同轴型微阴极电弧推力器的设计及性能测试

梁 轲，韩 钰，王平阳，田雷超

（1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240；2. 哈尔滨电力职业技术学院 动力系， 哈尔滨 150030；3. 上海空间推进研究所，上海 201112）

0 引言

近年来，微纳卫星的发展十分迅速，其主要特点是重量轻、体积小、成本低、研发周期短、可编组运行[1]。在遥感、导航、通信、海洋探测等领域都有极大的应用前景，已经成为卫星技术的发展方向之一。

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备小型化、低功耗、低成本、高效率等特点，是微纳卫星动力装置的理想选择。美国乔治·华盛顿大学的Keidar和Zhuang团队在μCAT研究方面具有代表性，他们对μCAT的原理和结构进行了分析，设计了微推力测试台，分别对不同磁场下的离子速度、阴极斑点的旋转、推力器羽流分布情况等推力器性能参数进行了研究[2-4]。Zhuang提出通过改变外加磁场的位置，使其轴心与推力器轴心不重合，从而改变推力器的推力方向以达到矢量推进的目的[5]。Fuchikami对μCAT的元冲量进行了测量，计算了推力器效率[6]。

国内对μCAT的研究起步较晚，北京控制工程研究所、兰州空间技术物理研究所等机构对该型推力器开展了相关研究[7-8]，完成了原理样机的验证工作，进行了初步的点火实验，但是对该型推力器，尤其是同轴型μCAT的元冲量、比冲等推力器性能参数的实验研究较少，尚未见有文献报道。

本文针对阴极和阳极结构、磁场构型及脉冲电压提供电路等部分进行设计，研制了一种同轴型μCAT，并在真空舱内进行了多次点火和长时间运行，对推力器的放电特性、阴极烧蚀量、离子电流和元冲量等关键参数进行测量分析，计算得到了推力器的比冲、推力、电离率等基本性能参数。

1 同轴型μCAT设计

设计目标是推力器能够在真空环境下多次重复稳定点火，尺寸及质量指标符合微纳卫星对于推力器小型化的要求，元冲量和推力分别能达到μN·s和μN量级，通过外加磁场可以增大推力器的推力。

本文所设计的同轴型μCAT系统由3部分组成（参见图1）：

1）推力器本体：包括阳极、阴极、绝缘体、工质进给机构和外壳固定装置；

2）电源处理单元（Power Process Unit, PPU）：包括直流电源、方波发生器、电感装置和场效应管等；

3）外加磁场：包括电磁线圈和磁芯。

图2 所示为本文所研制的同轴型μCAT的实物照片，其总重约为78 g，其中本体质量约为8.4 g。

图2 本文研制的μCAT实物Fig. 2 Sketch of the developed μCAT

1.1 推力器本体的设计

推力器本体的核心部件为阳极、阴极及绝缘体。

本推力器的阳极材料选用黄铜。黄铜导电性能好，熔点与硬度都比较高。阳极的直径为1.8 mm，较小的直径可以使推力器的整体尺寸更小。

阴极材料选用钛。放电阴极材料的选择直接影响其放电特性，材料熔点过高，不易烧蚀；熔点过低，会在烧蚀时产生较大的金属液滴，降低工质的电离率。阴极为环形结构，外径6.3 mm、内径4.8 mm、长度8 mm，套在绝缘体外，并与绝缘体紧密配合。阴极的长度决定着推力器的寿命，但是其长度不能超过绝缘体的长度，以防止推力器尾部放电。

阴阳极之间的绝缘体材料采用绝缘性好、不易被击穿的陶瓷。阴阳极之间的放电不是击穿绝缘体放电，而属于沿绝缘体表面的闪络放电[9]，在绝缘体头部涂一层导电薄膜可有效降低闪络电压。绝缘体为环形，厚1.5 mm，套在阳极外，并与阳极紧密配合。绝缘体的厚度要适中，过厚会导致放电电压增大，过薄则易被击穿。

在推力器中，弹簧也是重要的部件，作为简单而可靠的进给机构，当放电阴极头部材料被烧蚀殆尽时，弹簧会推动阴极向前移动，以保证阴极的持续烧蚀；同时，弹簧连接电源处理单元，将负电位施加在金属阴极上。

