王亞楠 任林淵 丁衛(wèi)東 孫安邦 耿金越

1) (西安交通大學(xué),電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

2) (北京控制工程研究所,北京 100190)

毛細(xì)管放電型脈沖等離子體推力器在微納衛(wèi)星在軌機(jī)動(dòng)應(yīng)用中具備良好的發(fā)展前景.本文系統(tǒng)研究了單次放電能量5 J 條件下,不同毛細(xì)管腔體尺寸參數(shù)對(duì)推力器能量沉積特性、燒蝕特性、輸出推力參數(shù)和等離子體羽流參數(shù)的影響規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,增大毛細(xì)管腔體內(nèi)徑會(huì)顯著降低放電電流密度,減小沉積能量和等效功率;增大腔體長(zhǎng)度有助于提升能量傳遞效率.腔體結(jié)構(gòu)尺寸變化影響單位面積沉積能量和管壁溫度,進(jìn)而改變燒蝕特性.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從1 mm 增加至3 mm 時(shí)燒蝕質(zhì)量顯著下降,隨著腔體內(nèi)徑的進(jìn)一步增大,等效燒蝕質(zhì)量近似不變;燒蝕質(zhì)量隨毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加持續(xù)增大,但單位面積燒蝕質(zhì)量不斷下降.推力器元沖量取決于燒蝕質(zhì)量與其等效速度,燒蝕特性的差異進(jìn)一步影響腔體內(nèi)等離子體密度和等效壓強(qiáng),影響等離子體電熱加速過(guò)程.毛細(xì)管腔體內(nèi)徑和長(zhǎng)度的不斷增加,使得加速過(guò)程滯后于放電和燒蝕過(guò)程,作用于加速過(guò)程的電弧沉積能量比例降低,降低推力器等離子體噴射速度,元沖量減小,比沖降低,總體效率下降.結(jié)合總體效率傳遞模型分析,毛細(xì)管內(nèi)徑對(duì)推力器效率的影響主要體現(xiàn)在能量傳遞效率方面,毛細(xì)管長(zhǎng)度變化主要影響等離子體電熱加速效率,優(yōu)化推力器總體效率需要從能量沉積效率和加速效率兩方面入手.

1 引言

微納衛(wèi)星具有研發(fā)成本低、擴(kuò)展能力強(qiáng)、發(fā)射方式靈活等優(yōu)點(diǎn),在低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)、氣象觀測(cè)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值,近年來(lái)得到迅猛發(fā)展[1-3].搭載微型電推進(jìn)系統(tǒng)能夠顯著地增強(qiáng)微納衛(wèi)星在軌機(jī)動(dòng)能力,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高精度位置保持、姿態(tài)調(diào)整和軌道控制,對(duì)未來(lái)高功能密度衛(wèi)星執(zhí)行組網(wǎng)編隊(duì)等復(fù)雜任務(wù),保持長(zhǎng)期在軌自主運(yùn)行具有重要意義[4].然而,由于衛(wèi)星體積、重量和總體功率的制約,微型電推進(jìn)系統(tǒng)面臨著苛刻的參數(shù)要求,如何利用有限系統(tǒng)儲(chǔ)能高效地產(chǎn)生特定需求的輸出參數(shù)成為微型電推進(jìn)技術(shù)研究的關(guān)鍵問(wèn)題[5].

毛細(xì)管放電型脈沖等離子體推力器(capillary discharge based pulsed plasma thruster,CDPPT)采用固體聚四氟乙烯工質(zhì),無(wú)需儲(chǔ)供機(jī)構(gòu),采用脈沖工作模式,系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊、可靠性高,在微納衛(wèi)星應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)[6,7].CDPPT 單次放電能量通常在焦耳量級(jí),通過(guò)脈沖放電在毛細(xì)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,在電熱電磁加速作用下向外噴射產(chǎn)生推力,其輸出元沖量可精細(xì)調(diào)節(jié)(μN(yùn)·s 量級(jí)),契合微納衛(wèi)星姿軌控制需求,發(fā)展前景廣闊[8,9].隨著微納衛(wèi)星任務(wù)場(chǎng)景的拓展,要求推力器具備高比沖、高效率參數(shù)輸出和較大范圍元沖量調(diào)節(jié)的能力.然而目前,CDPPT 比沖參數(shù)仍有待提高、輸出效率較低,這制約了其進(jìn)一步應(yīng)用,迫切需要進(jìn)行性能參數(shù)優(yōu)化.由于CDPPT 工質(zhì)供給和加速過(guò)程耦合機(jī)制復(fù)雜,且腔體內(nèi)部等離子體無(wú)法直接進(jìn)行診斷,人們尚未掌握設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)等離子體形成、加速過(guò)程的影響機(jī)制,給參數(shù)優(yōu)化帶來(lái)挑戰(zhàn).

CDPPT 在工作過(guò)程中,燒蝕、電離和電熱加速都發(fā)生在毛細(xì)管腔體內(nèi),因此腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇對(duì)推力器的工作過(guò)程和性能產(chǎn)生著重要的影響.為進(jìn)一步提升推力器比沖和總體效率,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從實(shí)驗(yàn)和仿真兩個(gè)方面對(duì)毛細(xì)管推力器工作過(guò)程和輸出參數(shù)開(kāi)展了優(yōu)化研究.仿真方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入研究了燒蝕模型[10,11]、等離子體演化過(guò)程等[12],目前可較為準(zhǔn)確地獲得燒蝕質(zhì)量流量和等離子體參數(shù)分布[13,14],但對(duì)元沖量和比沖參數(shù)計(jì)算方法和能量傳遞過(guò)程鮮有涉及.目前,實(shí)驗(yàn)方面的主要研究方法為利用微沖量測(cè)量系統(tǒng),對(duì)推力器輸出力學(xué)參數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量獲得變化規(guī)律.Aoyagi等[15]分析了不同毛細(xì)管腔體長(zhǎng)徑比下,元沖量的變化規(guī)律并結(jié)合任務(wù)需求進(jìn)行了參數(shù)篩選.Hiroki和Hirokazu[16]測(cè)量了不同放電能量下推力器比沖、效率參數(shù),發(fā)現(xiàn)輸出參數(shù)與放電能量成正相關(guān).斯圖加特大學(xué)Matthias 等[17]研究了放電能量在3 J 量級(jí)時(shí)不同電壓和電容參數(shù)組合方式下,等效單次燒蝕質(zhì)量和元沖量變化規(guī)律.由于推力器性能參數(shù)表征過(guò)程涉及真空實(shí)驗(yàn)、微沖量測(cè)量和燒蝕質(zhì)量測(cè)量等多個(gè)步驟,過(guò)程繁瑣,現(xiàn)有研究多是在單一條件下獲得的參數(shù)變化趨勢(shì),尚未闡明腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)等離子體產(chǎn)生和加速過(guò)程的影響機(jī)制,也未掌握結(jié)構(gòu)參數(shù)與輸出比沖效率參數(shù)間的相互關(guān)聯(lián).本文建立毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用電學(xué)、微沖量測(cè)量及發(fā)射光譜等手段研究了毛細(xì)管腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推力器輸出參數(shù)影響規(guī)律及內(nèi)在物理機(jī)制,建立推力器輸出效率的能量傳遞分析模型,深入分析不同腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推力器放電特性和輸出參數(shù)的影響規(guī)律,為推力器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù).

