脈沖等離子體推力器等離子體羽流的光譜研究

張 華，吳建軍*，何 振，李是良，張 宇

1. 國防科學技術大學航天科學與工程學院，湖南 長沙 410073 2. 國防科學技術大學指揮軍官基礎教育學院，湖南 長沙 410073

脈沖等離子體推力器等離子體羽流的光譜研究

張 華1，吳建軍1*，何 振1，李是良2，張 宇1

1. 國防科學技術大學航天科學與工程學院，湖南 長沙 410073 2. 國防科學技術大學指揮軍官基礎教育學院，湖南 長沙 410073

脈沖等離子體推力器(pulsed plasma thruster, PPT)具有體積小、重量輕、比沖高等優(yōu)點，特別適合作為執(zhí)行微小衛(wèi)星軌道轉移、阻力補償和姿態(tài)控制等任務的推進系統(tǒng)。為了深入理解PPT推力產生的機理，本文對采用具有張角的舌型極板的尾部饋送式PPT等離子體羽流開展了時空分辨光譜診斷研究。通過對光譜數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)： 等離子體羽流的主要成分為C，F(xiàn)，C+，F(xiàn)+，C2+，還含有少量的由于極板燒蝕產生的Cu+和Cu2+； 等離子體在放電通道內的分布不均勻，通道中心的等離子體濃度最大，靠近陽極板的等離子濃度要明顯大于靠近陰極板的等離子體濃度； 在不同位置處等離子體成分也具有較大差別，F(xiàn)+和中性粒子主要分布在靠近陽極側的區(qū)域； 通過對各個分立譜線進行多普勒線性擬合，得到了放電通道內等離子體溫度信息； 以中軸線靠近工質的觀測點為例，對該點在整個放電過程中不同時刻的譜線進行分析，得到了該點等離子體的具體演化過程，發(fā)現(xiàn)在放電的不同階段羽流成分及各組分所占比例差別較大。

脈沖等離子體推力器； 羽流； 光譜診斷； 等離子體成分； 等離子體溫度

引 言

脈沖等離子體推力器(pulsed plasma thruster，PPT)是一種具有多年空間應用經驗的電推進系統(tǒng)，平均推力范圍為10 μNs～1 Ns，特別適合執(zhí)行微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、阻力補償和軌道轉移等推進任務[1-2]。固體燒蝕型脈沖等離子體推力器以固體為工質(通常為聚四氟乙烯)，通過誘導存儲在電容器中的能量放電，沿著固體推進劑表面的電弧加熱燒蝕工質，使工質分解并電離，電離產生的等離子體在電磁場中被加速噴出推力器，從而產生推力[3]。PPT工作過程復雜，同時耦合了多種電磁、電熱及流動等物理過程，且以脈沖方式工作，每次脈沖持續(xù)時間短(大約十幾微秒)，因此等離子體的狀態(tài)變化和運動過程異常復雜，目前，等離子體產生推力的機理仍沒有得到全面細致的闡述[4-5]。

作為產生推力的直接介質，等離子的運動過程及狀態(tài)參數(shù)對推力器性能有重要影響。在PPT研究之初，等離子體被假設集中在具有一定厚度的等離子體薄片中，該等離子體薄片整體被加速平移噴出[6]。隨著高速攝影在等離子體檢測方面的應用，研究發(fā)現(xiàn)： 等離子并非集中在等離子體薄片中，而是分布在整個極板通道內[7-8]。通過對等離子體通道內的電流密度和磁場強度的測量，發(fā)現(xiàn)在整個放電過程中推進劑燒蝕表面附近區(qū)域內的等離子體密度和磁場強度最大[9-10]。

圖1 脈沖等離子體推力器結構示意圖

本文采用時空分辨光譜的方法對等離子體成分及其在極板通道內的空間分布進行了診斷研究，為理解PPT推力的產生機理、數(shù)值仿真的初始條件和邊界條件設置以及仿真結果的對比提供了依據(jù)。

1 等離子體溫度計算方法

在局部熱力學平衡系統(tǒng)中，處于激發(fā)態(tài)j的粒子濃度Nj呈波爾茲曼分布

(1)

其中，kB為波爾茲曼常數(shù)，Te為電子溫度，N為總粒子數(shù)濃度，gj為上能級統(tǒng)計權重。Z為配分函數(shù)，是各分能級波爾茲曼函數(shù)權重之和。

處于激發(fā)態(tài)j的粒子自發(fā)輻射到激發(fā)態(tài)i，粒子輻射強度可被定義為

(2)

其中V為等離子有效發(fā)光區(qū)域體積；η為根據(jù)波長誤差范圍和儀器檢測精度定義出的修正系數(shù)；εji為等離子體發(fā)射系數(shù)，正比于j能級的粒子數(shù)，可表示為

