離子推力器非預(yù)期電擊穿的主要誘發(fā)因素及機制

張?zhí)炱?，張雪?，蒲彥旭 ，冉文亮 ，趙志偉

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.真空技術(shù)與物理重點實驗室；b.甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

離子推力器在具有比沖高、性能調(diào)節(jié)便利、適用范圍廣、技術(shù)成熟度好等顯著優(yōu)勢的同時[1?2]，一直存在非預(yù)期電擊穿（打火）問題。各國對非預(yù)期電擊穿的稱謂不盡相同：美國為束流循環(huán)（beam recycle）[3?5]、英國為束流錯誤（beam trip）[6?7]、德國為束流中斷（beam out）[8?9]、日本為高壓擊穿（HVBD）[10?11]。國內(nèi)外離子電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展、工程研制和航天器應(yīng)用的實踐證明，無論是在地面模擬環(huán)境條件下還是在空間環(huán)境條件下，離子推力器工作過程中都會出現(xiàn)非預(yù)期打火[2?11]。通過控制及防護(hù)能夠?qū)⒎穷A(yù)期打火的頻次和影響降低到航天器工程可接受的程度，并由此保證離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成預(yù)定航天任務(wù)的可靠性和壽命[3?4，6]。但離子推力器非預(yù)期打火問題難以完全消除，因其根源為推力器內(nèi)在工作特性及多種因素的復(fù)雜耦合。

我國離子電推進(jìn)經(jīng)過40多年的發(fā)展，已經(jīng)步入航天器工程應(yīng)用并不斷擴展的關(guān)鍵時期[12]，正確理解離子推力器非預(yù)期打火問題、準(zhǔn)確把握非預(yù)期打火機制及規(guī)律、針對性采取工程控制與防護(hù)措施具有非常重要的意義。本文將從打火問題基本概念、主要影響因素及機制、有待深化研究的機制問題等方面對離子推力器非預(yù)期打火進(jìn)行比較完整的闡述，以期促進(jìn)對該問題進(jìn)行從深化機制到提出工程解決措施的系統(tǒng)研究，為我國離子電推進(jìn)在航天工程中的成功應(yīng)用提供保證。

1 非預(yù)期電擊穿基本問題

1.1 術(shù)語

為便于對離子推力器非預(yù)期電擊穿進(jìn)行準(zhǔn)確描述，首先定義幾個本文用到的術(shù)語。

（1）電擊穿：原本絕緣良好的電極之間出現(xiàn)電流且電壓快速降低的現(xiàn)象；

（2）電?。弘姌O之間擊穿電流在負(fù)電位電極表面形成的斑點弧光；

（3）打火：電擊穿或電弧從產(chǎn)生、發(fā)展到熄滅的完整過程；

（4）非預(yù)期電擊穿（打火）：離子推力器工作中不期望發(fā)生的電擊穿（打火）。

本文在表述現(xiàn)象時多用打火，在表述機制時多用電擊穿。

1.2 離子推力器非預(yù)期電擊穿（打火）現(xiàn)象

離子推力器和電源處理單元（PPU）各輸出電源之間的配套關(guān)系如圖1所示[13]。離子電推進(jìn)正常工作時，其陽極、屏柵、放電陰極等電極處于屏柵電源的正高電位（一般為1 000 V以上），統(tǒng)稱為高電位電極；其外殼和中和器處于近似地（零）電位、加速柵處于加速電源的負(fù)電位（一般為?200 V以下），統(tǒng)稱為低電位電極。高電位電極與低電位電極之間存在1 000 V以上的電位差，而屏柵和加速柵電極典型間距為1 mm左右、陽極與外殼電極最小間距為3 mm、屏柵與外殼電極最小間距為4 mm，高電位差和小間距使得高、低電極間存在較強的電場。

圖1 離子推力器與PPU各輸出電源的連接關(guān)系圖Fig.1 Connection between ion thruster and PPU

在離子推力器工作可靠性和安全性設(shè)計中，已經(jīng)為電極間電場強度保留了避免電擊穿發(fā)生的安足夠的全裕度，也就是說在正常工作條件下電極間是不會發(fā)生電擊穿的。但在相關(guān)因素誘導(dǎo)或耦合作用下，推力器電極之間確實發(fā)生了電擊穿（打火），并造成離子推力器正常工作狀態(tài)被干擾或中斷。

