一种新型Z-Pinch PPT的设计和试验

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1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240 2. 上海空间推进研究所，上海 201112

20世纪80年代以来，国际上微小卫星的发展十分迅猛。但其阻力补偿和位置保持、轨道提升以及姿态控制等所需要的传统推进系统占整星质量的15%～35%，对于深空探测卫星甚至高达60%。因此，需要研制轻质量、高比冲、小体积、低成本及推力易控制的新型推力器。由于脉冲等离子体推力器(PPT)是具备上述特点的电推力器之一，因此，在微小卫星研究领域受到越来越多的关注[1]。

对PPT的研究，目前基本集中在固体推进剂结合平行板电极类型。传统平行板电极PPT工作时，首先将储能电容器充电至所需电压，然后半导体火花塞点火，电容器沿着推进剂聚四氟乙烯表面放电，电流形成于工质表面，热流将聚四氟乙烯表面的分子解聚、分裂、电离，随后在广义洛仑兹力和气动压力的共同作用下，等离子体被加速，膨胀喷出产生推力。火花塞是推力器正常工作的关键[2]。文献[3-4]研制了一种平行板电极尾部采用弹簧馈送型PPT，通过测量获得了放电电流和电压波形等工作参数，计算得到了比冲、元冲量等性能参数。文献[5]运用磁流体动力学的方法，建立了PPT工作过程模型，对推力器的烧蚀传热过程进行了分析。文献[6]对固体烧蚀型PPT的工作特性展开研究，测得其推力器推功比为9.5～10.5μN/W。文献[7-8]则对PPT开展了时空分辨光谱诊断研究。文献[9-10]测量了微PPT的等离子体电子密度，并对放电过程进行研究。国外，文献[11]研究设计了一种小型化电极PPT，并测量其相关性能参数。文献[12]对PPT放电初始阶段带电粒子的移动进行数值模拟。以上文献对PPT的研究表明，虽然传统PPT具有比冲高、体积小、成本低等优点，但是存在弹簧等活动部件和火花塞，且推功比比较低。

文献[13]研究设计了一种同轴型PPT，该推力器的工作原理是在真空中，对工质聚四氟乙烯高压放电，使工质电离为等离子体。在电磁场的作用下，等离子体加速排出，形成推力。虽然该推力器不需要火花塞，但其需要2 000 V的高压。文献[14]提出了一种气体短脉冲等离子体推力器，该推力器工质为氩气，当阴阳两极之间的电压超过击穿电压，两极之间形成电流，氩气被加热，进而电离，产生等离子体。虽然该推力器也不需要火花塞，但是，其点火电压高达20 000 V。同时，其工质为气体，需要贮箱来储存，额外增加了推力器系统的体积。因此，在保持固体推进剂优势的同时，去掉火花塞并降低点火电压是目前PPT领域的研究方向。

1965年，文献[15]发现Z-Pinch可以被改造产生轴向流动等离子体。文献[16]将Z-Pinch原理应用于PPT，形成推功比比较高且无需弹簧的Z-Pinch PPT，但由于火花塞的存在导致尺寸减小受到限制且存在安全隐患。Z-Pinch的应用越来越广泛，但是国内对Z-Pinch的研究和应用主要集中在核聚变、X射线激光器、X射线和中子源以及脉冲强磁场等方面。文献[17]研究设计了一种用于Z-Pinch实验的多幅激光差分干涉诊断系统。文献[18]在聚龙一号上，首次完成了Z-Pinch X射线背光照相实验。文献[19]设计了基于LTD技术的Z-Pinch驱动器。文献[20]分析了Z-Pinch驱动聚变-裂变混合堆氚燃料循环系统。但是，将Z-Pinch原理应用在PPT上，国内还没有进行相关研究。

本文将Z-Pinch原理应用到PPT上。同时，通过对聚四氟乙烯表面进行改性，实现点火和放电一体化，降低点火电压，提出一种无火花塞的自点火Z-Pinch PPT(Z-Pinch SI-PPT)。对该推力器进行真空舱点火试验和性能参数测量，包括比冲、平均推力、推功比等，并与传统Z-Pinch PPT以及其他类型的PPT性能参数进行比较。