2 推力器結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 推力器結(jié)構(gòu)

毛細(xì)管脈沖等離子體推力器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.CDPPT 整體結(jié)構(gòu)主要包括五部分:半導(dǎo)體火花塞、陰極噴嘴、陽(yáng)極基座、絕緣護(hù)套和工質(zhì).工質(zhì)采用聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)材料,加工為中空?qǐng)A柱型毛細(xì)管腔體結(jié)構(gòu).陽(yáng)極與陰極噴嘴采用黃銅材料,具有較好的抗電弧燒蝕性能.尼龍絕緣護(hù)套用于連接陰極和陽(yáng)極,同時(shí)對(duì)PTFE 工質(zhì)腔體進(jìn)行固定,實(shí)現(xiàn)腔體與陰極噴嘴的同軸布置.半導(dǎo)體火花塞采用SiC 材料,中間安裝鎢棒作為觸發(fā)電極.推力器工作時(shí),通過(guò)外部觸發(fā)電路在觸發(fā)電極與陰極間施加高壓觸發(fā)脈沖,使SiC 沿面閃絡(luò),釋放初始帶電粒子,誘發(fā)毛細(xì)管腔體內(nèi)部主放電的形成.火花塞觸發(fā)電路放電電壓1 kV,單次放電能量50 mJ,具有良好的穩(wěn)定性.主電容通過(guò)銅皮連接陰極與陽(yáng)極,電路采用緊湊化布局,盡可能減小回路等效阻抗,提高能量傳遞效率[18].

圖1 毛細(xì)管推力器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.The schematic of CDPPT structure.

實(shí)驗(yàn)中,毛細(xì)管腔體結(jié)構(gòu)尺寸,主電容容值及電壓參數(shù)配置如表1所列.實(shí)驗(yàn)中,為減小參數(shù)測(cè)量誤差,對(duì)于同一物理量,每個(gè)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)尺寸下重復(fù)測(cè)量5 次取平均值.

表1 毛細(xì)管推力器工作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1.Operation parameters and structural parameters of CDPPT.

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器工作特性研究平臺(tái)如圖2所示.主要包括真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、電學(xué)診斷、光譜診斷和微推力測(cè)量系統(tǒng).推力器工作時(shí),利用真空泵組將真空腔內(nèi)抽至一定氣壓(≤5×10—3Pa).利用高壓直流電源將主電容充電至2 kV,此時(shí)對(duì)應(yīng)CDPPT 單次放電能量為5 J.推力器放電電壓和電流波形通過(guò)電壓探頭(Lecory PPS 6 kV,400 MHz)和羅氏線圈(Pearson 4997,15 MHz)測(cè)量,同時(shí)利用示波器(Tektronix DPO7054C)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,后期分析中,利用 Matlab 對(duì)測(cè)量系統(tǒng)采集電壓電流波形信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算.

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) (a) 實(shí)物圖;(b) 示意圖;(c) 微推力測(cè)量扭擺Fig.2.Experimental platform:(a) Photo;(b) schematic diagram of the system;(c) thrust balance.

實(shí)驗(yàn)中,利用光譜儀(Shamshock 750i)和ICCD相機(jī)(Andor iStar)采集并記錄CDPPT 工作過(guò)程中不同時(shí)刻的等離子體發(fā)射光譜.推力器放電過(guò)程中,放電電弧不斷燒蝕毛細(xì)管腔壁材料,燒蝕材料進(jìn)入腔體與電弧等離子體不斷碰撞,迅速進(jìn)行能量傳遞,通?？梢哉J(rèn)為放電腔體內(nèi)等離子體滿足局部熱平衡條件.此外,根據(jù)實(shí)測(cè)光譜結(jié)果,輻射光譜譜線均為孤立的線狀譜線,未檢測(cè)到自吸收譜線等,等離子體羽流滿足光學(xué)薄條件.因此通常情況下,對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)λji和λkl的兩條譜線,可以利用(1)式,根據(jù)原子發(fā)射光譜的譜線強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算獲得電子溫度[19,20],

利用該方法計(jì)算時(shí),一般要求選擇能級(jí)差較大且輻射強(qiáng)度適中的譜線,然而,利用不同譜線計(jì)算時(shí),其計(jì)算結(jié)果通常有較大偏差,為了改善該方法,對(duì)(1)式兩端同時(shí)取對(duì)數(shù)可得

以該式左側(cè)項(xiàng)為縱坐標(biāo),利用上能級(jí)能量Eu作為橫坐標(biāo),將多條譜線對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)帶入計(jì)算,并繪制在坐標(biāo)系中,對(duì)這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性擬合,由此可以確定對(duì)應(yīng)的電子溫度.利用該方法進(jìn)行計(jì)算時(shí),同時(shí)考慮了多條譜線數(shù)據(jù),能夠提高計(jì)算精度.對(duì)于推力器羽流等離子體電子密度的計(jì)算可采用Stark 展寬法.等離子體發(fā)射譜線的展寬由自然展寬、Doppler 展寬和Stark 展寬等因素共同決定,其表達(dá)式為[21]

