一種新型Z-Pinch PPT的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

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1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240 2. 上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112

20世紀(jì)80年代以來，國際上微小衛(wèi)星的發(fā)展十分迅猛。但其阻力補(bǔ)償和位置保持、軌道提升以及姿態(tài)控制等所需要的傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)占整星質(zhì)量的15%～35%，對(duì)于深空探測衛(wèi)星甚至高達(dá)60%。因此，需要研制輕質(zhì)量、高比沖、小體積、低成本及推力易控制的新型推力器。由于脈沖等離子體推力器(PPT)是具備上述特點(diǎn)的電推力器之一，因此，在微小衛(wèi)星研究領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注[1]。

對(duì)PPT的研究，目前基本集中在固體推進(jìn)劑結(jié)合平行板電極類型。傳統(tǒng)平行板電極PPT工作時(shí)，首先將儲(chǔ)能電容器充電至所需電壓，然后半導(dǎo)體火花塞點(diǎn)火，電容器沿著推進(jìn)劑聚四氟乙烯表面放電，電流形成于工質(zhì)表面，熱流將聚四氟乙烯表面的分子解聚、分裂、電離，隨后在廣義洛侖茲力和氣動(dòng)壓力的共同作用下，等離子體被加速，膨脹噴出產(chǎn)生推力?；鸹ㄈ峭屏ζ髡９ぷ鞯年P(guān)鍵[2]。文獻(xiàn)[3-4]研制了一種平行板電極尾部采用彈簧饋送型PPT，通過測量獲得了放電電流和電壓波形等工作參數(shù)，計(jì)算得到了比沖、元沖量等性能參數(shù)。文獻(xiàn)[5]運(yùn)用磁流體動(dòng)力學(xué)的方法，建立了PPT工作過程模型，對(duì)推力器的燒蝕傳熱過程進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[6]對(duì)固體燒蝕型PPT的工作特性展開研究，測得其推力器推功比為9.5～10.5μN(yùn)/W。文獻(xiàn)[7-8]則對(duì)PPT開展了時(shí)空分辨光譜診斷研究。文獻(xiàn)[9-10]測量了微PPT的等離子體電子密度，并對(duì)放電過程進(jìn)行研究。國外，文獻(xiàn)[11]研究設(shè)計(jì)了一種小型化電極PPT，并測量其相關(guān)性能參數(shù)。文獻(xiàn)[12]對(duì)PPT放電初始階段帶電粒子的移動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。以上文獻(xiàn)對(duì)PPT的研究表明，雖然傳統(tǒng)PPT具有比沖高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是存在彈簧等活動(dòng)部件和火花塞，且推功比比較低。

文獻(xiàn)[13]研究設(shè)計(jì)了一種同軸型PPT，該推力器的工作原理是在真空中，對(duì)工質(zhì)聚四氟乙烯高壓放電，使工質(zhì)電離為等離子體。在電磁場的作用下，等離子體加速排出，形成推力。雖然該推力器不需要火花塞，但其需要2 000 V的高壓。文獻(xiàn)[14]提出了一種氣體短脈沖等離子體推力器，該推力器工質(zhì)為氬氣，當(dāng)陰陽兩極之間的電壓超過擊穿電壓，兩極之間形成電流，氬氣被加熱，進(jìn)而電離，產(chǎn)生等離子體。雖然該推力器也不需要火花塞，但是，其點(diǎn)火電壓高達(dá)20 000 V。同時(shí)，其工質(zhì)為氣體，需要貯箱來儲(chǔ)存，額外增加了推力器系統(tǒng)的體積。因此，在保持固體推進(jìn)劑優(yōu)勢的同時(shí)，去掉火花塞并降低點(diǎn)火電壓是目前PPT領(lǐng)域的研究方向。

