田雷超，李 林，杭觀榮，康小錄

(1. 上海空間推進研究所，上海 201112；2. 上海空間發(fā)動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引 言

微納衛(wèi)星發(fā)展迅速，其壽命的延長、復雜的機動和精確的姿控迫切需要研發(fā)新型微推進系統(tǒng)[1]。微陰極電弧推力器(Micro-cathode arc thruster, μCAT)通過陰陽極間脈沖放電，形成的高電離度等離子體被磁場約束、加速噴出而產生推力，具有體積小、重量輕、功耗低、比沖高等優(yōu)點，是微納衛(wèi)星空間推進的理想候選推力器。然而μCAT推力在μN量級，相比較大推力的推力器，執(zhí)行相同速度增量的任務需要更長的工作時間。因此，對μCAT系統(tǒng)的壽命提出了要求。

在μCAT領域研究具有代表性的是喬治華盛頓大學的Michael Keidar團隊[2]，該團隊研制了多種類型的μCAT樣機，實現(xiàn)了離子速度，元沖量、效率等參數(shù)的測量[3-4]。同時研究了等離子體羽流分布、陰極斑點旋轉特性[5-6]，以及推力的矢量控制[7]，建立了羽流形成和擴張的數(shù)值模型[8]。該推力器已進行了飛行驗證與應用[9-10]。國內，蘭州空間技術物理研究所[11]、北京控制工程研究所[12]、西安航天動力研究所[13]以及大連理工大學[14]、北京理工大學[15]等均開展了相關研究。對于μCAT的壽命，喬治華盛頓大學從磁場的角度對其進行了研究，發(fā)現(xiàn)磁場使得陰極斑點旋轉，實現(xiàn)了陰極均勻燒蝕，提高了推力器的壽命。對于同軸型μCAT，北京控制工程研究所發(fā)現(xiàn)，調節(jié)放電參數(shù)至典型工況，在30余萬次壽命考核中，推力器仍可以正常工作；北京理工大學發(fā)現(xiàn)，導電薄膜未形成均勻的燒蝕，是限制推力器壽命的主要因素。目前對μCAT壽命的系統(tǒng)研究，國內外文獻比較少。

本文首先分析影響μCAT壽命的可能因素，然后通過理論和試驗分別研究各個因素對壽命的影響，最后指出主要因素，并針對不同的因素，給出延長μCAT壽命的建議，為工程樣機的研制奠定基礎。

1 影響μCAT壽命的因素分析

μCAT系統(tǒng)主要由推力器本體和為其供電的功率處理單元(Power processing unit, PPU)組成。環(huán)形推力器由陰極、陽極、絕緣體、電磁線圈及磁芯等部件組成，其工作原理如圖1所示。PPU產生的脈沖高壓施加于陰陽極之間，引發(fā)其間電弧放電，燒蝕陰極形成等離子體，在熱壓力、電場力、電磁力的綜合作用下，等離子體沿放電通道噴出，產生推力[16]。圖2為μCAT工作時的電流變化曲線。上升段為PPU電感充電階段，期間，電流從0上升到接近40 A；下降段為推力器工作階段，期間，電流從最高點下降到0至電弧熄滅，此時一個脈沖結束。

圖1 μCAT結構示意圖Fig.1 Structure diagram of μCAT

圖2 推力器工作電流脈沖Fig.2 Current pulse of thruster

壽命是μCAT系統(tǒng)的核心指標之一，決定了該推進系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的總沖大小[17]。影響μCAT壽命的因素有以下三個。

1)磁場。電弧總是在容易觸發(fā)的地方產生，這會導致推力器陰極燒蝕可能一直處于同一位置。在外加磁場存在時，陰極斑點會沿著-J×B的方向運動，燒蝕位置沿著周向快速移動，使得燒蝕界面均勻后退。

2)陰陽極間電阻。陰極等離子體于絕緣體表面的再覆蓋維持著陰陽極間電阻的動態(tài)平衡，但如果陰陽極間電阻太小，如某些工況下，陰極產生大的金屬液滴，會引起陰陽極間短路；而電阻太大，如絕緣體上導電層被燒蝕耗盡，也會因為斷路而使點火失敗[18]。