離子推力器的非預(yù)期打火一般按照發(fā)生打火的組對電極進(jìn)行分類，主要包括屏柵與加速柵之間打火、屏柵與外殼（地）之間打火、陽極與外殼（地）之間打火、加速柵與外殼（地）之間打火等。如果是三柵極會有更多類別，如加速柵與減速柵之間打火。

1.3 非預(yù)期打火的后果

離子推力器非預(yù)期打火的影響及危害是多方面的，如果不進(jìn)行有效控制，嚴(yán)重者會導(dǎo)致航天器任務(wù)失敗。

（1）對航天器任務(wù)而言，非預(yù)期打火將導(dǎo)致實際輸出推力（沖量）小于預(yù)期水平、預(yù)定的正常工作被臨時中斷、連續(xù)穩(wěn)定推力狀態(tài)被破壞等情況。針對電推進(jìn)不同的具體任務(wù)，其影響嚴(yán)重程度差別較大。對GEO衛(wèi)星位保任務(wù)，打火產(chǎn)生的單次位保影響可以通過短期工作策略微調(diào)得到完全補償，因此影響較??；對無拖曳控制任務(wù)，打火造成的空間和時間節(jié)點的數(shù)據(jù)損失無法得到有效補償，因此會影響有效數(shù)據(jù)鏈的連續(xù)性；對深空探測軌道巡航任務(wù)，在長期旅途中進(jìn)行部分工作段的調(diào)整就可以消除影響。

（2）對離子電推進(jìn)系統(tǒng)而言，非預(yù)期打火可導(dǎo)致系統(tǒng)工作中斷、PPU單機失效、系統(tǒng)柔性變差、工作可靠性和壽命降低等后果。其中系統(tǒng)工作中斷包括安全控制主動中斷和放電熄滅被動中斷。PPU失效的原因之一是推力器打火產(chǎn)生的短路大電流脈沖導(dǎo)致PPU電路中電壓、電流快速變化，電路上元器件承受更大的應(yīng)力；對多臺推力器同時工作的系統(tǒng)，不同推力器的非預(yù)期打火會直接導(dǎo)致系統(tǒng)工作不兼容，反過來影響到推力器和PPU之間配置的柔性設(shè)計；非預(yù)期打火導(dǎo)致的系統(tǒng)工作頻繁中斷、電流∕電壓脈沖對PPU電路元器件的損傷、系統(tǒng)兼容性或柔性變差都直接關(guān)系到系統(tǒng)工作的可靠性和壽命。

（3）對離子推力器本身而言，除了可恢復(fù)的束流中斷外，非預(yù)期打火可導(dǎo)致中和器熄滅、放電室熄滅、電極表面損傷、柵極之間永久短路等情況發(fā)生。中和器和放電室熄滅是由于非預(yù)期打火破壞了維持穩(wěn)定放電的條件，主要包括電壓條件、電流條件、等離子體密度條件等。例如陽極對地打火時，陽極電壓嚴(yán)重降低直接導(dǎo)致放電室正常放電熄滅；電極表面損傷源于打火過程中能量積累產(chǎn)生的材料局部蒸發(fā)，以及表面損傷與打火頻次之間的惡性循環(huán)。對間距很小的柵極，嚴(yán)重打火或持續(xù)電弧不僅產(chǎn)生損傷，而且很容易使得蒸發(fā)物局部沉積或柵極損傷產(chǎn)生的毛刺在柵極之間形成搭橋短路，這種短路如果無法消除會導(dǎo)致推力器永久失效。

1.4 真空電擊穿基礎(chǔ)理論

首先了解由電極材料特性和電極間電場強度決定的真空電擊穿現(xiàn)象及機制。圖2（a）為研究真空電擊穿的經(jīng)典實驗系統(tǒng)[14]，在高真空環(huán)境下，表面光潔的球型和平板電極、脈沖電路（高壓電源、1 MΩ充電電阻和電容器C）組成充電回路，電容器C、限流電阻R、真空繼電器和球板電極組成放電回路。采用球板電極是為了消除擊穿區(qū)域的邊緣效應(yīng)，使電極間距精確可調(diào)。實驗時，真空繼電器閉合后電容器充電，電極間電壓持續(xù)升高，直到發(fā)生電擊穿，擊穿電弧積累的能量決定于電容器電容的大小。圖2（b）為鉬材料電極的一次真空電擊穿電流波形測量曲線，繼電器關(guān)閉后充電0.1 ms發(fā)生真空擊穿，峰值電流達(dá)到30 A，其后電弧電流逐漸減小到3 A時熄滅，電弧維持了0.3 ms的周期。