1965年，文獻(xiàn)[15]發(fā)現(xiàn)Z-Pinch可以被改造產(chǎn)生軸向流動(dòng)等離子體。文獻(xiàn)[16]將Z-Pinch原理應(yīng)用于PPT，形成推功比比較高且無需彈簧的Z-Pinch PPT，但由于火花塞的存在導(dǎo)致尺寸減小受到限制且存在安全隱患。Z-Pinch的應(yīng)用越來越廣泛，但是國內(nèi)對(duì)Z-Pinch的研究和應(yīng)用主要集中在核聚變、X射線激光器、X射線和中子源以及脈沖強(qiáng)磁場等方面。文獻(xiàn)[17]研究設(shè)計(jì)了一種用于Z-Pinch實(shí)驗(yàn)的多幅激光差分干涉診斷系統(tǒng)。文獻(xiàn)[18]在聚龍一號(hào)上，首次完成了Z-Pinch X射線背光照相實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了基于LTD技術(shù)的Z-Pinch驅(qū)動(dòng)器。文獻(xiàn)[20]分析了Z-Pinch驅(qū)動(dòng)聚變-裂變混合堆氚燃料循環(huán)系統(tǒng)。但是，將Z-Pinch原理應(yīng)用在PPT上，國內(nèi)還沒有進(jìn)行相關(guān)研究。

本文將Z-Pinch原理應(yīng)用到PPT上。同時(shí)，通過對(duì)聚四氟乙烯表面進(jìn)行改性，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和放電一體化，降低點(diǎn)火電壓，提出一種無火花塞的自點(diǎn)火Z-Pinch PPT(Z-Pinch SI-PPT)。對(duì)該推力器進(jìn)行真空艙點(diǎn)火試驗(yàn)和性能參數(shù)測量，包括比沖、平均推力、推功比等，并與傳統(tǒng)Z-Pinch PPT以及其他類型的PPT性能參數(shù)進(jìn)行比較。

1 Z-Pinch SI-PPT工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

圖1 Z-Pinch SI-PPT結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of the Z-Pinch SI-PPT

Z-Pinch最早出現(xiàn)在核聚變研究領(lǐng)域里，用來提供高溫稠密的等離子體。如圖1所示，在Z-Pinch中，用中間帶孔的陰極來替換傳統(tǒng)陰極，徑向箍縮時(shí)，等離子體從小孔軸向噴出。當(dāng)Z-Pinch SI-PPT陰陽兩極充電至給定電壓，聚四氟乙烯表面會(huì)產(chǎn)生電流片，燒蝕聚四氟乙烯。因?yàn)橥七M(jìn)劑容器是圓筒形，所以電流片也是圓筒形。在推進(jìn)腔的最大半徑處形成電流片，原因是該位置處回路阻抗最小。隨著電流的不斷增大，在電流片的外側(cè)產(chǎn)生磁場。電流片向推進(jìn)腔中心移動(dòng)的過程中，因?yàn)殛枠O為釘狀，所以電流片并不是完全以圓筒形向中心移動(dòng)，而是產(chǎn)生了傾斜。電流片和磁場相互作用，產(chǎn)生向內(nèi)放射狀的電磁力。在電磁力的作用下，燒蝕聚四氟乙烯產(chǎn)生的電子和離子等帶電粒子，被徑向加速。該過程被稱為電磁加速(箍縮加速)。因?yàn)榈入x子體存在電阻，所以在放電過程中會(huì)生成大量熱量，推進(jìn)腔內(nèi)溫度不斷升高，聚四氟乙烯表面會(huì)形成等離子體區(qū)域。功率處理單元、陰陽兩極、推進(jìn)劑表面以及等離子體之間會(huì)形成導(dǎo)電回路，進(jìn)而放電。推進(jìn)腔內(nèi)粒子數(shù)量急劇增加，該區(qū)域的壓力也隨之迅速升高。推進(jìn)腔內(nèi)的壓力遠(yuǎn)高于推力器外部區(qū)域，在內(nèi)外壓力差的作用下，燒蝕聚四氟乙烯產(chǎn)生的各種粒子，從陰極中心小孔處加速噴出。各種粒子在加速之后從推進(jìn)腔中噴射而出，內(nèi)外壓差減小。該過程被稱為電熱加速。在電磁加速和電熱加速的共同作用下，等離子體獲得較大速度，從陰極中心小孔處噴射而出，產(chǎn)生推力。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Z-Pinch SI-PPT主要由推力器本體和為其供電的電源處理單元(PPU)組成。

(1)推力器本體設(shè)計(jì)