其中λm,λs,λd,λI分別為光譜儀測(cè)量譜線展寬、Stark 效應(yīng)展寬、Doppler 效應(yīng)展寬以及光譜儀展寬.對(duì)于毛細(xì)管放電產(chǎn)生的等離子體而言,其電子溫度通常在5 eV 以下,此時(shí)Doppler 展寬效應(yīng)較小,可會(huì)略其對(duì)譜線展寬的影響.對(duì)于Stark 展寬,計(jì)算公式如(4)式所示[22]:

式中,ω為Stark 展寬因子;α為離子展寬因子,根據(jù)光譜儀測(cè)量典型光譜譜線,通過(guò)Voigt 函數(shù)曲線進(jìn)行擬合獲得光譜展寬,再利用(3)式和(4)式即可計(jì)算得到等離子體密度.

毛細(xì)管推力器單次元沖量在數(shù)十至數(shù)百μN(yùn)·s量級(jí),其推力脈寬約為毫秒量級(jí),目前尚無(wú)商業(yè)傳感器可滿足靈敏度和頻帶要求.實(shí)驗(yàn)中,采用自研微推力測(cè)量扭擺進(jìn)行測(cè)量,如圖2(c)所示.微推力測(cè)量扭擺的基本原理為,CDPPT 工作時(shí)產(chǎn)生的推力作用在扭擺擺臂上,扭擺系統(tǒng)在推力器作用下的運(yùn)動(dòng)方程可以用二階系統(tǒng)的零狀態(tài)沖擊響應(yīng)表示,通過(guò)精密位移傳感器測(cè)量擺臂位移進(jìn)而求解推力器輸出元沖量.微推力測(cè)量扭擺在測(cè)量前利用靜電梳標(biāo)定裝置進(jìn)行標(biāo)定,微沖量測(cè)量系統(tǒng)最小分辨率可達(dá)0.5 μN(yùn)·s,不確定度低于1%,且多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)線性度良好,滿足CDPPT 輸出元沖量測(cè)量需求[23,24].

3 理論模型

CDPPT 工作時(shí),放電等效電路示意圖如圖3所示.其中,Rc和Lc分別為儲(chǔ)能電容寄生電阻和寄生電感,Rc1,Rc2和Lc1,Lc2分別為電極及放電回路連接線的等效串聯(lián)電阻和電感,Rp對(duì)應(yīng)等離子體電弧通道等效電阻,Lp對(duì)應(yīng)電弧通道等效電感.

圖3 推力器放電等效電路及能量傳遞路徑Fig.3.The equivalent circuit of CDPPT discharge circuit and energy transfer path.

將推力器放電回路等效為RLC二階電路,由基爾霍夫電壓定律可得等離子體電弧通道電壓分量Up為

對(duì)于CDPPT 而言,放電過(guò)程中腔體約束放電等離子體電弧通道,其截面近似為常數(shù),因此等離子體通道電感變化引起的電壓變化可忽略不計(jì),等離子體通道阻性電壓分量UR可表示為

在此基礎(chǔ)上可獲得CDPPT 電弧通道等效功率PR,

等離子體電弧通道沉積能量為

通過(guò)測(cè)量CDPPT 放電主電壓和主電流波形,結(jié)合(5)式—(8)式可得到等離子體弧道沉積能量.由于高壓探頭測(cè)量電壓信號(hào)中包含引線電阻和電感分量,在計(jì)算推力器弧道等效阻抗和沉積能量時(shí),需排除引線部分阻抗的影響,利用手持式精密電橋(TH2822C)對(duì)引線阻抗進(jìn)行測(cè)量,可獲得測(cè)量回路中包含的引線電阻R0為8.5 mΩ,引線電感L0為15.9 nH.估算等離子體阻抗時(shí)需要除去外回路電感的影響,為了獲得主電容等效電感參數(shù),實(shí)驗(yàn)前向主電容充電,將陰極和陽(yáng)極短接,利用短路電流法估算放電回路參數(shù),不同容值主電容對(duì)應(yīng)電感值計(jì)算結(jié)果如表2所列.

表2 不同容值下等效放電回路參數(shù)Table 2.Equivalent circuit parameters of CDPPT with different capacitance.

此外在放電過(guò)程中,等離子體等效電阻為時(shí)變電阻,而瞬時(shí)沉積功率變化則反映了弧道阻抗焦耳熱功率.為了便于比較不同電路參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下,推力器等效阻抗的變化情況,本文從能量沉積角度建立等效穩(wěn)態(tài)阻抗表達(dá)式:

圖3同時(shí)給出了CDPPT 工作過(guò)程中存在的能量傳遞路徑,推力器工作時(shí)總體能量效率傳遞過(guò)程可用(9)式表示

式中ηacc表示等離子體加速效率;ηtrans表示能量傳遞效率;ηo表示推力器總體效率.對(duì)于脈沖等離子體推力器而言,總體效率又可用(10)式進(jìn)行計(jì)算:

Ibit為推力器單次輸出元沖量,可利用微推力測(cè)量扭擺精確測(cè)量;Δm為等效平均單次燒蝕質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)中,利用微量天平測(cè)量推力器工作1000 次前后質(zhì)量變化獲得.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下CDPPT 放電特性

當(dāng)放電能量一定時(shí),毛細(xì)管推力器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)(包括毛細(xì)管內(nèi)徑和長(zhǎng)度)將會(huì)影響單位體積內(nèi)能量密度,使得燒蝕產(chǎn)物粒子密度和電離度等產(chǎn)生變化,改變電弧通道特性進(jìn)而影響推力器輸出參數(shù).圖4給出了不同毛細(xì)管內(nèi)徑下,推力器放電電壓波形、放電電流波形、弧道阻性分量功率和沉積能量曲線.其中,毛細(xì)管長(zhǎng)度為16 mm,內(nèi)徑分別為1,3,5,7 mm和9 mm,主電容容值2.5 μF,充電電壓2 kV,單次放電能量5 J.