圖2 脈沖電壓真空電擊穿典型實驗圖Fig.2 Vacuum breakdown experiment under pulsed voltage

高真空下電極之間沒有氣體碰撞電離，因此真空電擊穿的決定因素是場發(fā)射電子[15]，真空條件下場發(fā)射電流IFE與電場強度E之間滿足F?N方程，常用表達(dá)式為：

式中：Φ為電極材料的電子發(fā)射功函數(shù)；Ae為電子發(fā)射有效面積。真空電擊穿的主要機制為：在電極間的強電場作用下，負(fù)電極內(nèi)的電子突破表面約束（功函數(shù)）形成電子發(fā)射（稱為場發(fā)射），該發(fā)射電子被電場加速后碰撞于正電極，當(dāng)沉積在正電極上的場發(fā)射電子流通量達(dá)到閾值時就能夠蒸發(fā)正電極材料，蒸發(fā)材料原子與場發(fā)射電子碰撞電離導(dǎo)致電極間擊穿（電?。?。

1.5 誘發(fā)非預(yù)期打火的主要因素

離子推力器非預(yù)期打火本質(zhì)上是廣義的電擊穿及其電弧現(xiàn)象。對鉬、鈦、碳、鋁等常用推力器電極材料，圖3給出了實測的不同電極材料的真空擊穿電場強度Eb，純粹的電極間高真空電擊穿場強至少須達(dá)到80 kV∕mm以上，擊穿場強還與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)[14]。離子推力器實際工作條件下的電極間場強遠(yuǎn)沒有這么高，可見非預(yù)期打火的發(fā)生往往耦合了其他影響因素，為此有必要先梳理出離子推力器工作時可能誘發(fā)非預(yù)期打火的主要因素。

圖3 不同電極材料真空電擊穿場強度圖Fig.3 Field intensity of vacuum breakdown for different materials

結(jié)合離子推力器具體工作過程及相關(guān)環(huán)境，在供電和供氣條件正常、推力器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，可能導(dǎo)致非預(yù)期打火發(fā)生的主要因素包括：

（1）電極表面金屬微凸結(jié)構(gòu)。電極表面存在初始缺陷，工作過程中離子濺射、電弧損傷等也會形成表面微凸結(jié)構(gòu)。

（2）低氣壓環(huán)境。由于非完全電離的推進(jìn)劑氣體、環(huán)境氣體、材料自身出氣等氣源條件，在電極之間形成低氣壓環(huán)境。

（3）等離子體環(huán)境。離子推力器放電室和柵極存在工作等離子體，電極之間可能出現(xiàn)等離子體泄漏。

（4）電極間漂浮顆粒物。離子濺射沉積物的剝離及漂浮，周圍環(huán)境顆粒物的侵入。微顆粒物類型包括導(dǎo)體和絕緣體。

（5）電極間絕緣體（層）。電極間存在結(jié)構(gòu)支撐絕緣器，污染、氧化等過程形成的電極表面絕緣層（島）。

（6）以上因素的組合，包括多因素共存誘發(fā)和相互耦合誘發(fā)。

2 電極表面金屬微凸誘發(fā)電擊穿的機制

2.1 電極表面粗糙化的場發(fā)射增強效應(yīng)

真空電擊穿實驗表明，擊穿電壓與電極表面粗糙度狀態(tài)密切相關(guān)，表面粗糙化會導(dǎo)致?lián)舸╇妷猴@著降低。機制分析表明，導(dǎo)致粗糙化表面電擊穿電壓降低的主要原因是表面微凸或銳化微結(jié)構(gòu)：在施加同樣電壓條件下，微結(jié)構(gòu)尖端產(chǎn)生了局部電場增強效應(yīng)，如圖4所示，更高的電場強度使得場發(fā)射增強、擊穿電壓降低。

圖4 電極表面微凸產(chǎn)生的場增強效應(yīng)示意圖Fig.4 Field emission from a protrusion on the electrode

為了描述這類微凸或銳化結(jié)構(gòu)對場發(fā)射電流的影響，在F?N方程式（1）中引入了場增強因子βFE，其定義為式（2）[16?17]，對應(yīng)的場增強F?N方程為式（3）：