3)功率。對于不同的任務，需要推力器工作在不同的功率下。如果一個小體積推力器工作在高功率水平下，則會由于散熱能力弱而過熱，導致?lián)p壞[19]。μCAT本身散熱能力不強，追求高的性能使其運行在高功率下，各部件材料更容易受熱損壞。另外過高的放電功率可能與陰陽極間絕緣體的腐蝕相關，嚴重的腐蝕將導致工作狀態(tài)發(fā)生改變，推力器失效。

2 試驗研究

圖3為試驗所用的推進系統(tǒng)原理樣機，PPU輸出脈沖由PC機控制軟件控制，輸入電壓為4.5～5.5 V，最大脈沖輸出電流為40 A。圖4為本試驗推力器樣機結構示意圖：推力器內徑為5 mm；1為陽極，材料為黃銅，長度1 mm；2為絕緣體，材料為氧化鋁陶瓷，長度1 mm(陰陽極之間長度)；3為陰極，材料為鈦；4為彈簧，為450 ℃耐高溫材料；5為后蓋板，材料為聚醚醚酮；外殼材料為鋁；通道壁面材料為氧化鋁陶瓷；線圈采用500 ℃高溫電磁線，纏繞于鋁殼前部槽內。推力器采用自勵磁模式，在放電電流為35 A時，中心軸線上最大磁場強度為0.1T，磁場構型如圖5所示。

圖3 推進系統(tǒng)原理樣機Fig.3 Principle prototype of propulsion system

圖4 推力器剖面圖Fig.4 Profile diagram of thruster

圖5 推力器磁場構型Fig.5 Magnetic field configuration of thruster

磁場對推力器壽命的影響主要是陰極斑點的反向運動使得陰極均勻燒蝕，因此供給系統(tǒng)平穩(wěn)運行。Michael Keidar團隊[2]在此方面做了很多工作，本文不做研究。

2.1 陰陽極間電阻研究

推力器點火采用André等[18]提出的無觸發(fā)點火法，是將一層導電薄膜涂覆于絕緣體上，該涂層電阻在陰陽極之間為有限阻抗，工作過程中有限阻抗動態(tài)平衡[20]。其微觀過程是，放電消耗涂層的同時，一小部分陰極等離子體重新沉積于絕緣體上。對此，關鍵的問題是控制放電參數(shù)來維持該平衡，并且得到陰陽極間的有限阻抗區(qū)間。

一般地，等離子體的產生與陰極斑點的功率密度正相關，即與熱功率I2R正相關，因此沉積到絕緣體上等離子體的多少與推力器的放電電流有關。試驗采用不同放電電流(10 A和33 A)對推力器的工作時間進行研究。試驗時，真空度在10-3Pa量級。

2.2 不同功率下的熱性能研究

功率的選擇影響的是μCAT的熱性能。μCAT產熱因素包括放電電流、工作頻率和效率等三方面，如果推力器效率一定，則產熱的因素歸結為推力器輸入功率的大小，理想狀況下為

P=W/t=1/2LI2f

(1)

PPU采用電感儲能，其中W為電感儲存的能量，t為工作時間，L為電感量，I為放電電流，f為工作頻率。

本試驗通過控制推力器的放電功率，測量溫度來研究熱性能，給出與功率相關的結果。如圖6所示，將K型熱電偶固定于推力器表面，由于溫度最高點在陰極燒蝕端(陰極斑點處)，因此測試點緊挨電磁線圈后部，此處是除線圈外外表溫度最高點。用DMM7510萬用表測量不同功率下熱電偶兩端的熱電動勢。首先在相同功率下，驗證推力器外表面溫度變化是否能夠復現(xiàn)。因此，在輸入功率約為8 W時，做3次試驗。而后通過PPU調節(jié)推力器工作頻率，使得輸入功率分別接近3 W、5 W和10 W，并進行試驗。對于PPU，由于放電電流和工作頻率相關，在調節(jié)工作頻率時，通過調節(jié)占空比使得不同功率下的放電電流保持一致。

