真空弧推力器构型设计发展现状

李啸天，张天平，吴先明

（兰州空间技术物理研究所 真空与技术重点实验室，兰州 730000）

0 引言

2002年，美国加州州立理工大学提出了纳卫星Cubesat（立方星）的概念并且制订了相关标准，1U体积为10 cm×10 cm×10 cm，质量为1.33 kg，可以进行叠加组合。由于具有成本低廉，制造相对简单，载荷搭载灵活等优势，立方星得到了广泛的应用。如欧盟提出了QB50立方星计划，国内有哈尔滨工业大学、西北工业大学和南京理工大学加入到该计划中。之后，又出现了皮卫星、手机卫星等微纳卫星概念，各国航天机构、高校和公司也纷纷发射了自己的微纳卫星，并且有些还提出了微纳卫星星座计划，少则由数十颗组成，多则几千颗。由此可见微纳卫星的发展十分迅猛。

对比于微纳卫星的发展，微推进技术发展相对较为迟缓，现在入轨的很多微纳卫星并没有携带推进子系统，从长远来看，卫星的性能必将因此而受到影响。因此，在最近几年，各国纷纷开始发展微推进技术，由于真空弧推进技术具有天然优势，正被各国所重视。美国Bricsat-P和日本HORYU-4已搭载VAT入轨，德国搭载了VAT的UWE-4也即将入轨。而最近3年，瑞典、法国、英国、澳大利亚以色列、南非等也加入到真空弧推进技术研究队伍中。国内510所、502所、801所、北京理工大学、北京航空航天大学等也正在对其进行研究。

其中，构型设计是影响微真空弧推力器性能的重要因素，但是目前该技术还不太成熟，各国研究者们进行了很多探索性工作，也得到了不同的推力器性能。对前人的工作进行了总结，探讨了各构型的优缺点，并分析了构型设计发展的趋势，为后续真空弧推力器的构型设计提供借鉴。

目前真空弧推力器的构型主要可以分为平板构型、同轴构型、环型构型和新构型。

1 平板型真空弧推力器

2002年，德国的Schein[1]报道了一种平板构型的推力器，电极是平板结构，中间由平板绝缘层隔开，如图1所示。其优点是推力器制造简单，电极与绝缘环之间结合紧密，类似于平板型的PPT。但缺点是效率太低，性能较差，不能很好的满足应用要求，因此后来并没有得到更多的发展。

图1 平板型真空弧推力器图Fig.1 Flat geometry vacuum arc thruster

2 同轴型真空弧推力器

同轴型真空弧推力器的阴极、阳极、绝缘体共轴分布，但是尺寸不同，由内而外呈现圈状分布。结构简单，镀膜容易，是目前发展最广泛的一种构型。优点是由于阴极和绝缘环的交界面是暴露在推力器的右端，当真空弧等离子产生后，由于端面的反作用力，其产生的等离子羽流与推力器的轴线方向几乎一致，不需要外加磁场就具有较好的束流准直性。缺点是磁场对其效率增强作用相对来说较小，从效率的角度来说，略显不足。另外存在阴极补给较为困难的问题，限制了推力器的寿命。

2.1 美国AASC公司早期同轴VAT

2001年，美国AASC公司[2]在NASA的资助下，联合劳伦-伯克利实验室研发了同轴真空弧推力器，如图2所示。这是近年来最早报导的同轴型推力器，成为了后续各同类推力器发展的基础。其质量（加PPU）为200 g，实心圆柱阴极在最里面，最外面是管状阳极，中间由管状绝缘体隔开。经测量，其元冲量为1 μNs，推功率比为2.2 μN/W，比冲为1 100～3 000 s，效率最大能达到12%。

图2AASC公司早期同轴型真空弧推力器图Fig.2 AASC early coaxial VAT

2.2 日本茨城大学研发的同轴VAT

2006年日本茨城大学和日立公司的研究人员提出一种基于电容储能脉冲驱动的同轴真空弧推力器[3]，如图3所示。其中阴极和阳极都是使用的铜材料，阴极直径为1.6 mm，阳极直径为7.0 mm，SiO2绝缘管厚度为0.7 mm，将两电极隔离，电压为8 kV，峰值电流为120 A。测得离子的能量为300 eV，一个脉冲产生的离子的总数量约为6.8×108个。

