和μN(yùn)量級(jí),通過外加磁場(chǎng)可以增大推力器的推力。
本文所設(shè)計(jì)的同軸型μCAT系統(tǒng)由3部分組成(參見圖1):
1)推力器本體:包括陽(yáng)極、陰極、絕緣體、工質(zhì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)和外殼固定裝置;
2)電源處理單元(Power Process Unit, PPU):包括直流電源、方波發(fā)生器、電感裝置和場(chǎng)效應(yīng)管等;
3)外加磁場(chǎng):包括電磁線圈和磁芯。
圖2 所示為本文所研制的同軸型μCAT的實(shí)物照片,其總重約為78 g,其中本體質(zhì)量約為8.4 g。
圖2 本文研制的μCAT實(shí)物Fig. 2 Sketch of the developed μCAT
推力器本體的核心部件為陽(yáng)極、陰極及絕緣體。
本推力器的陽(yáng)極材料選用黃銅。黃銅導(dǎo)電性能好,熔點(diǎn)與硬度都比較高。陽(yáng)極的直徑為1.8 mm,較小的直徑可以使推力器的整體尺寸更小。
陰極材料選用鈦。放電陰極材料的選擇直接影響其放電特性,材料熔點(diǎn)過高,不易燒蝕;熔點(diǎn)過低,會(huì)在燒蝕時(shí)產(chǎn)生較大的金屬液滴,降低工質(zhì)的電離率。陰極為環(huán)形結(jié)構(gòu),外徑6.3 mm、內(nèi)徑4.8 mm、長(zhǎng)度8 mm,套在絕緣體外,并與絕緣體緊密配合。陰極的長(zhǎng)度決定著推力器的壽命,但是其長(zhǎng)度不能超過絕緣體的長(zhǎng)度,以防止推力器尾部放電。
陰陽(yáng)極之間的絕緣體材料采用絕緣性好、不易被擊穿的陶瓷。陰陽(yáng)極之間的放電不是擊穿絕緣體放電,而屬于沿絕緣體表面的閃絡(luò)放電[9],在絕緣體頭部涂一層導(dǎo)電薄膜可有效降低閃絡(luò)電壓。絕緣體為環(huán)形,厚1.5 mm,套在陽(yáng)極外,并與陽(yáng)極緊密配合。絕緣體的厚度要適中,過厚會(huì)導(dǎo)致放電電壓增大,過薄則易被擊穿。
在推力器中,彈簧也是重要的部件,作為簡(jiǎn)單而可靠的進(jìn)給機(jī)構(gòu),當(dāng)放電陰極頭部材料被燒蝕殆盡時(shí),彈簧會(huì)推動(dòng)陰極向前移動(dòng),以保證陰極的持續(xù)燒蝕;同時(shí),彈簧連接電源處理單元,將負(fù)電位施加在金屬陰極上。
PPU采用電感儲(chǔ)能的方式為推力器提供脈沖式電壓,其核心元器件包括金屬?氧化物?半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、方波矩形信號(hào)發(fā)生器和電感,參見圖3。
圖3 PPU電路簡(jiǎn)圖Fig. 3 Circuit diagram of the PPU
方波發(fā)生器通過控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷來控制推力器的工作脈沖頻率。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí),直流電源為電感充電;當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管斷路時(shí),由楞次定律知,電感產(chǎn)生一個(gè)峰電壓L(dI/dt)加載到推力器陰陽(yáng)極兩端,導(dǎo)致陰陽(yáng)極間絕緣體表面的導(dǎo)電介質(zhì)層被燒蝕,從而產(chǎn)生微等離子體,進(jìn)而觸發(fā)陰陽(yáng)極之間電弧放電。
圖4所示為本文所研制推力器的PPU實(shí)物照片。
圖4 本文研制的推力器PPU實(shí)物Fig. 4 Sketch of the PPU of the developed thruster
外加磁場(chǎng)的作用是為陰極表面提供橫向磁場(chǎng),使陰極斑點(diǎn)在陰極表面做“反向運(yùn)動(dòng)”,配合進(jìn)給彈簧使陰極表面得到均勻燒蝕,以延長(zhǎng)推力器壽命[10];遠(yuǎn)離推力器的區(qū)域是磁場(chǎng)發(fā)散區(qū)域,帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條發(fā)散螺旋線,帶電粒子的軸向速度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的減小而增大[11]。如圖5所示,喇叭形磁場(chǎng)約束使等離子體軸向速度增大,徑向速度減小,從而增大軸向推力與比沖,并減小推力器的羽流發(fā)散角,減少等離子體羽流回流對(duì)推力器造成的污染[12]。置于電磁線圈陰極一側(cè)的磁芯用于約束磁感應(yīng)線方向,使其在陰極斑點(diǎn)附近產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)。