圖6 μCAT熱測試Fig.6 Thermal test of μCAT

2.3 不同功率下的絕緣體腐蝕研究

試驗研究放電功率與絕緣體腐蝕的關系。推力器先在8 W左右(放電電流33 A，頻率20 Hz)工作，直至其失效。而后固定放電電流33 A，頻率10 Hz，進行4 W長時間點火試驗。通過影像儀測量比較絕緣體內徑參數(shù)的變化，以衡量絕緣體的腐蝕狀況。

3 試驗結果分析

3.1 陰陽極間電阻結果

在放電電流為10 A的情況下，推力器一般工作幾千到幾萬次就會熄滅，通過測量發(fā)現(xiàn)，陰陽極間電阻達到無窮大。其可能原因是，放電電流低，沉積到絕緣體上的陰極等離子體不足，使得涂層消耗與沉積不平衡，電阻逐漸變大。放電電流為33 A的情況下，推力器可持續(xù)工作。為了研究推力器持續(xù)工作時陰陽極間的有限阻抗區(qū)間，進行長時間點火試驗。推力器放電電流33 A，工作頻率20 Hz，輸入功率約為8 W。推力器每工作1 min，停止點火，立即測量電阻并記錄。

圖7為新推力器在兩小時內陰陽極間電阻的變化。從圖7可以看出，電阻在推力器工作過程中逐漸趨于穩(wěn)定。在開始的幾十分鐘，陰陽極間電阻值絕大部分在5～80 kΩ范圍內，之后穩(wěn)定在0.5～10 kΩ。由于絕緣體上初始為石墨涂層，因此在推力器開始點火的幾十分鐘內，電阻變化幅度比較大。這里排除艙壁濺射離子在絕緣體上的沉積，因為試驗主艙尺寸為Φ0.3 m×0.5 m，而處于艙室中間的推力器出口內徑僅為5 mm。陰陽極間電阻的大小也會受到陰極前端形貌變化等因素的影響，在前端燒蝕界面后退時，會出現(xiàn)一定的波動。

3.2 熱性能結果

試驗過程中，環(huán)境溫度為25.5 ℃，圖8為8 W時三次試驗的推力器外表溫度變化趨勢圖。

圖8 8 W時推力器溫度隨時間變化圖Fig.8 Temperature change with time at 8 W

從圖8可以看出，三條曲線基本吻合，試驗可重復性較好。推力器工作后，溫度快速上升，15 min時已經達到180 ℃左右。之后溫度隨工作時間緩慢上升。大約經過35 min，推力器通過熱傳導以及熱輻射基本達到了熱平衡狀態(tài)，溫度為190多攝氏度。圖9為不同功率下推力器外表溫度的變化圖。圖中如果溫度持續(xù)5 min保持不變，認為推力器達到熱平衡，此時的溫度定為熱平衡溫度。圖10為不同功率下的熱平衡溫度擬合曲線圖。通過比較可以看出：隨著推力器工作時間的增加，溫度越來越高，最終達到平衡；功率越高，溫度上升越快，并且達到較高的平衡溫度；熱平衡溫度基本隨功率線性增加。

圖9 不同功率下推力器溫度隨時間變化圖Fig.9 Temperature change with time at different powers

圖10 不同功率下的熱平衡溫度Fig.10 Thermal equilibrium temperature at different powers

推力器可以在不同的功率下工作，但存在功率閾值。本試驗推力器部件材料如第2節(jié)所述，由黃銅、鈦、鋁等金屬、陶瓷、450 ℃耐高溫彈簧、聚醚醚酮、500 ℃高溫電磁線等組成，比較來說，聚醚醚酮在高溫下最容易發(fā)生問題，其長期使用溫度為260 ℃。10 W時，推力器平衡溫度達到了207 ℃，考慮到本實驗推力器的材料屬性，沒有再加高功率。根據(jù)試驗結果，通過圖10的線性擬合來得到推力器的功率注入條件，其最高穩(wěn)定運行功率約為13 W。雖然推力器選擇不同的材料以及不同的尺寸時，注入條件會不一樣，但該功率閾值的研究對于此種微型脈沖式推力器的運行工作具有參考意義。

