王帥,劉向陽(yáng),*,趙子靖,郭浩然,耿金越,沈巖,3,王寧飛

1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100081 2.北京控制工程研究所,北京 100190 3.中山大學(xué) 航空航天學(xué)院,廣州 510275

1 引言

微陰極電弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)是一種利用電弧放電形成推力的微推進(jìn)裝置[1-2]。相比于應(yīng)用較為廣泛的離子推力器和霍爾推力器,μCAT沒有管路、閥門等復(fù)雜部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且能夠在較低的功率下穩(wěn)定放電,因此在微納衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整和位置保持任務(wù)上具有較好的應(yīng)用前景[3-4]。

μCAT羽流診斷對(duì)推力器性能研究具有重要意義。μCAT羽流中的電子溫度能夠體現(xiàn)其產(chǎn)生等離子體的能量水平,不同條件下電子密度和離子速度的變化規(guī)律能夠揭示元沖量變化的內(nèi)在機(jī)理,有助于選取μCAT的最佳工作條件。文獻(xiàn)[5]利用PIC方法對(duì)μCAT羽流進(jìn)行仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)位形和強(qiáng)度能夠影響羽流特性,最終對(duì)推力器性能產(chǎn)生影響。

文獻(xiàn)[6-7]利用柵網(wǎng)探究了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的離子速度,文獻(xiàn)[8]用μCAT進(jìn)行磁路設(shè)計(jì),并利用法拉第筒測(cè)量了離子速度,3個(gè)研究均測(cè)得離子速度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大,但未研究磁場(chǎng)位形對(duì)μCAT離子速度的影響。文獻(xiàn)[9]利用朗繆爾三探針測(cè)試了μCAT羽流情況,研究中發(fā)現(xiàn)探針在2cm以上的距離時(shí),被測(cè)信號(hào)衰減較大。該研究對(duì)鉬和鎢銅合金兩種不同陰極材料的μCAT進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果中鉬陰極μCAT的電子溫度和電子密度均略高于鎢銅合金,但沒有對(duì)此進(jìn)行深入的討論,也未對(duì)磁場(chǎng)和充電能量的影響進(jìn)行研究。綜上,前人對(duì)μCAT樣機(jī)羽流已經(jīng)進(jìn)行了一定的測(cè)試試驗(yàn),但目前缺少關(guān)于μCAT不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其羽流等離子體影響規(guī)律的全面研究。

本文利用朗繆爾三探針診斷系統(tǒng)對(duì)μCAT羽流進(jìn)行診斷,測(cè)得μCAT羽流等離子體的電子溫度、電子密度和平均離子速度,得到了外加磁場(chǎng)、充電時(shí)間以及陰極材料對(duì)羽流等離子體特性和離子速度的影響情況,并對(duì)有關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行分析,闡釋內(nèi)在機(jī)理,為μCAT工作參數(shù)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)設(shè)置與方法

2.1 μCAT試驗(yàn)樣機(jī)

本文采用的樣機(jī)為同軸型μCAT,包括推力器頭部和功率處理模塊(PPU),實(shí)物如圖1所示。頭部陰極材料為鈦,陽(yáng)極材料為銅,由氧化鋁制成的絕緣體將陰極和陽(yáng)極隔開,其端面涂覆鈦導(dǎo)電薄膜。其功率處理模塊包括電感、控制單元以及穩(wěn)壓電源等,穩(wěn)壓電源為24V直流電源,放電電流峰值為25～60A?？梢酝ㄟ^電腦上傳程序到Arduino Nano開發(fā)板控制μCAT充電時(shí)間和工作頻率。

圖1 μCAT實(shí)物Fig.1 Physical diagram of a μCAT prototype

2.2 羽流診斷試驗(yàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:真空系統(tǒng)、推力器樣機(jī)、朗繆爾三探針測(cè)量系統(tǒng)及電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng),如圖2所示。其中,朗繆爾三探針結(jié)構(gòu)將在后文詳細(xì)敘述。