圖5 喇叭狀磁場(chǎng)Fig. 5 Schematic diagram of trumpet magnetic field
外加電磁線圈采用線徑為0.47 mm的聚酯漆包圓銅線繞制,線圈匝數(shù)為240匝;磁芯厚度為2 mm,材料為純鐵。
為確定磁場(chǎng)的具體分布情況,使用FEMM軟件對(duì)外加磁場(chǎng)進(jìn)行仿真與分析[13]。圖6所示為電磁線圈通電電流為1 A時(shí),有無磁芯條件下的磁場(chǎng)分布情況。結(jié)果顯示,當(dāng)加入磁芯后,磁感應(yīng)線發(fā)生了顯著的變化,圖6(b)紅框處(即陰極斑點(diǎn)所在處)的橫向磁感應(yīng)強(qiáng)度分量明顯增大,有利于陰極斑點(diǎn)的“反向運(yùn)動(dòng)”。
圖6 通電電流為1 A下的磁場(chǎng)分布Fig. 6 Magnetic field distribution with 1 A current
圖7為本文所研制推力器在真空艙(壓力5×10-3Pa)內(nèi)的點(diǎn)火羽流圖像,在未加磁場(chǎng)時(shí)羽流的發(fā)散角較大,在外加0.044 T的磁場(chǎng)后羽流明顯向軸線方向聚集,磁場(chǎng)對(duì)等離子體的約束作用十分明顯。
圖7 自研推力器的羽流Fig. 7 Plume of the developed μCAT
圖8為本文所研制推力器的放電特性曲線,0 s之前,PPU電路處于通路狀態(tài),放電電流曲線為PPU電路的電流曲線。由于電路中電感的存在,電流緩慢上升,為電感儲(chǔ)能,電壓值為0;當(dāng)電路斷開時(shí),PPU給推力器陰陽(yáng)極之間施加高電壓,觸發(fā)電弧放電,電感中的能量以電弧方式釋放,隨著電感儲(chǔ)存能量的減少,放電電流逐漸降低到0,至此1個(gè)放電脈沖結(jié)束。
圖8 本文所研制推力器的放電特性曲線Fig. 8 Discharge characteristics of the developed μCAT
根據(jù)放電特性曲線可知,推力器的點(diǎn)火電壓為620 V,放電電壓穩(wěn)定為46 V左右,放電結(jié)束瞬間電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),形成第2個(gè)較低的高電壓峰;放電電流達(dá)到23 A,然后逐漸降低到0,放電持續(xù)時(shí)間約為 520 μs。
為得到單次脈沖的陰極質(zhì)量損耗量,采用梅特勒稱重天平對(duì)推力器陰極點(diǎn)火工作前/后的質(zhì)量進(jìn)行稱量,得到陰極質(zhì)量損耗量,并記錄每次工作區(qū)間的重復(fù)點(diǎn)火次數(shù)。為減少誤差,在每種工況下對(duì)推力器進(jìn)行3次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),每次脈沖次數(shù)在20 000次以上。通過測(cè)量和計(jì)算,在本文實(shí)驗(yàn)條件下(磁場(chǎng)強(qiáng)度低于0.044 T),單次脈沖陰極質(zhì)量損耗量平均為 0.253 μg。
圖9為總離子電流測(cè)量原理示意,采用半球型收集板收集總離子電流,以保證盡可能多地收集離子,減少由離子反射等因素造成的損失。收集板一端正對(duì)推力器噴口,另一端接推力器陰極。在收集板探針上施加-50 V的負(fù)偏壓足以排斥電子,收集離子飽和電流。改變外加磁場(chǎng)的強(qiáng)弱,記錄不同磁場(chǎng)情況下的離子電流。
圖9 總離子電流測(cè)量原理Fig. 9 Schematic diagram of total ion current measurement setup
推力器的電離率是指陰極損耗的質(zhì)量中被電離的比例,其計(jì)算式為
式中:mi為單個(gè)離子的質(zhì)量;Iion為離子電流;e為電子電荷;Z為鈦離子平均電荷態(tài);為放電時(shí)陰極質(zhì)量的平均單位時(shí)間損耗率。
離子電流測(cè)量及電離率計(jì)算結(jié)果見表1,未加磁場(chǎng)時(shí)電離率為4.67%,外加磁場(chǎng)后電離率有所上升,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.044 T時(shí),電離率為6.89%。作者認(rèn)為,電離率的提升主要是因?yàn)榇艌?chǎng)對(duì)于等離子體的橫向約束作用減少了離子在陰極斑點(diǎn)處到推力器噴口之間的推力器通道壁面上的損失,這也與觀測(cè)到的羽流隨著磁場(chǎng)的施加而更加匯集的現(xiàn)象相符。盡管采用半球型收集板,但由于等離子羽流反流污染的存在[14],導(dǎo)致總離子電流測(cè)量值比實(shí)際值略有降低。
表1 不同磁場(chǎng)下的總離子電流與電離率Table 1 Total ion current and ionization rate in different magnetic fields