從圖4(a)和圖4(b)可以看出,當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑為1 mm 時(shí),放電電流呈現(xiàn)過(guò)阻尼特性.隨著毛細(xì)管內(nèi)徑的增加,放電電流波形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍纷枘嵴袷?且放電電流幅值不斷增大,放電周期略微減小.與此同時(shí),放電持續(xù)時(shí)間也隨著電流振蕩的加劇不斷增加.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑為1 mm 時(shí),可以看到放電電壓波形并未歸零,即儲(chǔ)能電容能量未完全釋放,而在實(shí)驗(yàn)中也觀察到熄弧現(xiàn)象.該現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因在于:1) 毛細(xì)管內(nèi)徑過(guò)小時(shí),電弧將對(duì)管壁劇烈燒蝕,所產(chǎn)生的燒蝕產(chǎn)物進(jìn)入放電通道內(nèi),使得腔體內(nèi)壓力急劇增加,不利于電弧維持;2) 弧道等效阻抗較大,放電時(shí)間常數(shù)增大,放電電流峰值降低,不利于電弧發(fā)展;3) 由于燒蝕產(chǎn)物劇烈增加,低溫蒸汽層將在電弧通道周圍積累并向內(nèi)擴(kuò)散,使得電弧更易中斷[10].圖4(c)顯示了弧道等效功率變化曲線,隨著毛細(xì)管內(nèi)徑從3 mm 增加至5 mm,功率峰值從4.84 MW 降低至2.15 MW.與之對(duì)應(yīng),在圖4(d)中沉積能量曲線中,當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從1 mm增加至3 mm 時(shí),出現(xiàn)了快速沉積階段對(duì)應(yīng)的平臺(tái)特征.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑繼續(xù)增大時(shí),沉積能量臺(tái)階數(shù)量增加且沉積能量速率不斷減小,快速沉積能量階段沉積能量也不斷下降.表3給出了不同內(nèi)徑下等效放電回路參數(shù).當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從1 mm 增加至3 mm 時(shí),其弧道等效電阻由(703.10 ± 15.43) mΩ迅速減小至(143.70 ± 0.53) mΩ.隨著內(nèi)徑繼續(xù)增加,其等效電阻最終降低至(39.38 ± 0.18) mΩ.利用毛細(xì)管內(nèi)徑求得其截面積,可以獲得等效電阻率變化趨勢(shì).隨著毛細(xì)管內(nèi)徑的增加,弧道等效電阻率呈現(xiàn)減小趨勢(shì),從186.4 Ω/m 變化至32.12 Ω/m.這是由于隨著毛細(xì)管內(nèi)徑的增加,腔體內(nèi)表面積增加,使得燒蝕質(zhì)量降低,粒子密度減小,且由于放電腔體的增大,粒子間相互碰撞概率降低,致使電子可以保持相對(duì)較高能量,提高了電導(dǎo)率,加之腔體截面的增加,使得宏觀上弧道電阻增大.

圖4 不同內(nèi)徑下 (a) 電壓波形;(b) 電流波形;(c) 阻性功率;(d) 沉積能量Fig.4.The discharge characteristics of CDPPT with different cavity diameter:(a) Voltage waveform;(b) current waveform;(c) arc resistance power;(d) deposited energy.

表3 不同內(nèi)徑下等效放電回路參數(shù)Table 3.Equivalent circuit parameters of CDPPT with different cavity diameter.

由圖4所示電流波形和沉積能量波形可以看到,當(dāng)放電腔體內(nèi)徑較大時(shí),放電電流出現(xiàn)振蕩,沉積能量曲線出現(xiàn)多個(gè)平臺(tái).對(duì)于毛細(xì)管推力器而言,由于腔體內(nèi)壓力與電弧狀態(tài)關(guān)系密切,等離子體能量沉積和內(nèi)能增加主要出現(xiàn)在第一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)之前,通常將此部分稱為快速能量沉積階段[14].圖5所示為沉積能量和能量傳遞效率的變化曲線.在相同的單次放電能量下,隨著放電電流的增加,外回路中能量損失增大,因此,當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從1 mm 增加至9 mm 時(shí),其能量沉積效率由95.61%降低至63.71%.由于弧道阻抗的降低,使得弧道沉積能量由4.84 J 降低至3.23 J.此外,毛細(xì)管內(nèi)徑的增大也將會(huì)降低腔體內(nèi)壓強(qiáng),不利于等離子體在腔體內(nèi)熱膨脹加速,使得等離子體噴射速度下降.

圖5 不同內(nèi)徑下沉積能量及沉積能量效率Fig.5.The deposited energy and efficiency of CDPPT with different cavity diameter.

圖6所示為不同毛細(xì)管長(zhǎng)度時(shí),推力器放電電壓、放電電流、弧道功率和沉積能量曲線的變化規(guī)律.其中毛細(xì)管長(zhǎng)度分別為14,16,18,20,25,30,35和40 mm,毛細(xì)管內(nèi)徑為5 mm,主電容容值2.5 μF,充電電壓2 kV,單次放電能量5 J.隨著毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加,放電電流幅值逐漸減小,從7.9 kA降低為5.7 kA.毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加使得放電回路阻尼系數(shù)增大,放電波形振蕩減弱,放電持續(xù)時(shí)間縮短.弧道等效功率峰值隨毛細(xì)管長(zhǎng)度增加呈增大趨勢(shì),這是由于毛細(xì)管腔體長(zhǎng)度的增加增大了弧道等效阻抗,盡管放電電流幅值在一定程度上有所下降,但弧道沉積能量增大.相對(duì)應(yīng)地,當(dāng)毛細(xì)管腔體長(zhǎng)度增大后,能量沉積上升速率增大,快速能量沉積階段沉積能量較大.

圖6 不同長(zhǎng)度下 (a) 電壓波形;(b) 電流波形;(c) 阻性功率;(d)沉積能量Fig.6.The discharge characteristics of CDPPT with different cavity length:(a) Voltage waveform;(b) current waveform;(c) arc resistance power;(d) deposited energy.