图3 日本茨城大学同轴型VAT图Fig.3 Japan Ibaraki University coaxial VAT

2.3 德国JMUW联合研发的同轴型VAT

2013年，德国的JMUW和UniBWM联合瑞典的LTU为UWE-4纳卫星研制了同轴真空弧推力器[4]，其大小为7 mm×7 mm×80 mm，4个推力器的质量为50 g，输入电压为3～5 V，1 Hz频率工况下功耗为1 W左右，元冲量为1～30 μN·s，比冲为139～1 666 s，推功比为1～20 mN/W。具有锥形羽流，束流发散半径小于20 mm。采用了轻量化设计，如图4阳极直接使用卫星上的铝边框，这样可以节省安装空间，在卫星上共安装了4个推力器。研究人员发现若使用实心圆柱阴极，在工作的过程中，阴极有很大部分几乎都没有烧蚀，大部分烧蚀发生在阴极的边缘，造成了极大的浪费，于是将阴极改为管状结构，该推力器使用弹簧作为推进剂补给机构。

图4 德国UniBWM研发的同轴型VAT图Fig.4 coaxial VAT developed by UniBWM in German

2.4 南非威特沃特斯兰德大学研发的同轴VAT

2013年，南非的威特沃特斯兰德大学为Tshepi⁃so Sat研发了一种同轴推力器[5]，阴极直径为6 mm，没有阴极补给机构。阳极的外径为25 mm，内径为10 mm，阴极端面较阳极端面缩进去0.5 mm，如图5所示。绝缘环的外径为10 mm，内径为6.35 mm，长度为25 mm，且绝缘环的端面比阴极的端面要低0～0.25 mm。该实验小组认为阴极的端面如果低于阳极的端面会使得阴极烧蚀的可靠性增加，而绝缘环的端面低于阴极的端面也会进一步增强可靠性。

图5 南非威特沃特斯兰德大学研发的同轴型VAT图Fig.5 Coaxial VAT developed by Witwatersrand University in SouthAfrica

2.5 日本九州工业大学研发的同轴型VAT

2013年，日本九州工业大学为HORYU-4纳卫星研发了300 V电压直接驱动的同轴真空弧推力器[6]，其中加入了弹簧作为推进剂的补给机构，这种推力器具有紧凑的结构和极轻的质量采用的CFRP作为推进剂。其大小为Φ6 mm×Φ14 mm，质量2 g。该推力器结构的特点是阴极具有三结点结构，在点火初期可以产生直接由300 V电压击穿，不需要额外的触发装置，可以直接为真空弧的形成提供蒸气环境。使用6.6 μF的电容和300 V的点火电压，测得冲量为1.5 μNs，比冲约为1 000 s。另外在套筒的设计上采用了分离式设计，分成两个部分，可以拆开从两侧装入安装架上。外侧是阳极，将绝缘环通过螺纹旋合于阳极管内，内部的阴极是CFRP，如图6所示。

图6 日本九州工业大学研发的同轴型VAT图Fig.6 Coaxial VAT developed by Kyushu Institute of Technology，Japan

2.6 英国萨里大学设计的同轴型VAT

2015年，英国萨里大学[7]设计了一种同轴真空弧推力器，阴极的长度为35 mm，外径为19 mm，其中阴极使用了两种形状。第一种阴极是圆柱型并且使用锥形结构的末端，长度为10～19 mm；第二种阴极是空心圆柱型，长度为15 mm。管状阳极的材料是铜，阳极和阳极座之间采用螺纹连接。另外在阳极的断面也留有3个螺纹孔，便于永磁体的安装。阴极如图7所示，使用一个紧定螺丝来固定阴极，使其便于拆卸。当点火频率在54 Hz时，此推力器的功耗为4.2 W，测量得到的比冲为1 000 s。在试验中发现，对于锌材料，若采用锥形的阴极结构，并且阴极和阳极端面平齐的时候，可以使推力达到3.3 mN，较圆柱型阴极增大了6.3倍。

图7 英国萨里大学设计的同轴型VAT图Fig.7 coaxial VAT designed by the University of Surrey，UK

2.7 澳大利亚悉尼大学研发的同轴VAT

2015年，澳大利亚悉尼大学的研究人员研发了一种中心烧蚀的同轴阴极真空弧推力器[8]，结构如图8所示。实心圆柱阴极中间孔处的激发装置来激发真空弧，使其从阴极的轴心处开始往外烧蚀，产生真空弧。该机构研究人员认为这样不会使阴极材料升华，而是利用激发棒产生的蒸气来为真空弧的引燃提供击穿环境，减少对比冲无贡献的中性微粒或者液滴，从而使阴极产生等离子体的离子电流比更高，产生的比冲也越高。通过测试表明，该推力器的比冲为2 500～4 600 s。