式中：lg為電極間距；VT為總加速電壓。場增強F?N方程已經(jīng)被大量試驗證明是正確和有效的。利用試驗數(shù)據(jù)繪制式（3）關(guān)系曲線，通過斜率可以得到場增強因子，再通過截距得到有效發(fā)射面積。圖5所示為典型的場增強F?N曲線[17]，隨電場增強，場發(fā)射被激發(fā)（對應(yīng)圖中從右到左的激活過渡區(qū)），在圖中直線區(qū)形成場增強電子發(fā)射，當(dāng)電場增大到擊穿電場閾值時產(chǎn)生電?。▽?yīng)圖中左端）。

圖5 場增強測試數(shù)據(jù)F-N曲線Fig.5 F-N curve of field emission

2.2 金屬微凸結(jié)構(gòu)誘發(fā)電擊穿機制

柵極表面微凸結(jié)構(gòu)引發(fā)電擊穿的基本機制為：在外加電場中微凸結(jié)構(gòu)的尖端電場大幅增強，強電場對應(yīng)更大的發(fā)射電流，足夠大的發(fā)射電流產(chǎn)生焦耳熱使微凸結(jié)構(gòu)局部蒸發(fā)，在微凸周圍形成局部低氣壓環(huán)境，發(fā)射電子和金屬蒸氣碰撞發(fā)生電離，電離過程產(chǎn)生的離子進(jìn)一步加劇微凸結(jié)構(gòu)局部熱蒸發(fā)效應(yīng)，由此形成不可逆的焦耳加熱、電子發(fā)射增強、電阻增大和離子沉積、焦耳熱進(jìn)一步增強、蒸發(fā)進(jìn)一步加速的循環(huán)過程，最終導(dǎo)致電極間電擊穿。

一個簡化模型如圖6所示，加速柵表面微凸結(jié)構(gòu)為半徑R1、高度H1的圓柱，場發(fā)射電流在頂端（電場最強）出現(xiàn)，發(fā)射電流產(chǎn)生的焦耳熱使微凸結(jié)構(gòu)溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到沸點后開始?xì)饣?，形成的微凸結(jié)構(gòu)蒸氣與發(fā)射電子碰撞導(dǎo)致電擊穿（電?。瑬艠O之間電流顯著增大。由此可得到全部微凸結(jié)構(gòu)爆破性熔化和蒸發(fā)產(chǎn)生電擊穿的發(fā)射電流及焦耳熱的條件為[18]：

式中：下標(biāo)l表示屬于微凸結(jié)構(gòu)；下標(biāo)m表示熔化；下標(biāo)e表示氣化；σ、ρ、c、k分別為電導(dǎo)率、密度、熱容和相變焓（潛熱）；ΔT為熔點和工作溫度增量；Δt為微凸加熱和蒸發(fā)時間。柵極表面微凸結(jié)構(gòu)場增強效應(yīng)導(dǎo)致非預(yù)期電擊穿所涉及的變量多達(dá)10多個，可見相關(guān)過程的復(fù)雜性。

圖6 加速極表面圓柱微凸的場增強發(fā)射效應(yīng)示意圖Fig.6 Field emission from a cylinder protrusion on the accelerator grid

具體量化分析表明，要在幾納秒內(nèi)實現(xiàn)微凸結(jié)構(gòu)的爆破性蒸發(fā)，需要的發(fā)射電流密度要比空間電荷限制下的電流密度至少高出兩個量級，為此提出了單極電弧模型機制[19]。電極間有電荷和沒有電荷的電場分布存在差別，因為空間電荷自身產(chǎn)生的電場會減弱原有電場，這就是空間電荷效應(yīng)。例如平行板電極之間有單荷正離子電流J時，電極間電勢V分布滿足式（5）[20]：

求解該方程得到對應(yīng)的電場分布表達(dá)式為[20]：

式中：V0為電極間的電位差；D為電極間距；x為相對陰極板的距離?？梢娍臻g電荷效應(yīng)顯著改變了原有平板電極之間的均勻電場，由此可得到熟知的離子推力器柵極系統(tǒng)引出束電流極限。正是空間電荷效應(yīng)對場發(fā)射最大電流密度的這種限制作用，給真空擊穿中場發(fā)射電流瞬間蒸發(fā)微凸尖端這一理論增加了疑點[19]。