表4給出了不同毛細(xì)管長(zhǎng)度下放電回路參數(shù).當(dāng)毛細(xì)管長(zhǎng)度從14 mm 增加至40 mm 時(shí),弧道等效電阻從(53.00 ± 0.07) mΩ 增加至(148.86 ±0.73) mΩ,弧道等效電感從(14.14 ± 0.46) nH 增加至(36.24 ± 1.89) nH.

表4 不同長(zhǎng)度下等效放電回路參數(shù)Table 4.Equivalent circuit parameters of CDPPT with different cavity length.

圖7顯示了毛細(xì)管長(zhǎng)度變化時(shí),沉積能量變化及能量轉(zhuǎn)移效率的變化規(guī)律.放電全過(guò)程中弧道沉積能量由14 mm 時(shí)的3.69 J 增大至40 mm 時(shí)的4.41 J,相應(yīng)地,能量沉積效率由71.43%提高至86.55%.這意味著放電通道的延長(zhǎng)將有效約束電弧通道發(fā)展時(shí)的熱沉積過(guò)程,提高了等離子體焦耳熱的轉(zhuǎn)換效率.

圖7 不同內(nèi)徑下沉積能量及沉積能量效率Fig.7.The deposited energy and efficiency of CDPPT with different cavity length.

綜合而言,結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于毛細(xì)管放電特性有較大影響,隨著毛細(xì)管內(nèi)徑增大,長(zhǎng)度減小,等效沉積能量、弧道等效功率均出現(xiàn)較大變化.毛細(xì)管內(nèi)徑的改變會(huì)顯著地降低放電電流密度,從而導(dǎo)致沉積能量和等效功率的改變.因此,在毛細(xì)管推力器工作中,需要關(guān)注因管壁燒蝕造成腔體內(nèi)徑增大對(duì)推力器輸出參數(shù)的影響.

4.2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下等效平均單次燒蝕質(zhì)量

圖8(a)為不同內(nèi)徑時(shí)推力器燒蝕質(zhì)量變化規(guī)律.毛細(xì)管腔體長(zhǎng)度為16 mm,內(nèi)徑分別為1,3,5,7和9 mm,主電容容值2.5 μF,充電電壓2 kV,單次放電能量為5 J.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從1 mm 增大到3 mm 時(shí),由于電流密度減小,電弧對(duì)腔壁輻射功率密度降低,電弧對(duì)毛細(xì)管管壁的燒蝕作用迅速減弱,平均單次燒蝕質(zhì)量從(146.48 ± 0.33) μg 降低至(67.40 ± 0.29) μg.當(dāng)進(jìn)一步增大腔體內(nèi)徑時(shí),燒蝕質(zhì)量基本不變.為了進(jìn)一步分析腔體內(nèi)表面對(duì)燒蝕質(zhì)量的影響,定義單位面積燒蝕質(zhì)量,可利用(12)式進(jìn)行計(jì)算:

其中r為腔體內(nèi)徑;l為腔體長(zhǎng)度.對(duì)于單位面積燒蝕質(zhì)量而言,可以看到,隨著腔體內(nèi)徑的增大不斷減小.特別地,當(dāng)內(nèi)徑從1 mm 增加至3 mm 時(shí),單位面積燒蝕質(zhì)量從(291.56 ± 0.33) μg/cm2降低至44.72 μg/cm2.圖8(b)顯示了不同毛細(xì)管腔體長(zhǎng)度下平均單次燒蝕質(zhì)量的變化曲線.毛細(xì)管長(zhǎng)度分別為14,16,18,20,25,30,35和40 mm,內(nèi)徑為5 mm.由圖8(b)可以看到,隨著腔體長(zhǎng)度的增加,平均單次燒蝕質(zhì)量從(50.78 ± 0.34) μg 增大至(99.66 ± 0.34) μg,單位面積燒蝕質(zhì)量從(23.09 ±0.34) μg/cm2減小至(15.86 ± 0.34) μg/cm2.

圖8 燒蝕質(zhì)量與單位面積燒蝕質(zhì)量 (a) 不同內(nèi)徑;(b) 不同長(zhǎng)度Fig.8.The ablation mass per shot and ablation mass per unit surface of CDPPT:(a) With different cavity diameter;(b) with different cavity length.

CDPPT 燒蝕特性可利用動(dòng)力學(xué)燒蝕模型進(jìn)行分析.動(dòng)力學(xué)燒蝕模型是由Keidar 等[10]和Zaghloul[11]提出并完善地用于描述電弧等離子體對(duì)聚合物材料的燒蝕過(guò)程的數(shù)值計(jì)算模型.在動(dòng)力學(xué)燒蝕模型中,把工質(zhì)壁面與等離子體區(qū)域之間的非平衡過(guò)渡層劃分為三個(gè)區(qū)域,利用動(dòng)力學(xué)理論,獲取工質(zhì)壁面、努森層與非平衡動(dòng)力學(xué)層邊界以及非平衡動(dòng)力學(xué)層與等離子體區(qū)域邊界的粒子分布聯(lián)系,最終獲得燒蝕速率表達(dá)式.燒蝕速率的影響因素主要包括管壁溫度、腔體等離子體溫度和密度.根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果所獲得的等離子體溫度和密度值代入動(dòng)力學(xué)燒蝕模型進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn),對(duì)于單次放電能量在10 J 以下量級(jí)的毛細(xì)管放電而言,腔體內(nèi)等離子體參數(shù)所在量級(jí)區(qū)間變化對(duì)燒蝕質(zhì)量流率的影響較小[13,14].隨著毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加,盡管回路能量傳遞效率增加,但腔壁單位面積上分配輻射能量減小,致使管壁溫度降低,燒蝕速率減小,燒蝕質(zhì)量降低.與改變毛細(xì)管腔體長(zhǎng)度相比,當(dāng)腔體內(nèi)徑較小時(shí),平均燒蝕質(zhì)量對(duì)內(nèi)徑變化更加敏感.對(duì)于推力器而言,由于工作過(guò)程中腔體材料不斷消耗,內(nèi)徑增大會(huì)改變推力器單次燒蝕質(zhì)量,不利于推力器保持穩(wěn)定的輸出參數(shù).綜合來(lái)看,腔體尺寸變化對(duì)燒蝕質(zhì)量的影響在于,增大腔體面積使得電弧與管壁接觸面積增加,有利于燒蝕質(zhì)量的增大;但于此同時(shí),弧道沉積能量和等離子體加速過(guò)程也將受到影響,使得等離子體噴射速度變化,進(jìn)而影響單位時(shí)間內(nèi)從腔體噴射燒蝕產(chǎn)物質(zhì)量[25].

