吸气式电弧加热发动机直流放电等离子生成试验研究

戴芳立，杨寒，徐勇，杨龙，赵光磊，赵宏

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

0 引言

与传统化学推进相比，吸气式电推进的投资规模小，入门难度低，取得技术突破获得技术成果的可能性高，在超低轨道卫星应用前景广阔[1-2]。在1959年，轨道器收集空气作为推进剂的理念[3]被Demetriades第一次提出。上个世纪90年代开始，欧美等国家对吸气式栅网型离子推进器（ABIE）的研究取得了一系列的成果，对其吸气方式、电离方式、加热方式和推进过程等进行了大量的分析和改进[4-5]。欧空局在2018年3月5日发布了吸气式电推进试验的消息，发动机为双模式发动机，既可使用氙气工质，也可使用空气工质，工作高度为200km，飞行器飞行速度7.8km/s[6]。国内方面，航天五院在火星探测方案中，提出了吸气式螺旋波电推进进行航天器轨道维持的方案[7]；北京卫星环境工程研究所完成了以原子氧为工质，综合考虑碰撞、激发、电离等过程，通过13.56MHz射频加热，由磁喷口完成推力输出的吸气式螺旋波电推进器仿真模拟[8]。

本文在超低轨道来流模拟技术、电弧加热发动机技术、空间环境模拟试验硬件条件基础上，探索吸气式电弧加热发动机方案与结构设计、试验方法等相关技术，为工程样机研制及吸气式稳态等离子发动机技术探索奠定基础[9]。

1 试验装置及工作原理

等离子体放电试验装置分布如图1所示，试验装置实物如图2所示。

图1 放电试验装置分布示意图

图2 试验装置实物及附件

其中包括真空舱、真空机组、真空机组控制系统、试验电源、氮气加热装置、配气系统、测量系统以及铜电极板等[10]。

利用氮气加热装置供应给定压力、温度的氮气，并通过0.6mm孔向真空舱内供应一定流速的氮气，模拟太空中来流氮气。试验电源在设定的电压条件下，通过穿舱电极对舱内电极板进行供电；真空机组对舱内进行抽真空，调整至设定的真空度条件；进行试验时采用的导电性较强的铜电极板，电极板下端固定，上端固定在导轨上，通过开舱手动调节上电极板之间的上下运动以达到调节电极间距之间的距离，利用绝缘材料聚四氟乙烯（FR-4）将两导电电极与舱体隔开；利用真空硅传感器对真空度进行监测[11]。

2 试验结果分析

2.1 无来流条件下等离子体生成分析

由图3可得出如下结论：

图3 无来流条件下电极间距为100mm不同压力下的放电脉冲

①无来流条件下，气体放电前，气体分子保持绝缘状态。②无来流条件下，在10Pa、40Pa、100Pa、1atm等不同环境压力下均出现了气体放电现象。放电现象是在电极间电压达到放电阈值时产生，此时放电电流为最大值，随后气体发生电离使极间气体电阻下降，放电电流下降至较小值，但保持持续放电状态。③环境压力越低，最大放电电流越大，当环境压力为10Pa时，最大放电电流约为0.045A[12]。

2.2 氮气来流条件下等离子体生成分析

给定电极间距60mm，氮气来流压力0.4MPa，温度283k,通过0.6mm孔模拟来流氮气，对试验装置在不同真空度下进行放电测试，结论如下：①在283K氮气来流条件下，气体放电前，气体分子保持绝缘状态；②在283K氮气来流条件下，在80pa、40pa、20pa、10pa等不同环境压力下均出现了气体放电现象（气体放电脉冲波形见图4），当电极间电压达到放电阈值（分别为168V、167V、139V、94V）时立即产生放电，且此时放电电流为最大值，随后气体发生电离，气体电阻逐渐下降，放电电流随之下降，但保持持续放电状态；③环境压力越低，放电现象越明显，最大放电电流越大，当环境压力为10Pa时，最大放电电流达0.8A[13]。

图4 来流氮气条件下电极间距为60mm不同压力下的放电脉冲

3 结语

通过试验数据分析，得到了各种因素对等离子生成的影响，由此得到以下结论：①真空度越低，等离子体生成越容易；②电极距离为100mm时，在10pa真空度下更容易形成等离子体；③在相同的电极距离和真空度条件下，来流氮气与静止状态下相比，电极之间更加容易放电，放电电流更大，形成的放电效果更加明显。