3 低氣壓環(huán)境誘發(fā)電擊穿的機制

3.1 氣體放電的帕邢定律

氣壓對電擊穿的影響源于早期低氣壓氣體放電研究：當(dāng)電極間存在氣體時，擊穿電壓Ub取決于氣體壓力p和電極間距d的乘積，即滿足帕邢定律[21?22]：

式中：A、B為與氣體種類相關(guān)的常數(shù)；γ為電極材料二次電子發(fā)射系數(shù)。帕邢定律已經(jīng)被大量試驗結(jié)果所驗證，式（7）表達(dá)的擊穿電壓與乘積pd的關(guān)系稱為帕邢曲線。

可通過如下推導(dǎo)過程了解帕邢定律的機制。擊穿電壓定義為實現(xiàn)自維持放電的電壓，氣體實現(xiàn)自維持放電的條件判據(jù)為：

式中：α為電離系數(shù)。進(jìn)一步假設(shè)每個電子經(jīng)過平均自由程后都會通過碰撞失去能量、每個電子碰撞都產(chǎn)生電離，并且電極間電場是均勻的，則通過式（8）可以推導(dǎo)出擊穿電壓表達(dá)式—式（7）[22]。由此可見，帕邢定律反映了電極間電子擴散和漂移損失與陰極產(chǎn)生發(fā)射電子的平衡關(guān)系，且電子和中性原子的碰撞電離概率、離子碰撞電極產(chǎn)生發(fā)射電子的概率均正比于電場、反比于氣體數(shù)密度，陰極材料決定了電子發(fā)射系數(shù)，因此對擊穿電壓影響較大。

3.2 低氣壓誘發(fā)電擊穿的機制

氣體放電機制研究將氣體擊穿分為一次擊穿過程和二次擊穿過程[23]。一次擊穿過程包括電離和復(fù)合碰撞，放電過程中氣體內(nèi)總自由電子密度受控；二次擊穿過程是提供自維持（正反饋）的放電，即電離以擊穿達(dá)到過程頂點。如果氣體放電二次過程在氣體中激活，擊穿將以雪崩式（Streamer）機制發(fā)生，雪崩式擊穿機制以較高氣壓和較大間距為特征；如果二次過程在電極之間激活，擊穿則以湯森（Townsend）機制發(fā)生，湯森擊穿機制以較低氣壓和較小間距為特征。無論哪種機制導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生，擊穿電壓都是pd乘積的函數(shù)（即帕邢定理）。

帕邢定理以具有最小值的非對稱U型曲線為特征，圖7所示為空氣的帕邢曲線，曲線最小值處對應(yīng)的電離效率最大，最小值附近氣體擊穿為湯森機制，最小值右邊為雪崩式機制。pd更小處由于原子密度減小，部分陰極發(fā)射電子在發(fā)生碰撞電離前被陽極吸收；pd更大處由于原子密度增大，部分電離過程產(chǎn)生的離子在到達(dá)陰極前與中性原子發(fā)生碰撞而損失能量，陰極發(fā)射電子效率降低。

離子推力器中的低氣壓電擊穿絕大多數(shù)屬于湯森機制類型，即當(dāng)pd處于中等值時，對應(yīng)的間距d小于電子自由程，電極上的二次擊穿過程主導(dǎo)氣體中的二次擊穿過程，計算擊穿電壓的適用條件為湯森判據(jù)[23?24]：

式中：η為電子附著系數(shù)。低壓氣體來源包括氣體解吸、污染物揮發(fā)、材料出氣、未電離的推進(jìn)劑氣體、外部氣體擴散進(jìn)入或它們的組合。初始電子源包括電極熱發(fā)射、場發(fā)射、射線激發(fā)或電離等，發(fā)生擊穿的位置在帕邢曲線最小值及其左側(cè)附近。

圖7 空氣的U型帕邢曲線Fig.7 Paschen’s curve for air

當(dāng)pd很小時，間距小于電子自由程，電極材料蒸發(fā)導(dǎo)致?lián)舸?，對?yīng)真空擊穿機制，正如第2節(jié)所討論，真空條件下由于電極材料蒸發(fā)導(dǎo)致的電擊穿，只與過程中的低氣壓相關(guān)。當(dāng)pd較大時，氣體中的二次擊穿過程主導(dǎo)電極上的擊穿，對應(yīng)雪崩式擊穿機制，計算擊穿電壓的適用條件為雪崩判據(jù)[24?25]：