試驗(yàn)需要在真空艙中進(jìn)行,試驗(yàn)過程中真空艙內(nèi)環(huán)境壓強(qiáng)可達(dá)5×10-3Pa,基本滿足試驗(yàn)要求。樣機(jī)頭部置于真空艙內(nèi),PPU置于真空艙外,朗繆爾三探針固定在步進(jìn)電機(jī)上,在μCAT頭部中軸線上進(jìn)行一維平移,分別在距離推力器頭部端面5mm、10mm和15mm處進(jìn)行診斷。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

試驗(yàn)使用的示波器型號(hào)為Tektronix公司的MDO3024,電壓探頭型號(hào)為P4100,電流探頭型號(hào)為CP8150A。本文使用的朗繆爾三探針利用鎢絲作為探針電極,鎢絲直徑為0.3mm,裸露長(zhǎng)度為10mm。探針支撐管為陶瓷管,裸露電極末端使用無機(jī)高溫膠密封,防止等離子體進(jìn)入管內(nèi)。陶瓷管表面采用銅箔包裹,探針接線采用多芯屏蔽電纜,并且直接穿過法蘭連接到艙外,盡可能地屏蔽電磁干擾。探針電源電壓選用36.5V。

本文研究了外加磁場(chǎng)、充電時(shí)間和陰極材料對(duì)μCAT羽流的影響。采用的磁路系統(tǒng)為銣鐵硼環(huán)形磁鐵,可以通過設(shè)置不同位置和數(shù)量的磁鐵,改變磁場(chǎng)位形和強(qiáng)度,具體設(shè)置方式如圖3所示。本文設(shè)置的充電時(shí)間為100μs、120μs、140μs和160μs,陰極采用鈦陰極、CuW陰極(Cu30%W70%)和AgW陰極(Ag30%W70%)。

圖3 外加磁體與μCAT頭部相對(duì)位置Fig.3 Position of the magnet relative to the head of μCAT

2.3 朗繆爾三探針

(1)等離子體特性診斷

文獻(xiàn)[10]提出了朗繆爾三探針,改進(jìn)了脈沖等離子體特性的診斷方法。相對(duì)于單探針和雙探針,三探針無需掃描電源,能夠測(cè)量等離子體電子溫度和電子密度的瞬時(shí)值,大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理過程[11-13]。三探針的原理如圖4所示。

圖4 朗繆爾三探針原理示意Fig.4 Principle of a triple Langmuir probe

在探針1和探針3之間施加直流電源Vd3,探針2為懸浮探針,利用電壓探頭可測(cè)得探針1和探針2之間的電壓值Vd2,利用電流探頭測(cè)得探針1和探針3之間通過的電流值I,可以通過下式求解獲得電子溫度Te:

式中:e為電子電荷量,k為玻爾茲曼常數(shù)。電子密度ne可由下式求得:

式中:mi為平均離子質(zhì)量;A為探針裸露面積。在計(jì)算合金電子密度時(shí),假設(shè)其平均離子質(zhì)量與陰極的平均原子質(zhì)量相同。德拜長(zhǎng)度λD為:

式中:ε0為真空介電常數(shù)。對(duì)于μCAT,德拜長(zhǎng)度遠(yuǎn)低于探針尺寸,因此滿足薄鞘層理論[11]。

(2)離子速度測(cè)量

離子速度可由放電電流信號(hào)和探針電流信號(hào)獲得。根據(jù)飛行時(shí)間法(TOF法),其原理如圖5所示。電流峰值所處的時(shí)間為μCAT初始工作瞬間,記為t1,如圖中特征點(diǎn)1。放電電流峰值前探針電流峰值被認(rèn)為是放電干擾,放電電流峰值后探針的第一個(gè)電流峰值時(shí)間為等離子體運(yùn)動(dòng)到探針位置的時(shí)刻,記為t2,如圖中特征點(diǎn)2。通過放電電流峰值與探針電流峰值時(shí)間差dt與距離L計(jì)算得到離子運(yùn)動(dòng)的平均速度[14-15]:

圖5 離子速度測(cè)試原理Fig.5 Principle of ion velocity test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 朗繆爾三探針測(cè)試結(jié)果

圖6(a)為μCAT樣機(jī)典型放電曲線,圖6(b)為朗繆爾三探針的電壓電流曲線。從圖6(b)中可以看到,探針的電流信號(hào)在初始階段受到干擾形成了一個(gè)尖峰,然后迅速下降,接著與等離子體相互作用達(dá)到峰值。在放電末期,由于電壓波動(dòng)較大,探針電流信號(hào)有明顯的異常擾動(dòng),因此認(rèn)為數(shù)據(jù)不可信。目前認(rèn)為可信數(shù)據(jù)區(qū)段的起始點(diǎn)為探針電流信號(hào)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間,終止點(diǎn)為探針電流信號(hào)平滑處理后的第一個(gè)負(fù)值前,標(biāo)注如圖6(b)所示。

圖7為根據(jù)有效數(shù)據(jù)計(jì)算得到的電子溫度和電子密度,可以發(fā)現(xiàn)在放電過程中,電子溫度和電子密度在放電初期迅速到達(dá)峰值,再逐漸下降。其中,電子密度只在初期形成一個(gè)很高的峰值,之后維持在較低水平,說明μCAT放電初始階段產(chǎn)生的等離子體能量水平較高,瞬時(shí)質(zhì)量流率也較大。下文中比較不同條件對(duì)等離子體特性的影響時(shí),均采用探針電流峰值和其對(duì)應(yīng)時(shí)間的探針電壓值。

圖6 推力器放電及探針測(cè)試結(jié)果Fig.6 Thruster discharge and probe test results

實(shí)驗(yàn)測(cè)得電子溫度峰值為十幾電子伏,隨著放電進(jìn)行,降至幾電子伏。文獻(xiàn)[16]利用朗繆爾探針對(duì)鈦氫化合物陰極真空電弧直流放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行診斷,電流峰值為40A,在10mm處測(cè)量的電子溫度為6.14～14.72eV,與本文結(jié)果相近。

圖7 等離子體特性時(shí)間演變Fig.7 Time evolution of plasma properties

3.2 磁場(chǎng)的影響

圖8為3種磁場(chǎng)作用下,在μCAT中軸線上三個(gè)測(cè)量位置的電子溫度?？梢钥吹诫S著等離子體向下游擴(kuò)散,電子溫度會(huì)逐漸降低。相對(duì)于B-1,B-2改變了磁場(chǎng)位形,B-3減小了磁感應(yīng)強(qiáng)度。對(duì)比不同磁場(chǎng)下的電子溫度可知,外加磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng),羽流電子溫度越高。相比之下,外加磁場(chǎng)位形對(duì)羽流電子溫度的影響比磁感應(yīng)強(qiáng)度更強(qiáng)。

圖8 外加磁場(chǎng)對(duì)電子溫度的影響Fig.8 Effect of external magnetic field on electron temperature

圖9為3種磁場(chǎng)條件下,在μCAT中軸線上3個(gè)測(cè)量位置的電子數(shù)密度?？梢钥吹诫S著距離的增大,電子密度呈減小趨勢(shì)。對(duì)比B-1和B-3可知,外加磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,電子數(shù)密度越小。但磁感應(yīng)強(qiáng)度不是決定電子溫度與電子數(shù)密度的唯一因素,對(duì)比B-1和B-2可知,磁場(chǎng)位形的改變大大提高了中軸線上的羽流電子數(shù)密度,說明外加磁場(chǎng)位形對(duì)等離子體特性有較大的影響,在研究中不可忽視[6,8]。

圖9 外加磁場(chǎng)對(duì)電子數(shù)密度的影響Fig.9 Effect of external magnetic field on electron density