(3)

其中h為普朗克常量，c為光速，Aji為自發(fā)輻射的愛因斯坦系數(shù)，λji為自發(fā)輻射的波長。

則式(2)可表示為

(4)

另取一條從激發(fā)態(tài)k到激發(fā)態(tài)l的自發(fā)輻射譜線作為參照譜線，輻射波長為λkl，兩條輻射譜線的輻射強度之比為

(5)

則電子溫度可表示為

(6)

由上可知，僅通過兩條譜線即可唯一確定電子溫度Te。但在實驗中往往測得多條譜線，僅用兩條譜線計算得到的電子溫度對所選取的譜線依賴較大，如果用于計算電子溫度的譜線選取不當，則會造成較大計算誤差，為了減小電子溫度的計算誤差，上式可改寫為

(7)

其中

(8)

C0與激發(fā)態(tài)j到激發(fā)態(tài)i的輻射無關，僅為激發(fā)態(tài)k到激發(fā)態(tài)l自發(fā)輻射的相關參數(shù)的函數(shù)。當以各分立譜線分別以ln(Ijiλji/gjAji)為因變量，以Ej為自變量做線性擬合，斜率的相反數(shù)即為電子溫度，C0的大小僅影響擬合曲線的位置，不影響擬合曲線斜率的計算結果，即不影響電子溫度的計算，因此可以將C0看做是常數(shù)。

圖2 時空分辨光譜實驗方案和測量位置示意圖

2 實驗部分

2.1 儀器

實驗采用美國Princeton Instruments(PI)公司生產的Acton SP2300i光柵光譜儀、PI-MAX2 ICCD相機、ST-133時序控制器以及美國Ocean Optics公司生產的QP600-2-SR光纖、P600-5-UV-VIS光纖、VFT-600-UV-133真空法蘭、74-UV準直透鏡。工作軟件為與光柵光譜儀配套的WinSpec/32，版本號為v2.5.25.2。

2.2 方法

本研究所用PPT的電容容量為10 μF，初始放電電壓為2 000 V，即放電能量為20 J，采用具有28°張角的舌型極板。本實驗所采用的方案如圖2所示，在PPT的放電通道內選取如圖2所示的9個點進行檢測，采用兩個垂直設置的電位移平臺來控制測量點位置。綜合考慮光譜強度和時間分辨率，選取曝光時間為50 ns，為了保證檢測的空間分辨率，采用準直透鏡進行聚焦。實驗過程中，光譜儀采用門模式工作，PPT的放電和光譜儀采集時序由ST-133進行控制。當ST-133向PPT的點火系統(tǒng)發(fā)出點火信號的同時，光譜儀的機械快門打開，等待門信號進行曝光。通過設置門信號相對于點火信號的延遲時間和門信號寬度來設定曝光時機和曝光時間。在開展光譜實驗之前，采用汞燈對光譜儀進行校準。

圖3 第4測量點在3 μs時的等離子體發(fā)射譜線

圖4 距離燒蝕表面5 mm的三個測量點在3 μs時的等離子體發(fā)射譜線

3 結果與討論

對采用聚四氟乙烯(PTFE)的PPT進行時空分辨光譜診斷，選取PPT工作時發(fā)射譜線較為集中的300～800 nm波長范圍進行檢測。

由于實驗中所使用的PPT在放電開始3 μs時放電電流達到最大值，此時放電通道內的等離子體濃度也最大，因此選取此刻的等離子體光譜檢測結果為例進行分析。圖3為在第4測量點處放電時間為3 μs的等離子體光譜。對譜線進行成分識別，放電開始3 μs時在第4測量點的等離子體主要由C，F(xiàn)，C+，F(xiàn)+和C2+組成，另外還有一定含量的Cu+和Cu2+，這主要是由于電弧燒蝕極板造成的。圖中較寬的譜線是由中性粒子輻射產生的，在3 μs時，放電電流在峰值附近，被燒蝕工質的電離度較高，中性粒子所占比例較低。

圖4為在放電時間為3 μs時，距離工質燒蝕表面5 mm處分別靠近陽極、放電通道中心和靠近陰極處的等離子體光譜。如圖4所示，等離子體在放電通道內分布并不均勻，在放電通道中心處的等離子濃度明顯大于靠近極板處的等離子體濃度，且靠近陽極側的等離子體濃度遠大于靠近陰極側的等離子體濃度。在放電通道內的不同位置，等離子體的組成成分也各不相同。在放電通道中心處，除C2+外，C+的發(fā)射譜線強度最大，中性粒子數(shù)濃度很小，電離度最大。在靠近陽極處，除C2+外，F(xiàn)+濃度最大，且具有一定濃度的中性粒子。在靠近陰極處，等離子體濃度最小，且中性粒子濃度也最小，即靠近陰極處的粒子濃度非常稀薄。