1.2 电源处理单元的设计

PPU采用电感储能的方式为推力器提供脉冲式电压，其核心元器件包括金属−氧化物−半导体场效应管（MOSFET）、方波矩形信号发生器和电感，参见图3。

图3 PPU电路简图Fig. 3 Circuit diagram of the PPU

方波发生器通过控制场效应管的通断来控制推力器的工作脉冲频率。当场效应管导通时，直流电源为电感充电；当场效应管断路时，由楞次定律知，电感产生一个峰电压L(dI/dt)加载到推力器阴阳极两端，导致阴阳极间绝缘体表面的导电介质层被烧蚀，从而产生微等离子体，进而触发阴阳极之间电弧放电。

图4所示为本文所研制推力器的PPU实物照片。

图4 本文研制的推力器PPU实物Fig. 4 Sketch of the PPU of the developed thruster

1.3 外加磁场的磁路设计

外加磁场的作用是为阴极表面提供横向磁场，使阴极斑点在阴极表面做“反向运动”，配合进给弹簧使阴极表面得到均匀烧蚀，以延长推力器寿命[10]；远离推力器的区域是磁场发散区域，带电粒子的运动轨迹为一条发散螺旋线，带电粒子的轴向速度随磁感应强度的减小而增大[11]。如图5所示，喇叭形磁场约束使等离子体轴向速度增大，径向速度减小，从而增大轴向推力与比冲，并减小推力器的羽流发散角，减少等离子体羽流回流对推力器造成的污染[12]。置于电磁线圈阴极一侧的磁芯用于约束磁感应线方向，使其在阴极斑点附近产生横向磁场。

图5 喇叭状磁场Fig. 5 Schematic diagram of trumpet magnetic field

外加电磁线圈采用线径为0.47 mm的聚酯漆包圆铜线绕制，线圈匝数为240匝；磁芯厚度为2 mm，材料为纯铁。

为确定磁场的具体分布情况，使用FEMM软件对外加磁场进行仿真与分析[13]。图6所示为电磁线圈通电电流为1 A时，有无磁芯条件下的磁场分布情况。结果显示，当加入磁芯后，磁感应线发生了显著的变化，图6(b)红框处（即阴极斑点所在处）的横向磁感应强度分量明显增大，有利于阴极斑点的“反向运动”。

图6 通电电流为1 A下的磁场分布Fig. 6 Magnetic field distribution with 1 A current

2 μCAT性能测试与结果分析

2.1 点火与放电特性

图7为本文所研制推力器在真空舱（压力5×10-3Pa）内的点火羽流图像，在未加磁场时羽流的发散角较大，在外加0.044 T的磁场后羽流明显向轴线方向聚集，磁场对等离子体的约束作用十分明显。

图7 自研推力器的羽流Fig. 7 Plume of the developed μCAT

图8为本文所研制推力器的放电特性曲线，0 s之前，PPU电路处于通路状态，放电电流曲线为PPU电路的电流曲线。由于电路中电感的存在，电流缓慢上升，为电感储能，电压值为0；当电路断开时，PPU给推力器阴阳极之间施加高电压，触发电弧放电，电感中的能量以电弧方式释放，随着电感储存能量的减少，放电电流逐渐降低到0，至此1个放电脉冲结束。

图8 本文所研制推力器的放电特性曲线Fig. 8 Discharge characteristics of the developed μCAT

根据放电特性曲线可知，推力器的点火电压为620 V，放电电压稳定为46 V左右，放电结束瞬间电感产生反电动势，形成第2个较低的高电压峰；放电电流达到23 A，然后逐渐降低到0，放电持续时间约为 520 μs。

2.2 阴极损耗量的测量

为得到单次脉冲的阴极质量损耗量，采用梅特勒称重天平对推力器阴极点火工作前/后的质量进行称量，得到阴极质量损耗量，并记录每次工作区间的重复点火次数。为减少误差，在每种工况下对推力器进行3次点火实验，每次脉冲次数在20 000次以上。通过测量和计算，在本文实验条件下（磁场强度低于0.044 T），单次脉冲阴极质量损耗量平均为 0.253 μg。

2.3 总离子电流与电离率

图9为总离子电流测量原理示意，采用半球型收集板收集总离子电流，以保证尽可能多地收集离子，减少由离子反射等因素造成的损失。收集板一端正对推力器喷口，另一端接推力器阴极。在收集板探针上施加-50 V的负偏压足以排斥电子，收集离子饱和电流。改变外加磁场的强弱，记录不同磁场情况下的离子电流。