圖10為在3種外加磁場(chǎng)分布作用下,在μCAT中軸線上3個(gè)測(cè)量位置的離子速度軸向分布?？梢钥吹诫x子速度隨著距離的增大在逐漸增加。對(duì)比B-1和B-2可以發(fā)現(xiàn),兩種磁場(chǎng)位形不同位置處的離子速度均比較相近,可見磁場(chǎng)位形的改變對(duì)離子速度的影響不大。對(duì)比B-1和B-3可知,外加磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng),離子速度越快。該結(jié)果與文獻(xiàn)[6,8]的結(jié)論相符。

圖10 外加磁場(chǎng)對(duì)離子速度的影響Fig.10 Effect of external magnetic field on ion velocity

利用FEMM軟件計(jì)算磁場(chǎng)沿中軸線方向的強(qiáng)度,結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出,B-1與B-2的磁感應(yīng)強(qiáng)度積分相近,其離子速度也相近。但二者的強(qiáng)度積分?jǐn)?shù)值約為B-3的兩倍,離子速度也大于B-3。由此可知外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度積分越高,受洛倫茲力影響越大,離子速度越高。

圖11 外加磁場(chǎng)中軸線上的強(qiáng)度分布Fig.11 Intensity distribution along axis of applied magnetic field

μCAT中軸線上的外加磁場(chǎng)方向主要以軸向方向?yàn)橹?即軸向的磁場(chǎng)對(duì)μCAT放電等離子體起著重要作用。外加磁場(chǎng)B-2相較于B-1,在距離放電端面0～5mm區(qū)域磁場(chǎng)方向與5～15mm的磁場(chǎng)方向相反且其磁感應(yīng)強(qiáng)度絕對(duì)值較大。在這種情況下,B-2電子溫度相對(duì)較低,電子數(shù)密度相對(duì)較高。這是因?yàn)橄喾捶较虻耐饧哟艌?chǎng)使電子受力前后相反,導(dǎo)致其相對(duì)聚集,限制了電子的運(yùn)動(dòng)。電子難以擴(kuò)散,使得電子數(shù)密度升高,電子溫度降低。B-3的磁場(chǎng)位形與B-1相近,但整體上磁感應(yīng)強(qiáng)度比B-1弱得多,因此磁場(chǎng)對(duì)等離子體加速的效果不如B-1。

綜上所述,外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng),電子溫度越高,離子速度越高,但電子密度有所降低。外加磁場(chǎng)位形對(duì)μCAT羽流具有重要作用,B-2中軸線處的電子溫度和電子密度比起B(yǎng)-1大大增加,而離子速度相對(duì)不變。因此可以說明,外加磁場(chǎng)位置向推力器下游平移,有望提高推力器的元沖量。

3.3 充電時(shí)間的影響

由于充電時(shí)間對(duì)羽流等離子體的影響在不同位置處規(guī)律相同,選取10mm位置處的電子溫度、電子密度和離子速度進(jìn)行說明,結(jié)果如圖12所示,其中磁場(chǎng)條件為B-1,陰極材料為Ti。隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng),電子溫度、電子密度和離子溫度均有所增大。從圖中可以看出,延長(zhǎng)充電時(shí)間對(duì)電子溫度的增益不明顯。電子速度增大的程度比其他兩個(gè)參量大得多,充電時(shí)間從100μs增大到160μs,電子密度從1.35×1016m-3增大到3.11×1016m-3,是原來的兩倍多。

圖12 充電時(shí)間對(duì)羽流等離子體的影響Fig.12 Effect of charging time on plume plasma

圖13為放電電流峰值和平均功率隨充電時(shí)間的變化,可以看出隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng),峰值電流和平均功率增大,而單個(gè)陰極斑點(diǎn)產(chǎn)生的等離子體射流不變,電流增大時(shí)產(chǎn)生了更多的陰極斑點(diǎn),從而產(chǎn)生了更高密度的等離子體。