1 Z-Pinch SI-PPT工作原理和结构设计

1.1 工作原理

图1 Z-Pinch SI-PPT结构简图Fig.1 Schematic diagram of the Z-Pinch SI-PPT

Z-Pinch最早出现在核聚变研究领域里，用来提供高温稠密的等离子体。如图1所示，在Z-Pinch中，用中间带孔的阴极来替换传统阴极，径向箍缩时，等离子体从小孔轴向喷出。当Z-Pinch SI-PPT阴阳两极充电至给定电压，聚四氟乙烯表面会产生电流片，烧蚀聚四氟乙烯。因为推进剂容器是圆筒形，所以电流片也是圆筒形。在推进腔的最大半径处形成电流片，原因是该位置处回路阻抗最小。随着电流的不断增大，在电流片的外侧产生磁场。电流片向推进腔中心移动的过程中，因为阳极为钉状，所以电流片并不是完全以圆筒形向中心移动，而是产生了倾斜。电流片和磁场相互作用，产生向内放射状的电磁力。在电磁力的作用下，烧蚀聚四氟乙烯产生的电子和离子等带电粒子，被径向加速。该过程被称为电磁加速(箍缩加速)。因为等离子体存在电阻，所以在放电过程中会生成大量热量，推进腔内温度不断升高，聚四氟乙烯表面会形成等离子体区域。功率处理单元、阴阳两极、推进剂表面以及等离子体之间会形成导电回路，进而放电。推进腔内粒子数量急剧增加，该区域的压力也随之迅速升高。推进腔内的压力远高于推力器外部区域，在内外压力差的作用下，烧蚀聚四氟乙烯产生的各种粒子，从阴极中心小孔处加速喷出。各种粒子在加速之后从推进腔中喷射而出，内外压差减小。该过程被称为电热加速。在电磁加速和电热加速的共同作用下，等离子体获得较大速度，从阴极中心小孔处喷射而出，产生推力。

1.2 结构设计

Z-Pinch SI-PPT主要由推力器本体和为其供电的电源处理单元(PPU)组成。

(1)推力器本体设计

该新型推力器(如图2所示)包括推进剂、阴极、阳极和绝缘体等。由于无需火花塞，所以尺寸可以做到非常小。

图2 Z-Pinch SI-PPT样机Fig.2 Z-Pinch SI-PPT model

推进剂的主体仍然是聚四氟乙烯，为圆柱形。与传统脉冲等离子体推力器相比，该推力器不需要推进剂供应装置。为了去掉火花塞，在聚四氟乙烯表面镀上一层弱导电材料，研制出点火和放电一体化的推进剂，大大降低了点火电压，也使得结构非常紧凑，理论上可以做到目前加工工艺能实现的最小包络尺寸。

该推力器两个电极均由黄铜制成。阳极是钉状，电流片向推进腔中心移动的过程中，并不是以圆筒形向中心移动，而是产生了倾斜。阴极的中心位置有一个小口，轴向流动的等离子体会从这个小口中喷射流出。

(2)功率处理单元设计

Z-Pinch SI-PPT实现点火，功率处理单元(PPU)需要输出脉冲高压，PPU采用电感储能升压原理。

功率处理单元主要包括方波信号发生器、MOSFET、电感和电池组等原件。PPU的工作原理为，当一个方波信号作用于MOSFET时，MOSFET开通。电感持续储能。当信号变为低电平时，MOSFET关断，此时，电感两端产生电压，电感中储存的能量作用于推力器的阴阳两极，推力器开始点火工作。设计的PPU样机实物如图3所示。输入电压为20 V，输入电流为1.5 A。

图3 功率处理单元Fig.3 Picture of PPU

2 点火试验

2.1 推力器点火

将该推力器固定在支架上，放入极限真空为1×10-4Pa的小型真空舱内，调整支架的位置，以便通过舱壁上的观察窗对推力器的试验状况进行监控。将真空舱抽真空至极限真空度，打开推力器电源系统进行点火试验。