图8 澳大利亚悉尼大学研发的同轴阴极真空弧推力器图Fig.8 Coaxial cathode vacuum arc thruster developed at the University of SydneyAustralia

2.8 以色列海法空间等离子体实验室研发的同轴VAT

2017年，以色列的海法空间等离子体实验室研发了一种直列螺旋补给的同轴VAT[9]，如图9所示，该VAT的管状阴极位于同轴的绝缘环套内，阳极环套在绝缘环的外部，形成了无激发机制所需要的交界面，为了保持VAT在长时间的操作过程中保持外形不便，使用了一个可控的机构使得阴极向阳极方向螺旋运动以填补烧蚀的部分，这也使得阴极可以旋转，从而使其更均匀烧蚀。使用补给机构使得阴极的端面始终和阳极的端面平齐，使得气动加速机制能够最大化的作用以产生推力，减少外部增强结构。其直径为15 mm×15 mm×66 mm，总质量约为60 g。推力器产生的推力为7.0 μN，比冲为400 s，效率为0.5%，其寿命达到了106次。

图9 以色列的海法空间等离子体实验室研发的同轴VAT图Fig.9 Coaxial VAT developed by Israel's Haifa Space Plasma Laboratory

3 环型真空弧推力器

2009年GWU的Zhuang等[10]报导了一种环型结构的真空弧推力器，结构如图10所示。阳极、阴极、绝缘环的内外径相同，三者同轴排列，左端是弹簧起补给作用，整个电极由一个绝缘的套筒所包裹，左端由带螺纹的绝缘塞封口。其中，电极的外径为6.35 mm，内径为4.85 mm，阳极长1 mm，阴极长60 mm，中间由一个1 mm长的绝缘环隔开。绝缘环内侧镀上一层1～10 kΩ的薄导电涂层和阴极的内侧平齐，形成交界面，初始等离子体将在此交界面上产生。推力器外侧添加了电磁线圈作为磁增强结构，左边加一个不锈钢环以吸收向左发散的磁力线，左端面与阴极和绝缘环的交界面平齐，其外径为45 mm，内径为9 mm，长约15 mm。

环型结构的好处主要有两方面：（1）阴极补给十分方便，而且从阴极的内侧往外侧烧蚀，阴极可以得到完全烧蚀，并且由于阴极的壁厚不厚，不会因为所需击穿电压过高而失效；（2）阴极和绝缘环的交界面是沿着轴向方向几乎是同一个平面，利于阴极烧蚀产生的微粒对烧蚀的薄导电涂层进行补给，可以增强推力器的寿命，实验中寿命达到了108次，这比一般的VAT高出了近两个量级。

缺点是产生的等离子方向是垂直于轴线方向，只有一部分等离子体的速度方向是沿着轴线向外发散的，从而造成了等离子体的损失过多。为了解决这个问题，Taisen随后使用了同轴磁场来进行速度转化和束流，意外地发现磁场对推力器的性能有了极大的提高。一方面将更多的等离子速度方向由法向转化到轴向，减少等离子体的损失；另一方面，对于钛阴极，洛伦兹力对管内离子加速一段距离后，在推进器的出口处离子速度提高了近两倍，同时还提高了阴极的烧蚀率，提高了离子与总电流的比值，增加了推力器的效率和元冲量，最后得出的结论是可实现离子速度提高2倍、元冲量提高10倍、效率提高7%。在持续几年的研究后，2012年Taisen报导了推力器的参数。其包络体积为100 mm3，质量为60 g，比冲为3 000 s，元冲量为1 μN·s，推功比为10 μN/W。这相比于之前的同轴推力器性能有了较大地增强。

图10 GWU大学设计的环型VAT图Fig.10 GWU University designed ring geometry VAT

4 新构型真空弧推力器

4.1 双阴极构型

2013年GWU的Keidar等[11]提出一种双阴极模式微真空弧推力器。推力器包含两种同轴分布的镍阴极和钛阴极，被陶瓷绝缘环隔开，如图11所示，外部的电极是钛，外径为10.16 mm，内径为8.33 mm，内部的电极是镍，外径为6.35 mm，内径为5.08 mm。陶瓷绝缘环使两个电极的间距为0.96 mm。所有的电极被铝管外壳包裹，中心是钛阳极，左端用带螺纹的特氟龙绝缘塞封闭。陶瓷右端面镀有导电涂层和阴极端面形成交界面，初始等离子体将在此交界面产生。