該新型推力器(如圖2所示)包括推進(jìn)劑、陰極、陽極和絕緣體等。由于無需火花塞，所以尺寸可以做到非常小。

圖2 Z-Pinch SI-PPT樣機(jī)Fig.2 Z-Pinch SI-PPT model

推進(jìn)劑的主體仍然是聚四氟乙烯，為圓柱形。與傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器相比，該推力器不需要推進(jìn)劑供應(yīng)裝置。為了去掉火花塞，在聚四氟乙烯表面鍍上一層弱導(dǎo)電材料，研制出點(diǎn)火和放電一體化的推進(jìn)劑，大大降低了點(diǎn)火電壓，也使得結(jié)構(gòu)非常緊湊，理論上可以做到目前加工工藝能實(shí)現(xiàn)的最小包絡(luò)尺寸。

該推力器兩個(gè)電極均由黃銅制成。陽極是釘狀，電流片向推進(jìn)腔中心移動(dòng)的過程中，并不是以圓筒形向中心移動(dòng)，而是產(chǎn)生了傾斜。陰極的中心位置有一個(gè)小口，軸向流動(dòng)的等離子體會(huì)從這個(gè)小口中噴射流出。

(2)功率處理單元設(shè)計(jì)

Z-Pinch SI-PPT實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，功率處理單元(PPU)需要輸出脈沖高壓，PPU采用電感儲(chǔ)能升壓原理。

功率處理單元主要包括方波信號(hào)發(fā)生器、MOSFET、電感和電池組等原件。PPU的工作原理為，當(dāng)一個(gè)方波信號(hào)作用于MOSFET時(shí)，MOSFET開通。電感持續(xù)儲(chǔ)能。當(dāng)信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MOSFET關(guān)斷，此時(shí)，電感兩端產(chǎn)生電壓，電感中儲(chǔ)存的能量作用于推力器的陰陽兩極，推力器開始點(diǎn)火工作。設(shè)計(jì)的PPU樣機(jī)實(shí)物如圖3所示。輸入電壓為20 V，輸入電流為1.5 A。

圖3 功率處理單元Fig.3 Picture of PPU

2 點(diǎn)火試驗(yàn)

2.1 推力器點(diǎn)火

將該推力器固定在支架上，放入極限真空為1×10-4Pa的小型真空艙內(nèi)，調(diào)整支架的位置，以便通過艙壁上的觀察窗對(duì)推力器的試驗(yàn)狀況進(jìn)行監(jiān)控。將真空艙抽真空至極限真空度，打開推力器電源系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。

當(dāng)給推力器的陰陽兩級(jí)加上電壓之后，推力器便開始工作。圖4中，可以看出推進(jìn)劑燒蝕產(chǎn)生的羽流。

圖4 在真空艙中放電過程Fig.4 Discharge in vacuum chamber

為了考察推進(jìn)劑燃燒后的狀態(tài)以分析推力器性能，利用低真空超高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)點(diǎn)火工作后的推進(jìn)劑表面掃描，結(jié)果如圖5所示，F(xiàn)元素的質(zhì)量百分比為69.07%，C元素的質(zhì)量百分比為27.16%，兩者質(zhì)量之比為2.54:1。此外，還檢測出Fe的質(zhì)量百分比為0.65%，Cu的質(zhì)量百分比為0.63%，Zn的質(zhì)量百分比為0.56%，這說明電極表面出現(xiàn)了輕微的濺射材料并沉積到推進(jìn)劑表面，對(duì)于放電室內(nèi)的濺射和沉積現(xiàn)象以及對(duì)性能的影響還需要后續(xù)進(jìn)行深入研究。

聚四氟乙烯分子式為(C2F4)n，F(xiàn)元素和C元素的質(zhì)量之比為19:6。由此可見，C的百分比增加了，這是由于隨著推進(jìn)劑被燒蝕，推進(jìn)劑表面出現(xiàn)了輕微碳化現(xiàn)象。

圖5 推進(jìn)劑中元素分布Fig.5 Distribution of elements in propellant

2.2 點(diǎn)火機(jī)理研究

Z-Pinch SI-PPT以傳統(tǒng)Z-Pinch PPT為基礎(chǔ)，采用點(diǎn)火和放電一體化的改性聚四氟乙烯為推進(jìn)劑。推進(jìn)劑的主體材料仍然是聚四氟乙烯，結(jié)構(gòu)為圓筒形。通過在聚四氟乙烯表面鍍一層弱導(dǎo)電材料，對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行改性。在傳統(tǒng)Z-Pinch PPT工作過程中，火花塞的作用是提供帶電粒子，使電容器、陰極、推進(jìn)腔和陽極形成一個(gè)回路。通過在Z-Pinch SI-PPT聚四氟乙烯表面鍍一層弱導(dǎo)電材料，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑表面直接放電點(diǎn)火的目的。