雪崩擊穿的擊穿電壓約為發(fā)射特征電壓V?4的2倍，V?4是發(fā)射電流為10?4A時對應(yīng)的電壓。

4 等離子環(huán)境誘發(fā)電擊穿的機制

4.1 等離子鞘層誘發(fā)的電擊穿

鞘層結(jié)構(gòu)是電極間存在的等離子體中對電場分布影響最大的因素。一方面，該鞘層承擔(dān)著電極間的大部分電壓降，能夠增強陰極電子場發(fā)射和熱發(fā)射能力；另一方面，該鞘層一旦與導(dǎo)體微凸結(jié)構(gòu)、帶電絕緣體表面等發(fā)生耦合作用，會對電極表面附近的擊穿過程產(chǎn)生重要影響[26]。電極間為高電壓時，不滿足波姆條件的陰極鞘層厚度及陰極表面電場強度表達(dá)式為[27]：

式中：mi為離子質(zhì)量；qi為離子電荷；vi0為離子進(jìn)入鞘層的初速度；ni為數(shù)密度；V為電極間電壓。對典型離子電推進(jìn)等離子體進(jìn)行的計算表明，鞘層內(nèi)電場強度可達(dá)到106V∕m。

4.2 等離子體泄漏誘發(fā)的電擊穿

離子推力器發(fā)生來自內(nèi)部或外部的等離子體泄漏可直接導(dǎo)致打火。內(nèi)部等離子體泄漏主要源于推力器熱循環(huán)導(dǎo)致的密封結(jié)構(gòu)破壞；外部等離子體泄漏主要源于對環(huán)境等離子體的防護(hù)不當(dāng)，中和器電子反流引發(fā)的柵極間電擊穿最為典型。

離子推力器發(fā)生中和器電子反流的條件為[13]：當(dāng)加速柵負(fù)偏置電壓不夠高或加速柵孔徑隨交換電荷離子腐蝕變到足夠大時，由屏柵和加速柵形成的電勢分布在加速柵孔中心會呈現(xiàn)相對中和器為正的狀態(tài)，中和器發(fā)射的高能電子會直接通過加速柵孔進(jìn)入柵極系統(tǒng)，稱為電子反流現(xiàn)象。阻止電子反流的加速柵電壓Va的最小絕對值與加速柵孔半徑Ra的關(guān)系式為：

式中：Vs為屏柵電壓；Da為加速柵厚度；Rs為屏柵孔半徑；Lg為柵間距。中和器電子反流一旦開始就是一個不可逆過程：電子進(jìn)入柵極進(jìn)一步升高加速柵孔中心的電位，使得更多電子反流進(jìn)入。進(jìn)入柵極后的大量電子加速到上千電子伏并被屏柵極吸收，該能量積累會迅速加熱屏柵局部位置，導(dǎo)致局部熱形變和材料蒸發(fā)，最終導(dǎo)致柵間電擊穿。

一個簡單估算模型為：假設(shè)從加速柵單孔徑截面反流的電子電流Ibs被屏柵等面積吸收，忽略屏柵熱傳導(dǎo)效應(yīng)，經(jīng)簡單推導(dǎo)可得到屏柵截面溫度升高ΔTs與反流時間Δtbs的關(guān)系：

以鉬材料為例，取屏柵電壓Vs為1 000 V，Ra為0.6 mm，Ds為2 mm，反流（電子）電流Ibs為0.02 A，ρs為10.2 g∕cm3，熱容cs為0.25 J∕gK，計算結(jié)果表明：1 s時間的電子反流可使屏柵局部溫度升高3 472 K，遠(yuǎn)超出其沸點溫度，足以產(chǎn)生蒸氣和放電擊穿。

4.3 類真空弧等離子體源誘發(fā)的電擊穿

源于真空陰極電弧等機制，陰極表面產(chǎn)生了半徑為R的半球形初始等離子云，如圖8所示。在R<

圖8 陰極表面初始等離子體云示意圖Fig.8 The geometry of the primary plasma cloud

該初始等離子體誘發(fā)電極間電擊穿的條件為：等離子云發(fā)射的電流應(yīng)達(dá)到由陰極材料決定的某閾值ith，且設(shè)想產(chǎn)生初始等離子體云的入射能量w0全部轉(zhuǎn)化為陰極材料蒸發(fā)和電離的能量，由此推導(dǎo)出激發(fā)初始等離子體云并誘發(fā)電擊穿的入射能量為[28]：