图11 双阴极构型VAT图Fig.11 Bio-Cathode Configuration VAT

另外，管状电磁线圈包裹在推力器的外面，外径为38 mm，内径为13.5 mm，以脉冲模式工作，为推力器提供磁场增强。实验表明，钛阴极的离子与总电流的比值为3.25%，在无磁场下，离子速度达到20 km/s，在磁场为0.2 T时，离子速度增加到30 km/s，可产生1 μN·s的元冲量。镍阴极的离子与总电流的比值为3%，在无磁场下，离子速度达到10 km/s，在磁场为0.2 T时，离子速度增加到20 km/s，可产生2 μN·s的元冲量。研究人员认为此种设计可以满足纳卫星不同需求，对于不同的任务模式，可以选择比冲较高的钛阴极，也可以选择元冲量较高的镍阴极，同时保证了推力器的结构紧凑小巧。

4.2 热阳极构型

2014年GWU的Teel[12]提出了一种平板构型的加热阳极模式的阴极真空弧推力器。无激发机制产生的准中性等离子体是一种电离的气体，在其扩散的方向上，随时会碰撞到周围的壁面从而冷凝回到固体状态，在阴阳极上形成涂层效应，这样对于推力器的性能会造成不利的影响，通过加热阳极可以使冷凝的离子涂层重新蒸发并且对阳极表面形成反作用力，进一步增加推力，形成二次发射过程。该构型是层叠的平板构型，用一层层平板氮化硼将平板电极分隔。在阳极的后面，安装加热电阻丝，如图12所示，工作方式分为两种模式，一种是不加热模式；另一种加热模式。可以看出，在加热模式下，不仅朝轴向向右方向的等离子体可以发射产生推力，沿着轴线方向向左沉降在阳极上的等离子体可以通过加热的方式二次发射产生推力，这样就增强了推力器效率和阴极的利用率。每一层氮化硼的厚度为4 mm，长宽分别为25 mm和30 mm。这种结构同时可以保证与周围环境绝热，将热量集中在阳极上。阳极为钨，具有高熔点不易蒸发，而阴极使用的铜熔点较低。实验表明，在冷模式下，效率为0.08%，在加热模式下，效率提高到了0.6%。

图12 加热阳极模式的平板型VAT图Fig.12 Heating the anode mode VAT

4.3 双电极烧蚀构型

2016年，GWU的Lukas等[13]提出了一种新型的双电极烧蚀模式的VAT，如图13所示。VAT由阴极、阳极、外壳和补给机构组成，其中磁增强结构可以是永磁铁或者电磁线圈，绝缘陶瓷是镀有导电涂层的，这种结构，既可以烧蚀阳极，又可以烧蚀阴极。研究人员认为在等离子体加速区域，离子与中性粒子碰撞，传递给中性离子能量，产生中性粒子流，同时电子和离子碰撞，发生动量交换，产生离子流，而这两种质量流都能产生推力。另外，虽然烧蚀阳极产生的大部分是中性粒子，从阴极产生的电子或者原子能够与这些中性粒子碰撞，增强了电离的可能性，因此会产生更加浓密的等离子体，从而增强气动压力，加速羽流，产生更高的比冲，并且提高推力器的效率。除此之外，根据公式T=ṁve，ṁ是粒子质量流率，ve是粒子速度。分析可以知，相比于只烧蚀阴极的情况下，同时烧蚀两电极可以增强粒子的质量流率，从而提高推力。根据计算，研究人员估计这种推力器可以将推功比提高2～3倍。其他方面的性能增强还等待实验验证。

图13 双阴极烧蚀VAT图Fig.13 Double electrode ablation mode VAT

5 总结

微真空弧推进技术是应用于纳卫星的一种极佳的电推进技术，在最近几年里得到了密集的发展。引燃真空弧的方式有很多，目前得到广泛应用的是无电极激发机制，在这种机制下，推力器的构型设计也比较灵活。主要集中在电极的分布，阴极的端面形状，阴极端面和阳极端面，绝缘体端面的三者位置关系，阴极的补给方式等方面，以均匀烧蚀，提高阴极利用率和推力器寿命，增强离子电流密度，提高比冲推力和效率等。同轴结构有利于增大推力，环型结构有利于延长寿命，旋转补给有利于阴极均匀烧蚀，新构型可以提高阴极利用率。另外，不同构型推力器的长处不同，性能也各不相同，针对不同的空间推进任务，应该设计相应构型的微真空弧推力器。

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