圖5 發(fā)射光譜的波爾茲曼擬合曲線

對于每一個測量點，等離子體都處于局部熱力平衡狀態(tài)，處于局部熱力學平衡狀態(tài)的等離子體溫度等于該點的電子溫度。為了得到測量點的電子溫度，可以對任意測量點的等離子體光譜的所有譜線以ln(Ijiλji/gjAji)為因變量，以上能級能量Ej為自變量進行線性擬合。如圖5所示，對放電開始3 μs時第4測量點得到的所有譜線進行線性擬合，得到的擬合曲線表達式為Y=-1.44-0.15X，則可以得到此處的等離子體溫度為6.67 eV。

圖6為整個放電過程中測量點4的等離子體發(fā)射譜線隨時間的演化過程。如圖6所示，該點在放電開始后1.5 μs才觀測到等離子體，從1.5 ～3 μs期間等離子體強度逐漸增大，在此期間C2+的濃度最大，從3～7 μs等離子體強度逐漸減小，在此期間C+的濃度最大，在7 μs以后該點等離子體消失，羽流的主要成分是中性粒子。在放電的不同階段羽流的成分及各組分所占比例差別較大，這主要是由于不同離子在一定的放電能量下的形成所需時間和持續(xù)時間各不相同造成的。

圖6 測量點4的等離子體發(fā)射譜線隨時間的演化過程

4 結 論

本文對放電能量為20 J采用具有28°張角舌型極板的尾部饋送式PPT的等離子體羽流開展了時空分辨光譜診斷實驗。并對最具有代表性的放電開始3 μs時的光譜數(shù)據(jù)進行分析，實驗結果發(fā)現(xiàn)： 等離子體主要由C，F(xiàn)，C+，F(xiàn)+和C2+組成，另外還有由電弧燒蝕極板產生的一定含量的Cu+和Cu2+； 等離子體在放電通道內的分布既不均勻也不對稱，在通道中心和靠近陽極側的等離子體濃度較大，都遠大于靠近陰極側的等離子體濃度，其中中性粒子主要集中在陽極附近； 在放電通道內的不同位置處，等離子體成分也各不相同； 通過對所有譜線進行線性擬合，得到在放電通道中心位置處的等離子體溫度為6.67 eV； 由于不同離子在一定的放電能量下的形成所需時間和持續(xù)時間各不相同，在放電的不同階段羽流的成分及各組分所占比例差別較大。本文得到的實驗結果可以為理解PPT推力產生的機理、PPT工作過程仿真研究的初始條件和邊界條件的設置以及仿真結果的對比提供依據(jù)。

致謝： 在本實驗的開展及實驗結果分析過程中，得到了程謀森教授、王墨戈講師、楊雄博士和李健碩士的指導和幫助，在此表示衷心的感謝。

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(Received Oct. 12, 2015; accepted Feb. 16, 2016)

*Corresponding author

Study on Plasma Characteristics in a Pulsed Plasma Thruster by Optical Emission Spectroscopy

ZHANG Hua1, WU Jian-jun1*, HE Zhen1, LI Shi-liang2, ZHANG Yu1

1. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China 2. College of Basic Education, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China

The pulsed plasma thruster(PPT) is suited for various applications, e. g., attitude control, station keeping and formation flying due to its significant advantage with regard to the related savings of wet system mass，small volume and high specific impulse. In order to elaborate the mechanism of PPT operation process, the optical emission spectrum was conducted on a breech-fed PPT with tongue electrodes. The results show that plasma plume mainly consists of C, F, C+, F+and C2+, besides Cu+and Cu2+were detected in plasma which were produced by electrodes ablation. The plasma distribution is asymmetric in the discharge channel, the maximum of plasma density of plasma appears at the central axis of discharge channel and the plasma density nearby the anode is much higher than that nearby the cathode. The composition of plasma is not symmetric and not uniform. The distribution of F+and neutral particle concentrate close to the anode. The electron temperature is about 6.67 eV derived from the optical emission spectra by Boltzmann linear fitting. Evolution of plasma emission spectrum was derived at the fourth measurement point, the results show that there is much difference between different discharge stages for the composition of plume and the proportion of each component.

Pulsed plasma thruster; Plume; Optical emission spectrum; Plasma composition; Plasma temperature

2015-10-12，

2016-02-16

國家自然科學基金項目(11172327，11202235)資助

張 華，1986年生，國防科學技術大學航天科學與工程學院博士研究生 e-mail： zhann10000@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： jjwu@nudt.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1867-05