当给推力器的阴阳两级加上电压之后，推力器便开始工作。图4中，可以看出推进剂烧蚀产生的羽流。

图4 在真空舱中放电过程Fig.4 Discharge in vacuum chamber

为了考察推进剂燃烧后的状态以分析推力器性能，利用低真空超高分辨场发射扫描电子显微镜对点火工作后的推进剂表面扫描，结果如图5所示，F元素的质量百分比为69.07%，C元素的质量百分比为27.16%，两者质量之比为2.54:1。此外，还检测出Fe的质量百分比为0.65%，Cu的质量百分比为0.63%，Zn的质量百分比为0.56%，这说明电极表面出现了轻微的溅射材料并沉积到推进剂表面，对于放电室内的溅射和沉积现象以及对性能的影响还需要后续进行深入研究。

聚四氟乙烯分子式为(C2F4)n，F元素和C元素的质量之比为19:6。由此可见，C的百分比增加了，这是由于随着推进剂被烧蚀，推进剂表面出现了轻微碳化现象。

图5 推进剂中元素分布Fig.5 Distribution of elements in propellant

2.2 点火机理研究

Z-Pinch SI-PPT以传统Z-Pinch PPT为基础，采用点火和放电一体化的改性聚四氟乙烯为推进剂。推进剂的主体材料仍然是聚四氟乙烯，结构为圆筒形。通过在聚四氟乙烯表面镀一层弱导电材料，对推进剂进行改性。在传统Z-Pinch PPT工作过程中，火花塞的作用是提供带电粒子，使电容器、阴极、推进腔和阳极形成一个回路。通过在Z-Pinch SI-PPT聚四氟乙烯表面镀一层弱导电材料，实现了推进剂表面直接放电点火的目的。

当Z-Pinch SI-PPT阴阳两极充电至给定电压，由于阴极和阳极之间圆筒形推进剂表面的弱导电性使得两端电压升高，推进剂表面温度随之升高并产生少量的涂层和推进剂蒸汽，蒸汽在高电压下放电完成自点火过程。由于电极的特殊形状和结构，在推进剂表面迅速形成圆筒形电流片，烧蚀电离推进剂，径向加速烧蚀产物。

当Z-Pinch SI-PPT点火工作时，推进腔内的粒子除了撞击推进剂表面外，还会撞击黄铜电极，黄铜电极发生溅射现象。溅射是指在真空状态下，具有一定能量的粒子，主要包括离子、中性粒子等，撞击固体表面。固体表面粒子之间相互碰撞，发生动量和能量的转移。因此，固体表面的分子或原子，在获得足够大的能量后，从固体表面逃逸。在Z-Pinch SI-PPT工作过程中会连续不断的有少量被溅射出来的金属沉积在推进剂表面，给电流片的产生提供初始路径，实现持续点火。

3 Z-Pinch SI-PPT性能分析

3.1 电流和电压分析

图6中给出了推力器工作过程中一个脉冲的放电特性，其中实线为电流曲线，虚线为电压曲线。从图6中可以看出，初始时电压为20 V，点火电压为480 V。可见，采用点火和放电一体化的改性聚四氟乙烯为推进剂，降低了点火放电的电压峰值。充电过程持续时间为1 ms，此时电流增大，最大值为24 A，随后电流缓慢下降。从图中可以计算得出，该新型推力器的运行功率为4.8 W。

图6 放电电流和放电电压曲线Fig.6 Discharge current and voltage trace in Z-Pinch SI-PPT

3.2 单位时间推进剂消耗量

将推力器放在梅特勒模块上，为了防止空气中的水分等杂质影响推力器的测量质量，在每次测量前，将推力器放进干燥箱进行干燥处理。记录下此时的质量，随后将推力器放入真空舱中，点火一段时间，同时记录点火时间。将推力器从真空舱中取出，置于梅特勒模块上测量质量，计算点火前后的质量差。重复以上过程3次，计算质量差的平均值，减少试验误差。经过测量和计算，单位时间推进剂损耗量为41.43 μg/s.