4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出推力參數(shù)的影響

圖9給出了不同內(nèi)徑和長(zhǎng)度時(shí)毛細(xì)管推力器輸出元沖量、單次等效燒蝕質(zhì)量、比沖和效率參數(shù)的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)中,毛細(xì)管長(zhǎng)度為16 mm,內(nèi)徑分別為1,3,5,7和9 mm.從圖9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從3 mm 增加至9 mm 時(shí),輸出元沖量從(350.80 ± 7.50) μN(yùn)·s 降低至(173.90± 13.30) μN(yùn)·s.毛細(xì)管內(nèi)徑在此范圍內(nèi)變化時(shí),平均單次燒蝕質(zhì)量近似保持不變,基本維持在60 μg左右.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從1 mm 增加至3 mm 時(shí),元沖量近似不變,但單次平均燒蝕質(zhì)量迅速?gòu)?146.48 ±0.34) μg 減小至(67.4 ± 0.29) μg.由于燒蝕質(zhì)量的迅速減小,使得比沖參數(shù)從(241.09 ± 5.11) s 增加至(531.10 ± 9.07) s,總體效率從8.17%增加至18.26%.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑繼續(xù)增加時(shí),由于元沖量不斷下降,單次燒蝕質(zhì)量近似保持不變,使得計(jì)算所得比沖參數(shù)隨著毛細(xì)管內(nèi)徑增加從(531.10 ±9.07) s 降低至(274.35 ± 20.04) s,總體效率從18.26%下降至4.68%.根據(jù)放電特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,隨著毛細(xì)管內(nèi)徑增大,等離子體等效阻抗減小,放電電流峰值不斷增加,但弧道沉積能量不斷減小.毛細(xì)管內(nèi)徑的增加,使得腔體內(nèi)等離子體的熱膨脹加速作用減弱,因而推力器輸出元沖量不斷下降.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑為1 mm 時(shí),推力器工作過(guò)程中甚至出現(xiàn)熄弧現(xiàn)象.電容中存儲(chǔ)能量未完全釋放,實(shí)際單次放電能量較小,使得輸出元沖量與腔體內(nèi)徑3 mm 時(shí)元沖量較為接近.內(nèi)徑從1 mm 增加至3 mm 時(shí),放電波形從過(guò)阻尼振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)榍纷枘嵴袷?當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑進(jìn)一步增加時(shí),放電腔體內(nèi)表面積增大,有利于增大燒蝕質(zhì)量.但與此同時(shí),由于弧道沉積能量的降低,燒蝕質(zhì)量逐漸減小.

圖9 不同內(nèi)徑下(a) 元沖量,(b) 比沖與效率;不同長(zhǎng)度下 (c) 元沖量,(d) 比沖與效率Fig.9.The impulse bit (a),specific impulse and efficiency (b) of CDPPT with different cavity length;impulse bit (c),specific impulse and efficiency (d) of CDPPT with different cavity diameter.

圖9(c)和圖9(d)為改變放電腔體長(zhǎng)度時(shí),毛細(xì)管型推力器輸出元沖量,單次燒蝕質(zhì)量,比沖和總體效率的變化趨勢(shì).毛細(xì)管內(nèi)徑為5 mm,長(zhǎng)度變化范圍為14 至30 mm.由圖9(c)所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),隨著毛細(xì)管長(zhǎng)度的增大,推力器輸出元沖量先增大后保持在一定范圍內(nèi)波動(dòng).平均單次燒蝕質(zhì)量隨著毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加持續(xù)增大.隨著腔體長(zhǎng)度的增大,等離子體在腔體中受到電熱加速作用的距離增大,腔體出口處等離子體噴射速度將會(huì)提高,因而比沖和效率隨著腔體長(zhǎng)度的增加迅速上升.當(dāng)長(zhǎng)度為18 mm 時(shí),比沖為468.96 s,效率為13.36%,均到達(dá)最大值.隨著腔體長(zhǎng)度進(jìn)一步增大,腔體對(duì)等離子體加速的黏滯阻力增強(qiáng),等離子體的噴射速度難以繼續(xù)提高,因此元沖量呈現(xiàn)飽和趨勢(shì).由于單次燒蝕質(zhì)量持續(xù)增大,推力器比沖和效率不斷下降.當(dāng)毛細(xì)管腔體長(zhǎng)度增加時(shí),等離子體密度和腔體內(nèi)壓強(qiáng)將增加,但等離子體溫度和速度將隨之減小,變化趨勢(shì)與之相反.綜合不同條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推力器原理樣機(jī)在毛細(xì)管長(zhǎng)度為16 mm,內(nèi)徑3 mm達(dá)到較優(yōu)性能參數(shù),可輸出元沖量為350.79 μN(yùn)·s,比沖為531.10 s,總體效率為18.26%.

4.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推力器等離子體羽流參數(shù)的影響

圖10為不同毛細(xì)管內(nèi)徑時(shí),推力器羽流等離子體電子溫度和密度的變化曲線.其中主電容容值2.5 μF,充電電壓2.0 kV,單次放電能量5 J,毛細(xì)管長(zhǎng)度為16 mm.從圖10可以看到,毛細(xì)管內(nèi)徑為1 mm 時(shí),羽流等離子體溫度明顯小于其他內(nèi)徑時(shí)等離子體溫度.盡管較小內(nèi)徑時(shí),電弧通道內(nèi)沉積能量較高,但此時(shí)燒蝕質(zhì)量顯著增加,使得放電腔體內(nèi)粒子密度增大,頻繁的粒子碰撞使電子溫度下降.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從3 mm 增加至5 mm 時(shí),等離子體溫度峰值較為接近,但由于弧道沉積能量的逐漸減小,使等離子體溫度峰值表現(xiàn)出略微下降的趨勢(shì).