式中：wv為陰極原子升華能；wi為Z階平均電離能，均為材料對應(yīng)的真空弧試驗數(shù)據(jù)。

5 其他因素誘發(fā)的電擊穿

5.1 金屬顆粒物誘發(fā)的電擊穿

假設(shè)金屬微顆粒物開始時接觸于負(fù)電極表面，如圖9所示，受電極間電場的影響，顆粒物表面帶電。球型顆粒物的帶電量為[29]：

在空間微重力條件下，該帶電顆粒受到電場力作用向陽極運動并碰撞于陽極，獲得的最大速度為[30]：

式中：ρp為微球顆粒的密度；Emax為微顆粒極化帶電時最大表面電場。例如0.1μm半徑、50 kV電壓下速度可達(dá)到500 m∕s以上。

圖9 電極間金屬顆粒物帶電及運動示意圖Fig.9 A charged particle between electrodes

當(dāng)碰撞能量高于一定閾值時，在碰撞電極表面產(chǎn)生由濺射物低氣壓環(huán)境導(dǎo)致（誘發(fā)）的電擊穿，文獻(xiàn)[31]討論了電極板上微凸結(jié)構(gòu)對金屬顆粒物碰撞速度及濺射結(jié)果的顯著影響。絕緣體顆粒物極化帶電后，其運動行為與金屬帶電顆粒具有相似性。

5.2 絕緣體表面閃弧誘發(fā)的電擊穿

大量試驗結(jié)果表明，真空條件下由固體絕緣體支撐的電極間擊穿電壓往往會低于無絕緣體情況，而絕緣體材料的擊穿電壓高于真空擊穿電壓，研究確認(rèn)是發(fā)生在絕緣體表面的所謂閃?。╢lashover）現(xiàn)象所致[32?34]。試驗發(fā)現(xiàn)由絕緣體表面閃弧導(dǎo)致的擊穿電壓主要取決于絕緣器外形和性能（純度、出氣、表面電導(dǎo)等），且陰極電極與絕緣體之間的連接狀態(tài)對擊穿電壓的影響遠(yuǎn)大于陽極與絕緣體的連接狀態(tài)。

絕緣體表面閃弧過程分為起源、發(fā)展和擊穿三個階段，如圖10所示。起源階段是在絕緣體、電極（負(fù)電極）和真空交界的三結(jié)區(qū)發(fā)生電極的電子發(fā)射，包括場致（場增強）和熱電子發(fā)射。發(fā)展階段為絕緣體表面的二次電子發(fā)射雪崩，又稱為絕緣體表面電子發(fā)射瀑布，這是一個電子碰撞表面、表面產(chǎn)生二次電子發(fā)射增益、更多電子碰撞表面的發(fā)射電子雪崩式快速增長過程。擊穿階段為電子轟擊表面導(dǎo)致表面的吸附氣體解吸或表面材料蒸發(fā)，最終產(chǎn)生低氣壓放電擊穿。

一個基于吸附了單層氣體的絕緣體表面閃弧真空擊穿電壓的計算公式為[34]：

式中：Mcr為產(chǎn)生擊穿的解析氣體臨界總量；A1為電子碰撞能量；A0為電子發(fā)射能量；v0為解吸氣體平均速度；l為絕緣體長度；γ為解吸概率；ve為平均電子速度。

圖10 絕緣體表面閃弧發(fā)展過程圖Fig.10 Physical processes involved in insulator surface flashover

就二次電子發(fā)射瀑布過程而言，發(fā)射電子以初速離開絕緣體表面，必須有改變電子軌跡的物理機制使其回來碰撞于表面：絕緣體表面帶電、位移電流產(chǎn)生表面磁場都可以實現(xiàn)電子軌跡反流。一個針對平行板電極間柱型絕緣體的位移電流產(chǎn)生的表面磁場如圖11所示，磁感應(yīng)強度大小為[35]：

式中：C是絕緣體的電容；d為絕緣體長度。計算分析表明，當(dāng)電壓變化速率足夠大時二次發(fā)射電子軌跡可以偏移并再次碰撞表面。

圖11 位移電流產(chǎn)生表面磁場示意圖Fig.11 A magnetic field generated by the displacement current

5.3 電極表面絕緣層誘發(fā)電擊穿

為增大離子推力器由內(nèi)向外的熱輻射，陽極、外殼等電極往往采取表面陽極化處理或鍍膜處理以提高表面發(fā)射系數(shù)，結(jié)果導(dǎo)致金屬電極表面被絕緣層覆蓋。電極表面局部氧化、濺射沉積等也會導(dǎo)致類似結(jié)果，形成金屬電極表面的絕緣島分布。一般來說，電極表面絕緣層的存在有助于提高真空條件下電極間擊穿電壓閾值[14]，對防止電極間打火產(chǎn)生有利的作用。但在局部情況下，電極上的絕緣層會成為導(dǎo)致電擊穿的誘發(fā)因素，金屬電極表面絕緣層的存在會以多種機制誘發(fā)電擊穿：