對于推力器熱優(yōu)化來講，須從兩方面對其進行熱研究：通過提高效率，從磁場強度大小以及推力器電極構型等方面考慮來降低產熱；在推力器結構設計、熱輻射材料的選擇和系統(tǒng)空間設計等方面考慮來加強散熱，從而降低特定功率下的熱平衡溫度。對于μCAT，一般情況下，功率越高，其性能越高，如推力隨功率增大而增大。通過對熱性能的研究，可以提高功率閾值來提升推力器性能而又不致平衡溫度過高。

3.3 絕緣體腐蝕結果

圖11是新陰極與89.4萬次工作脈沖后燒蝕陰極的對比。從圖11可以看出，陰極周向燒蝕十分均勻，驗證了外加磁場的作用，也從側面反映了供給系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了推進劑的持續(xù)供給。在高功率下，經過95.8萬次(約13.3 h)脈沖后，推力器放電開始偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，產生較大、更明亮的斑點，這種現(xiàn)象在后續(xù)點火過程中逐漸趨于頻繁，推力器失效。試驗發(fā)現(xiàn)，推力器工作不穩(wěn)定的原因是絕緣體的腐蝕引起了μCAT的失效。隨著絕緣體的腐蝕，推力器電極間距、磁場構型等均發(fā)生變化，從而工作狀態(tài)發(fā)生改變，影響到腐蝕速率的大小，因此對于腐蝕過程的量化存在困難。

圖11 陰極燒蝕前后比較Fig.11 Comparison of cathodes before and after ablation

比較絕緣體內徑變化以衡量其腐蝕程度。圖12(a)為初始絕緣體，內徑5.08 mm，圖12(b)為高功率下工作95.8萬次推力器失效后的絕緣體，內徑增大到5.55 mm，圖12(c)為低功率下工作220萬次推力器仍未失效的絕緣體，內徑5.34 mm?？梢钥吹?，高功率下，絕緣體腐蝕嚴重，內徑變大；而低功率下，腐蝕程度大大降低，但是以降低頻率來降低功率后，推力性能也隨之降低。在試驗中也發(fā)現(xiàn)絕緣體軸向上的腐蝕，如圖13是陰極端面燒蝕形貌，外圈變薄，此圈燒蝕會始終腐蝕與其相鄰的絕緣體。

圖12 絕緣體內徑變化Fig.12 Change of insulator diameter

圖13 陰極端面的燒蝕形貌Fig.13 Ablation morphology of cathode

前兩個試驗中，在較大電流下，推力器達到熱平衡，可以持續(xù)穩(wěn)定地工作。結合第三個試驗可以發(fā)現(xiàn)，在合適的放電電流和合理的熱控制下，制約μCAT壽命的主要因素是絕緣體的腐蝕，而根本原因是表面電流帶來的破壞以及等離子體的濺射。從壽命周期來看，絕緣體表面的腐蝕與修復很難達到平衡。對于推力器，需要在滿足性能的基礎上，盡量降低放電電流以及通過增大磁場、降低工作頻率等途徑減少離子的濺射來減緩絕緣體的腐蝕，另外還需進行推力器內部構件的結構優(yōu)化。

4 結 論

本文分析了影響環(huán)形μCAT壽命的因素，通過試驗研究了電流參數(shù)對陰陽極間電阻的影響，不同功率下的推力器熱性能以及功率大小對絕緣體腐蝕的影響。對于延長推力器的壽命方面，研究得到以下結論：

1)需要控制推力器較大的放電電流，使得陰陽極間電阻動態(tài)平衡，維持在0.5～10 kΩ。

2)需要選擇合適的放電功率，功率閾值應考慮各部件材料的高溫承受能力。

3)絕緣體的腐蝕是制約推力器壽命的主要因素，降低放電功率有助于減緩該腐蝕。