3.3 推力器元冲量

如图7所示，采用打靶法测量推力器元冲量[21]。用细绳悬挂一个薄片，将其放置在推力器出口处。当推力器工作时，薄片会运动一定的角度。通过薄片运动的角度和其他参数即可计算元冲量。

图7 测量元冲量实验装置简图Fig.7 Diagram of impulse bit experiment device

图8 薄片运动轨迹示意Fig.8 Diagram of slice movement trace

该方法基于动量定理和能量守恒定律，来测量元冲量：

It=Ft=mbvb

(1)

(2)

一个脉冲内的总冲It(即元冲量)为：

(3)

则平均推力F为：

(4)

比冲Isp为：

(5)

通过计算表明，比冲为211 s，平均推力为85.6 μN，推功比为17.83 μN/W。

为了考察Z-Pinch SI-PPT的性能，将其与同轴型PPT[13]、气体PPT[14]、平行板固体PPT[6]和传统Z-Pinch脉冲等离子体推力器[16]进行比较。表1分别给出了5种推力器包络尺寸，是否需要火花塞，推进剂种类，点火电压，比冲和推功比等情况。可见，虽然同轴型PPT和气体PPT都不需要火花塞，但是它们都需要较高的点火电压，而Z-Pinch SI-PPT的点火电压仅为480 V，为同轴型PPT的24%，气体PPT的2.4%。Z-Pinch SI-PPT包络尺寸较小，仅为21 mm，因此可以应用于微小卫星的姿态控制。同时，可以在一个微小卫星上装备多个Z-Pinch SI-PPT，而只需要采用一个DC-DC转换电源，是一个典型的单电源多推力器的应用。

Z-Pinch SI-PPT的平均推力为85.6 μN，推功比为17.83 μN/W，比传统PPT的推功比要大69.8%。Z-Pinch SI-PPT推功比较大的关键在于电热加速过程。传统PPT推进剂曝光区域只是一个平面，而Z-Pinch SI-PPT推进剂曝光面积是圆筒形。曝光面积的提高，表明烧蚀推进剂粒子的数目增多，进而导致烧蚀区域的压力升高。因此，更有利于等离子体进行电热加速。

目前Z-Pinch SI-PPT的比冲虽然偏小，但有多种方案可以约束羽流提高比冲，如在阴极小孔处增加一个喷嘴，可以提高等离子体速度；或者增加推进舱的高径比，改变阴极小孔的大小，以及改变阳极钉状物的高度。推力器提高比冲及性能优化的工作，将在未来陆续展开。

表1 五种推力器性能比较

4 结束语

将Z-Pinch原理应用于PPT，结合自点火技术成功地研制了无需火花塞的脉冲等离子体推力器原理样机，试验结果表明，本文研制的Z-Pinch SI-PPT点火顺利可持续，并得到如下主要结论：

1) 真空舱内多次点火实现累计脉冲1万多次的试验并结合多种参数测量表明，该推力器初步达到了设计要求。平均推力85.6 μN，推功比17.83 μN/W，比冲211 s。

2) 该推力器无需弹簧进行推进剂给进，没有任何活动部件，也无需火花塞辅助点火，大大降低了点火电压、尺寸和质量，并保持了Z-Pinch PPT高推功比的性能。与同样无需火花塞的同轴固体PPT相比，点火电压降低了76%，比气体PPT降低了97.6%(见表1)。

3) 扫描电镜结果表明，推进剂表面出现轻微碳化现象，并且，在工作过程中会连续不断沉积少量被溅射出来的金属(见图8)，实现了无需火花塞而保持持续脉冲和重复点火。

4) 推力器的比冲相对较低，后续需要采取多种方法优化推力器性能和提高比冲，如优化出口形状和尺寸等。并且，从理论上讲，由于Z-Pinch PPT的特殊结构以及依靠电流片产生的径向洛伦兹力箍缩作用将等离子体“挤出”推力器的原理，该型推力器的推进剂利用效率会高于传统固体PPT，但这还需要深入研究。