如圖10所示,采用打靶法測(cè)量推力器的元沖量[6]。將一薄圓片置于推力器的噴口處,當(dāng)推力器點(diǎn)火時(shí),圓片受力會(huì)向左移動(dòng)。通過高速相機(jī)記錄下圓片的位移過程,測(cè)量擺長(zhǎng)L和圓片的水平最大位移X。
圖10 元沖量測(cè)量示意圖Fig. 10 Schematic of impulse bit measurement
該方法基于能量守恒和動(dòng)量守恒定律:
式中:mw為圓片的質(zhì)量;vw為推力器給圓片的初始速度;F為推力器的平均推力;It為一個(gè)脈沖周期內(nèi)的總沖,即元沖量;g0為重力加速度,取9.8 m/s2。
聯(lián)立式(2)和式(3),可得:
為了減小測(cè)量誤差,薄圓片材料選用聚酰亞胺,質(zhì)量應(yīng)盡可能小,使其受到推力器的推力后擺動(dòng)幅度更大,本文中實(shí)驗(yàn)所用圓片質(zhì)量為20 mg。圓片的直徑應(yīng)大于推力器噴口直徑,以確??筛采w到推力器出口處的初始羽流。在初始狀態(tài),圓片質(zhì)心應(yīng)與推力器出口位于同一軸線。在測(cè)量元沖量時(shí),將脈沖頻率設(shè)定為5 Hz,降低推力器工作頻率可以在測(cè)量時(shí)免除2次脈沖之間對(duì)圓片的互相干擾。
推力器的元沖量隨磁場(chǎng)的變化如圖11所示:在未加磁場(chǎng)時(shí),元沖量為0.485 μN(yùn)·s;當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到0.044 T時(shí),元沖量增大了165%??梢娡饧哟艌?chǎng)的施加能夠增大推力器的推力。
圖11 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的元沖量Fig. 11 Impulse bit with different magnetic field
根據(jù)測(cè)得的元沖量和單次脈沖陰極質(zhì)量損耗量,可以得到推力器的比沖。未加磁場(chǎng)時(shí),推力器的比沖為195.6 s;當(dāng)外加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.044 T時(shí),推力器的比沖達(dá)到了518.2 s。這主要是因?yàn)榇艌?chǎng)對(duì)等離子體的約束作用使等離子體在洛倫茲力的作用下軸向速度增大,在推力器壁面上的損耗減少,羽流向軸側(cè)匯集。推力器的平均推力F與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度和工作頻率f有關(guān),F(xiàn)=Itf,其大小在10 μN(yùn)量級(jí)。
本文設(shè)計(jì)了自點(diǎn)火同軸微陰極電弧推力器的陰極和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)構(gòu)型及電感儲(chǔ)能電路等關(guān)鍵部件,實(shí)現(xiàn)了該推力器在真空艙內(nèi)的多次重復(fù)點(diǎn)火和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)推力器的多種主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,得到如下主要結(jié)論:
1)本文研制的CA-μCAT性能穩(wěn)定,本體質(zhì)量?jī)H為約8.4 g,符合微納衛(wèi)星的質(zhì)量要求;無磁場(chǎng)情況下的電離率為4.67%,外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.044 T時(shí)電離率提高到6.89%。
2)采用打靶法測(cè)量該推力器的元沖量,無外加磁場(chǎng)下,元沖量為0.485 μN(yùn)·s;隨著外加磁場(chǎng)的增大,推力器的元沖量和比沖也隨之增大。在外加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.044 T時(shí),元沖量為1.285 μN(yùn)·s,比沖為518.2 s,基本滿足預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。
3)在本文實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),推力器性能隨外加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而提高,表明推力器的性能還有很大的優(yōu)化空間;但磁場(chǎng)增強(qiáng)會(huì)使得熱效應(yīng)加重,因此,高效的熱設(shè)計(jì)是后續(xù)提高推力器性能的主要研究方向之一。