圖10 不同內(nèi)徑下羽流等離子體 (a) 等離子體溫度;(b) 等離子體密度Fig.10.Theplasma temperature (a) and plasma density (b) of CDPPT plasma plume with different cavity diameter.

毛細(xì)管內(nèi)徑的增加,顯著降低了放電腔體對(duì)等離子體熱膨脹的加速效果,在相同時(shí)刻下,較大的放電腔體內(nèi)對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)較低,因此等離子體噴射所需壓強(qiáng)梯度累計(jì)時(shí)間延長(zhǎng),等離子體羽流出現(xiàn)時(shí)間增大.毛細(xì)管內(nèi)徑為1 mm 時(shí),燒蝕質(zhì)量最大,且較小的腔體體積進(jìn)一步增加了等離子體密度,使其遠(yuǎn)高于其他內(nèi)徑對(duì)應(yīng)等離子體密度.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從3 mm 增加至5 mm 時(shí),等離子體密度峰值較為接近約為6× 1021m—3,但峰值出現(xiàn)時(shí)刻逐漸推遲.當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑為1和3 mm 時(shí),等離子體密度存在二次增長(zhǎng)時(shí)刻,這意味著二次羽流建立過(guò)程的存在.隨著放電腔體的增大,等離子體密度變化曲線更加連續(xù),二次羽流建立過(guò)程消失.

根據(jù)不同內(nèi)徑下等離子體溫度和密度的變化曲線規(guī)律分析可知,增大毛細(xì)管腔體內(nèi)徑主要影響了等離子體電熱加速過(guò)程.毛細(xì)管腔體內(nèi)徑的增加,將使得加速過(guò)程滯后于放電和燒蝕過(guò)程,電弧沉積能量作用于加速過(guò)程的比例降低,使得推力器等離子體噴射速度下降,元沖量減小,比沖降低,總體效率下降.

圖11為不同毛細(xì)管長(zhǎng)度時(shí),推力器羽流等離子體電子溫度和密度的變化曲線.其中主電容容值2.5 μF,充電電壓2.0 kV,單次放電能量5 J,毛細(xì)管內(nèi)徑為5 mm.隨著毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加,等離子體羽流電子溫度峰值呈現(xiàn)下降趨勢(shì).由于工質(zhì)腔體內(nèi)部表面積與腔體長(zhǎng)度成正比,增大腔體長(zhǎng)度時(shí)使得工質(zhì)與電弧接觸面積增大,燒蝕質(zhì)量增加.然而,一定程度上增大的腔體容積減弱了熱膨脹效果,使得電子溫度峰值時(shí)刻逐漸滯后.從圖11中可以看到,電子溫度變化曲線僅在羽流起始過(guò)程存在差異,隨著放電過(guò)程的進(jìn)行,弧道阻性分量電功率差距逐漸減小,等離子體溫度較為接近.

圖11(b)顯示了等離子體密度的變化趨勢(shì),可以看到,毛細(xì)管長(zhǎng)度的增加對(duì)等離子體密度的影響主要包括兩個(gè)方面.首先,增加放電腔體的長(zhǎng)度可以在一定程度上增大等離子體密度峰值,這也對(duì)應(yīng)了逐漸增大的燒蝕質(zhì)量.由于等離子體噴射需要足夠的壓力梯度,腔體長(zhǎng)度的增加推遲了密度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻.其次,隨著腔體長(zhǎng)度的增加,等離子體密度到達(dá)峰值后衰減速率減慢,對(duì)應(yīng)ICCD 圖像可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用較長(zhǎng)毛細(xì)管腔體時(shí),等離子體羽流可持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間,且其噴射過(guò)程更為穩(wěn)定,不再存在二次建立過(guò)程.

圖11 不同長(zhǎng)度下羽流等離子體 (a) 等離子體溫度;(b) 等離子體密度Fig.11.The plasma temperature (a) and plasma density (b) of CDPPT plasma plume with different cavity length.

結(jié)合不同毛細(xì)管長(zhǎng)度對(duì)等離子體參數(shù)的影響規(guī)律分析可知,增大放電腔體長(zhǎng)度可以提高燒蝕質(zhì)量,延長(zhǎng)推力器推力持續(xù)時(shí)間,增加推力器輸出元沖量.然而,由于持續(xù)產(chǎn)生推力過(guò)程中,較長(zhǎng)放電腔體內(nèi)壓力梯度建立所需時(shí)間更長(zhǎng),使得等離子體加速效率降低,在一定程度上降低等離子體噴射速度,不利于比沖和總體效率的提高.

5 討論

毛細(xì)管推力器工作時(shí),電容器儲(chǔ)存電能量轉(zhuǎn)化為等離子體弧道內(nèi)能,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為等離子體的噴射動(dòng)能.當(dāng)推力器放電起始后,由于回路傳輸線阻抗的存在,其焦耳熱將產(chǎn)生傳輸損耗.隨著放電電流的逐漸增大,弧道沉積能量增大,等離子體溫度升高.毛細(xì)管管壁在熱輻射的作用下,溫度逐漸升高,燒蝕過(guò)程建立.推力器工作時(shí),部分能量將以光輻射形式耗散,因此放電腔體外部可觀察到較為強(qiáng)烈發(fā)光.此外,由于腔體壓強(qiáng)的增大,部分燒蝕產(chǎn)物回流至工質(zhì)管壁,無(wú)法對(duì)等離子體噴射過(guò)程產(chǎn)生貢獻(xiàn).研究表明,放電階段的能量損耗中,輻射損耗與燒蝕粒子回流損耗相比可近似忽略[14].在推力器工作過(guò)程中,由于燒蝕過(guò)程所消耗的能量無(wú)法直接測(cè)量,需要進(jìn)行估算.燒蝕過(guò)程消耗能量與材料分解和相變所需能量有關(guān),可用(13)式表示[26,27]