图9 总离子电流测量原理Fig. 9 Schematic diagram of total ion current measurement setup

推力器的电离率是指阴极损耗的质量中被电离的比例，其计算式为

式中：mi为单个离子的质量；Iion为离子电流；e为电子电荷；Z为钛离子平均电荷态；为放电时阴极质量的平均单位时间损耗率。

离子电流测量及电离率计算结果见表1，未加磁场时电离率为4.67%，外加磁场后电离率有所上升，在磁感应强度为0.044 T时，电离率为6.89%。作者认为，电离率的提升主要是因为磁场对于等离子体的横向约束作用减少了离子在阴极斑点处到推力器喷口之间的推力器通道壁面上的损失，这也与观测到的羽流随着磁场的施加而更加汇集的现象相符。尽管采用半球型收集板，但由于等离子羽流反流污染的存在[14]，导致总离子电流测量值比实际值略有降低。

表1 不同磁场下的总离子电流与电离率Table 1 Total ion current and ionization rate in different magnetic fields

2.4 元冲量与比冲

如图10所示，采用打靶法测量推力器的元冲量[6]。将一薄圆片置于推力器的喷口处，当推力器点火时，圆片受力会向左移动。通过高速相机记录下圆片的位移过程，测量摆长L和圆片的水平最大位移X。

图10 元冲量测量示意图Fig. 10 Schematic of impulse bit measurement

该方法基于能量守恒和动量守恒定律：

式中：mw为圆片的质量；vw为推力器给圆片的初始速度；F为推力器的平均推力；It为一个脉冲周期内的总冲，即元冲量；g0为重力加速度，取9.8 m/s2。

联立式(2)和式(3)，可得：

为了减小测量误差，薄圆片材料选用聚酰亚胺，质量应尽可能小，使其受到推力器的推力后摆动幅度更大，本文中实验所用圆片质量为20 mg。圆片的直径应大于推力器喷口直径，以确保可覆盖到推力器出口处的初始羽流。在初始状态，圆片质心应与推力器出口位于同一轴线。在测量元冲量时，将脉冲频率设定为5 Hz，降低推力器工作频率可以在测量时免除2次脉冲之间对圆片的互相干扰。

推力器的元冲量随磁场的变化如图11所示：在未加磁场时，元冲量为0.485 μN·s；当外加磁场达到0.044 T时，元冲量增大了165%。可见外加磁场的施加能够增大推力器的推力。

图11 不同磁感应强度下的元冲量Fig. 11 Impulse bit with different magnetic field

根据测得的元冲量和单次脉冲阴极质量损耗量，可以得到推力器的比冲。未加磁场时，推力器的比冲为195.6 s；当外加磁场磁感应强度为0.044 T时，推力器的比冲达到了518.2 s。这主要是因为磁场对等离子体的约束作用使等离子体在洛伦兹力的作用下轴向速度增大，在推力器壁面上的损耗减少，羽流向轴侧汇集。推力器的平均推力F与外加磁场强度和工作频率f有关，F=Itf，其大小在10 μN量级。

3 结论

本文设计了自点火同轴微阴极电弧推力器的阴极和阳极结构、磁场构型及电感储能电路等关键部件，实现了该推力器在真空舱内的多次重复点火和长时间稳定运行，对推力器的多种主要参数进行实验测量，得到如下主要结论：

1）本文研制的CA-μCAT性能稳定，本体质量仅为约8.4 g，符合微纳卫星的质量要求；无磁场情况下的电离率为4.67%，外加磁场强度为0.044 T时电离率提高到6.89%。

2）采用打靶法测量该推力器的元冲量，无外加磁场下，元冲量为0.485 μN·s；随着外加磁场的增大，推力器的元冲量和比冲也随之增大。在外加磁场磁感应强度为0.044 T时，元冲量为1.285 μN·s，比冲为518.2 s，基本满足预先的设计要求。

3）在本文实验参数范围内，推力器性能随外加磁场磁感应强度的增大而提高，表明推力器的性能还有很大的优化空间；但磁场增强会使得热效应加重，因此，高效的热设计是后续提高推力器性能的主要研究方向之一。