圖13 充電時(shí)間對(duì)電流峰值和平均功率的影響Fig.13 Effect of charging time on current peak and average power

3.4 陰極材料的影響

表1為B-1磁場(chǎng)條件下,不同材料作陰極時(shí),在μCAT中軸線上10mm處測(cè)得的電子溫度、電子密度和離子速度?？梢钥闯鯰i陰極羽流等離子體的電子溫度高于其他合金,約為CuW陰極的兩倍。CuW陰極羽流等離子體的電子數(shù)密度最高,Ti最低。從速度來看,陰極材料對(duì)羽流等離子體的離子速度影響較小,Ti陰極μCAT的離子速度略高于另外兩種材料。

表1 陰極材料對(duì)羽流等離子體的影響

本文測(cè)得的不同陰極材料速度結(jié)果與前人結(jié)果有較大差異。文獻(xiàn)[17]測(cè)試了不同材料陰極真空電弧放電的離子速度,放電電流為100～300A,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ti陰極的離子速度與Cu、Ag和W差別較大。而本文發(fā)現(xiàn)不同材料陰極的離子速度差別并不大,因此μCAT的離子速度可能還與推力器結(jié)構(gòu)及外加磁場(chǎng)等因素有關(guān),仍然需要推力器級(jí)的不同陰極材料離子速度測(cè)量試驗(yàn)。

表2為陰極材料對(duì)推力器放電特性的影響情況。可以看出,3種材料的放電特性差別不大,因此在放電能量不變的情況下,Ti陰極電離產(chǎn)生的更少,而電子得到了更高的能量。

表2 陰極材料對(duì)放電特性的影響

Ti陰極μCAT電子密度較低可能與其低導(dǎo)熱系數(shù)和較高的熔沸點(diǎn)有關(guān)。雖然Ti的第一電離能較低,容易電離,但Ti的導(dǎo)熱系數(shù)僅為15.24W/(m·K),而CuW的導(dǎo)熱系數(shù)為220W/(m·K),并且Ti的熔沸點(diǎn)比Cu高,導(dǎo)致Ti陰極放電時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽濃度較低,最終電離產(chǎn)生的電子密度較低。這表明不同陰極材料的燒蝕特性不同,產(chǎn)生的等離子體的量不同,導(dǎo)致電子密度有所差異。

4 結(jié)論

本文利用朗繆爾三探針對(duì)μCAT羽流特性進(jìn)行診斷,得到了μCAT等離子體的電子溫度、電子密度和離子速度等參量,研究了外加磁場(chǎng)、充電時(shí)間和陰極材料對(duì)μCAT羽流等離子體的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論:

1)μCAT放電初期產(chǎn)生的等離子體電子溫度較高,密度較大。隨著等離子體向下游運(yùn)動(dòng),電子溫度和電子密度逐漸降低,離子速度逐漸增大。

2)μCAT羽流等離子體狀態(tài)受外加磁感應(yīng)強(qiáng)度與位形共同作用。外加磁場(chǎng)越強(qiáng),電子溫度和離子速度越高。磁場(chǎng)位置適當(dāng)向下游平移,電子密度增大,離子速度差別不大。原因在于等離子體加速過程受磁感應(yīng)強(qiáng)度積分影響,磁感應(yīng)強(qiáng)度積分越大,受洛倫茲力影響越大,離子速度就越大。

3)μCAT充電時(shí)間越長(zhǎng),羽流等離子體的電子溫度、電子密度和離子速度越大。原因在于充電時(shí)間越長(zhǎng),放電電流和平均功率越大,形成了更多的陰極斑點(diǎn),產(chǎn)生了能量水平更高、密度更大的等離子體。

4)相比于CuW和AgW陰極,Ti陰極μCAT羽流的電子溫度較高,電子密度較低。原因主要在于不同陰極材料的燒蝕特性有所差異,電離生成的等離子體總量不同,導(dǎo)致電子密度不同。