式中,Eablation為單位工質(zhì)燒蝕所需能量;Ed為工質(zhì)分解耗能;Ef為工質(zhì)相變耗能.結(jié)合材料熱重分析特性,Eablation主要取決于材料物性參數(shù).以PTFE 為例,Eablation約為1.5× 106J/kg.當(dāng)放電能量為6.25 J 時(shí),單次燒蝕質(zhì)量約為100 μg,燒蝕過(guò)程消耗能量約為0.15 J,約占單次放電能量的2.4%.可見(jiàn),在推力器工作過(guò)程中,用于加熱管壁的能量消耗較小,絕大部分注入能量用于工質(zhì)電離、加熱和加速階段.盡管燒蝕過(guò)程消耗能量較小,但是其決定了等離子體產(chǎn)生與腔體內(nèi)部壓力等狀態(tài)參數(shù)及匹配狀態(tài),影響了電熱加速過(guò)程.隨著管壁燒蝕不斷持續(xù),腔體內(nèi)壓力的增大,等離子體在壓強(qiáng)梯度作用下向噴口處加速運(yùn)動(dòng).在電熱加速過(guò)程中,由于黏滯阻力的存在,將會(huì)使等離子體損失部分動(dòng)能.此外,當(dāng)毛細(xì)管腔體噴射等離子體進(jìn)入噴嘴后,在理想條件下,等離子體將產(chǎn)生絕熱膨脹,使其內(nèi)能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能繼續(xù)產(chǎn)生加速效果.然而實(shí)際情況中,由于等離子體在噴嘴滯留時(shí)間較短,其內(nèi)能無(wú)法充分釋放,將產(chǎn)生凍結(jié)流損耗[28,29],不利于推力器總體效率的提高.

由圖12(a)可以看到,當(dāng)放電電壓增加時(shí),能量傳遞效率略有下降,但基本維持在較小范圍內(nèi)波動(dòng),推力器總體效率主要受等離子體加速效率的制約.當(dāng)放電電壓從1 kV 增加至2 kV 時(shí),隨著放電能量的增加,腔體內(nèi)壓強(qiáng)不斷增大,等離子體電熱加速效果增強(qiáng),使得推力器推力效率不斷提高.然而,由于放電腔體中壓強(qiáng)的提高,燒蝕過(guò)程中產(chǎn)生的粒子回流比例也不斷增大,制約了推力效率隨放電能量的進(jìn)一步提高.增大毛細(xì)管管徑時(shí),能量傳遞效率顯著降低,導(dǎo)致推力器總體效率明顯下降.對(duì)于推力效率而言,隨著內(nèi)徑的增加,在壓強(qiáng)梯度和黏滯阻力的相互制約下,推力效率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì).內(nèi)徑變化時(shí),能量傳遞效率和推力效率的變化共同制約了推力器能量傳遞效率的變化.圖12(b)為腔體長(zhǎng)度對(duì)效率的影響規(guī)律.放電腔體長(zhǎng)度的增加使得弧道等效阻抗增加,有利于提高能量傳遞效率.等離子體在放電腔體中進(jìn)行加速時(shí),隨著作用距離的增大,將具有更大的出口速度,因此當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑從14 mm 增加至18 mm時(shí),加速效率不斷提高.當(dāng)進(jìn)一步增加放電腔體長(zhǎng)度時(shí),由于單位面積燒蝕質(zhì)量的減小和粘滯阻力的增大,等離子體加速效率將不斷減小.結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,改變腔體長(zhǎng)度時(shí),推力器總體效率主要受加速效率的制約.

圖12 推力器能量效率 (a) 不同長(zhǎng)度;(b) 不同內(nèi)徑Fig.12.The CDPPT thrust efficiency and transfer efficiency with different (a) cavity length and (b) different cavity diameter.

以上分析表明,提高推力器總體效率需要從能量沉積效率和加速效率兩方面入手.能量傳遞效率主要取決于弧道等效阻抗與外回路阻抗比值,推力器應(yīng)進(jìn)行緊湊化設(shè)計(jì)較小回路阻抗.減小充電電壓,增大放電腔體長(zhǎng)度,減小內(nèi)徑均有利于提高能量傳遞效率.燒蝕粒子回流損耗與燒蝕過(guò)程有關(guān),放電能量的增加會(huì)提高加速效率,但增大的腔體壓強(qiáng)會(huì)增大燒蝕產(chǎn)物回流,這在一定程度上制約了推力器加速效率的上限.較小的電流幅值下,對(duì)應(yīng)較低的等離子體溫度,能夠降低輻射損耗,其主要受限于放電電壓.此外,為了降低凍結(jié)流損耗,還需要對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

6 結(jié)論

本文系統(tǒng)開(kāi)展了不同腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)下推力器放電特性、燒蝕特性、推力特性和等離子體羽流參數(shù)的變化規(guī)律研究.實(shí)驗(yàn)表明,減小毛細(xì)管腔體內(nèi)徑、增大腔體長(zhǎng)度,使等離子體等效電阻增大,有利于提升弧道沉積能量,提升能量傳遞效率;但腔體內(nèi)徑1 mm 時(shí),會(huì)出現(xiàn)熄弧,電容儲(chǔ)能無(wú)法完全釋放.腔體內(nèi)徑從1 mm 增加至3 mm 時(shí),平均等效單次燒蝕質(zhì)量顯著減小,進(jìn)一步增大腔體直徑燒蝕質(zhì)量維持基本不變;腔體內(nèi)徑增加,燒蝕質(zhì)量增大,但單位面積燒蝕質(zhì)量降低.毛細(xì)管推力器總體效率受回路能量傳遞效率和加速效率的共同制約.增大腔體內(nèi)徑顯著降低能量傳遞效率,增大腔體長(zhǎng)度主要影響推力器加速效率.綜合不同腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)下輸出結(jié)果,推力器原理樣機(jī)在單次放電能量5 J,毛細(xì)管長(zhǎng)度為16 mm,內(nèi)徑3 mm 達(dá)到較優(yōu)性能參數(shù),可輸出元沖量350.79 μN(yùn)·s,比沖531.10 s,總體效率為18.26%.下一步工作將進(jìn)一步完善等離子體羽流診斷方法,從羽流粒子組分和速度分布角度,分析推力器能量耦合傳遞對(duì)推力器工作特性的影響機(jī)制.