當(dāng)Z-Pinch SI-PPT陰陽兩極充電至給定電壓，由于陰極和陽極之間圓筒形推進(jìn)劑表面的弱導(dǎo)電性使得兩端電壓升高，推進(jìn)劑表面溫度隨之升高并產(chǎn)生少量的涂層和推進(jìn)劑蒸汽，蒸汽在高電壓下放電完成自點(diǎn)火過程。由于電極的特殊形狀和結(jié)構(gòu)，在推進(jìn)劑表面迅速形成圓筒形電流片，燒蝕電離推進(jìn)劑，徑向加速燒蝕產(chǎn)物。

當(dāng)Z-Pinch SI-PPT點(diǎn)火工作時(shí)，推進(jìn)腔內(nèi)的粒子除了撞擊推進(jìn)劑表面外，還會(huì)撞擊黃銅電極，黃銅電極發(fā)生濺射現(xiàn)象。濺射是指在真空狀態(tài)下，具有一定能量的粒子，主要包括離子、中性粒子等，撞擊固體表面。固體表面粒子之間相互碰撞，發(fā)生動(dòng)量和能量的轉(zhuǎn)移。因此，固體表面的分子或原子，在獲得足夠大的能量后，從固體表面逃逸。在Z-Pinch SI-PPT工作過程中會(huì)連續(xù)不斷的有少量被濺射出來的金屬沉積在推進(jìn)劑表面，給電流片的產(chǎn)生提供初始路徑，實(shí)現(xiàn)持續(xù)點(diǎn)火。

3 Z-Pinch SI-PPT性能分析

3.1 電流和電壓分析

圖6中給出了推力器工作過程中一個(gè)脈沖的放電特性，其中實(shí)線為電流曲線，虛線為電壓曲線。從圖6中可以看出，初始時(shí)電壓為20 V，點(diǎn)火電壓為480 V?？梢姡捎命c(diǎn)火和放電一體化的改性聚四氟乙烯為推進(jìn)劑，降低了點(diǎn)火放電的電壓峰值。充電過程持續(xù)時(shí)間為1 ms，此時(shí)電流增大，最大值為24 A，隨后電流緩慢下降。從圖中可以計(jì)算得出，該新型推力器的運(yùn)行功率為4.8 W。

圖6 放電電流和放電電壓曲線Fig.6 Discharge current and voltage trace in Z-Pinch SI-PPT

3.2 單位時(shí)間推進(jìn)劑消耗量

將推力器放在梅特勒模塊上，為了防止空氣中的水分等雜質(zhì)影響推力器的測量質(zhì)量，在每次測量前，將推力器放進(jìn)干燥箱進(jìn)行干燥處理。記錄下此時(shí)的質(zhì)量，隨后將推力器放入真空艙中，點(diǎn)火一段時(shí)間，同時(shí)記錄點(diǎn)火時(shí)間。將推力器從真空艙中取出，置于梅特勒模塊上測量質(zhì)量，計(jì)算點(diǎn)火前后的質(zhì)量差。重復(fù)以上過程3次，計(jì)算質(zhì)量差的平均值，減少試驗(yàn)誤差。經(jīng)過測量和計(jì)算，單位時(shí)間推進(jìn)劑損耗量為41.43 μg/s.

3.3 推力器元沖量

如圖7所示，采用打靶法測量推力器元沖量[21]。用細(xì)繩懸掛一個(gè)薄片，將其放置在推力器出口處。當(dāng)推力器工作時(shí)，薄片會(huì)運(yùn)動(dòng)一定的角度。通過薄片運(yùn)動(dòng)的角度和其他參數(shù)即可計(jì)算元沖量。

圖7 測量元沖量實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.7 Diagram of impulse bit experiment device

圖8 薄片運(yùn)動(dòng)軌跡示意Fig.8 Diagram of slice movement trace

該方法基于動(dòng)量定理和能量守恒定律，來測量元沖量：

It=Ft=mbvb

(1)

(2)

一個(gè)脈沖內(nèi)的總沖It(即元沖量)為：

(3)

則平均推力F為：

(4)

比沖Isp為：

(5)

通過計(jì)算表明，比沖為211 s，平均推力為85.6 μN(yùn)，推功比為17.83 μN(yùn)/W。

為了考察Z-Pinch SI-PPT的性能，將其與同軸型PPT[13]、氣體PPT[14]、平行板固體PPT[6]和傳統(tǒng)Z-Pinch脈沖等離子體推力器[16]進(jìn)行比較。表1分別給出了5種推力器包絡(luò)尺寸，是否需要火花塞，推進(jìn)劑種類，點(diǎn)火電壓，比沖和推功比等情況?？梢?，雖然同軸型PPT和氣體PPT都不需要火花塞，但是它們都需要較高的點(diǎn)火電壓，而Z-Pinch SI-PPT的點(diǎn)火電壓僅為480 V，為同軸型PPT的24%，氣體PPT的2.4%。Z-Pinch SI-PPT包絡(luò)尺寸較小，僅為21 mm，因此可以應(yīng)用于微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制。同時(shí)，可以在一個(gè)微小衛(wèi)星上裝備多個(gè)Z-Pinch SI-PPT，而只需要采用一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換電源，是一個(gè)典型的單電源多推力器的應(yīng)用。

Z-Pinch SI-PPT的平均推力為85.6 μN(yùn)，推功比為17.83 μN(yùn)/W，比傳統(tǒng)PPT的推功比要大69.8%。Z-Pinch SI-PPT推功比較大的關(guān)鍵在于電熱加速過程。傳統(tǒng)PPT推進(jìn)劑曝光區(qū)域只是一個(gè)平面，而Z-Pinch SI-PPT推進(jìn)劑曝光面積是圓筒形。曝光面積的提高，表明燒蝕推進(jìn)劑粒子的數(shù)目增多，進(jìn)而導(dǎo)致燒蝕區(qū)域的壓力升高。因此，更有利于等離子體進(jìn)行電熱加速。

目前Z-Pinch SI-PPT的比沖雖然偏小，但有多種方案可以約束羽流提高比沖，如在陰極小孔處增加一個(gè)噴嘴，可以提高等離子體速度；或者增加推進(jìn)艙的高徑比，改變陰極小孔的大小，以及改變陽極釘狀物的高度。推力器提高比沖及性能優(yōu)化的工作，將在未來陸續(xù)展開。

表1 五種推力器性能比較

4 結(jié)束語

將Z-Pinch原理應(yīng)用于PPT，結(jié)合自點(diǎn)火技術(shù)成功地研制了無需火花塞的脈沖等離子體推力器原理樣機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，本文研制的Z-Pinch SI-PPT點(diǎn)火順利可持續(xù)，并得到如下主要結(jié)論：

1) 真空艙內(nèi)多次點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)累計(jì)脈沖1萬多次的試驗(yàn)并結(jié)合多種參數(shù)測量表明，該推力器初步達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。平均推力85.6 μN(yùn)，推功比17.83 μN(yùn)/W，比沖211 s。

2) 該推力器無需彈簧進(jìn)行推進(jìn)劑給進(jìn)，沒有任何活動(dòng)部件，也無需火花塞輔助點(diǎn)火，大大降低了點(diǎn)火電壓、尺寸和質(zhì)量，并保持了Z-Pinch PPT高推功比的性能。與同樣無需火花塞的同軸固體PPT相比，點(diǎn)火電壓降低了76%，比氣體PPT降低了97.6%(見表1)。

3) 掃描電鏡結(jié)果表明，推進(jìn)劑表面出現(xiàn)輕微碳化現(xiàn)象，并且，在工作過程中會(huì)連續(xù)不斷沉積少量被濺射出來的金屬(見圖8)，實(shí)現(xiàn)了無需火花塞而保持持續(xù)脈沖和重復(fù)點(diǎn)火。

4) 推力器的比沖相對(duì)較低，后續(xù)需要采取多種方法優(yōu)化推力器性能和提高比沖，如優(yōu)化出口形狀和尺寸等。并且，從理論上講，由于Z-Pinch PPT的特殊結(jié)構(gòu)以及依靠電流片產(chǎn)生的徑向洛倫茲力箍縮作用將等離子體“擠出”推力器的原理，該型推力器的推進(jìn)劑利用效率會(huì)高于傳統(tǒng)固體PPT，但這還需要深入研究。