（1）如果電極表面存在局部絕緣層或絕緣島，等離子體環(huán)境中該絕緣層（島）類似于電容器，等離子體對絕緣層充電，絕緣層電荷不斷累積，直到其內(nèi)部場強超出擊穿閾值時絕緣層被擊穿，例如鋁氧化層在低軌等離子體環(huán)境下的擊穿電壓臨界值為70 V[36]。

（2）絕緣體與電極之間有空隙時，空隙內(nèi)電場明顯增強更易發(fā)生低氣壓放電，由此導(dǎo)致局部電擊穿，結(jié)果如圖12（a）所示。

（3）絕緣層與電極微凸結(jié)構(gòu)耦合。如圖12（b）所示，金屬電極場增強發(fā)射的電子進(jìn)入絕緣層并產(chǎn)生絕緣層分子（原子）的倍增電離效應(yīng)，包括絕緣層內(nèi)形成的空穴增強局部電場[37]，導(dǎo)致絕緣層發(fā)生雪崩擊穿。

圖12 缺陷引發(fā)的絕緣體局部損傷示意圖Fig.12 Dielectric damage caused by the defects in dielectric and electrode

如果以上局部擊穿產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流足以蒸發(fā)和電離局部絕緣層，可直接誘發(fā)或通過二次耦合效應(yīng)誘發(fā)電極間擊穿。

6 展望

無論是地面試驗還是在空間工作條件下，離子電推進(jìn)都會發(fā)生非預(yù)期打火問題，通過分析發(fā)現(xiàn)，離子推力器非預(yù)期打火的影響因素多、機制復(fù)雜、耦合性強。并且隨著離子推力器比沖性能的提升，束電壓會進(jìn)一步提高，相應(yīng)的非預(yù)期打火問題會變得更加突出。由此可見，持續(xù)深入地開展離子電推進(jìn)非預(yù)期打火的機制研究，不僅是保證成熟產(chǎn)品工程應(yīng)用可靠性的迫切需求，更是研發(fā)新一代超高比沖離子電推進(jìn)的必然要求。主要研究包括如下方面：

（1）多因素耦合機制研究[38?40]。在離子推力器的設(shè)計中，單個影響因素的抗擊穿裕度都是足夠的，但實際工作時卻無法徹底杜絕電擊穿事件的發(fā)生，顯然是多因素隨機耦合的結(jié)果。本文對單一因素影響機制的分析和量化估算也表明，只有理解了多因素的初始誘發(fā)和過程發(fā)展等耦合機制，才能完全解釋實際發(fā)生的非預(yù)期打火。

（2）隨機偶發(fā)特性研究[41?43]。離子推力器非預(yù)期電擊穿的偶發(fā)特性非常突出，誘發(fā)因素較多、各因素參數(shù)分布范圍較寬、各因素之間相互耦合隨機性大等都是導(dǎo)致這種不確定的主要原因。針對擊穿隨機性的深入研究，不僅需要基于誘發(fā)機制的正確物理模型，更需要強有力的數(shù)學(xué)工具來進(jìn)行復(fù)雜耦合過程概率分析。

（3）數(shù)值計算與專項測試有機結(jié)合研究[44?47]。真實離子推力器工況下的非預(yù)期打火測試在實施中存在較大困難，越來越高效的數(shù)值計算方法成為更有效的研究手段，計算仿真和專項試驗的有機結(jié)合正在成為深化研究的主要方法，由此可顯著地推進(jìn)對問題的研究從定性到定量的轉(zhuǎn)化。

（4）特征參數(shù)研究[48?50]。非預(yù)期電擊穿的時間（周期）、打火頻次、擊穿電流峰值、推力器各電極參數(shù)響應(yīng)等是區(qū)分、判定不同因素導(dǎo)致?lián)舸┗蝰詈涎莼闹饕卣髁?，也是進(jìn)行量化分析和評價的核心參數(shù)，獲取和分析這些特征參數(shù)非常關(guān)鍵。

（5）綜合研究支撐工程應(yīng)用[51?53]。離子推力器的多電極結(jié)構(gòu)、多誘發(fā)因素、多工況條件、長期工作磨損效應(yīng)等情況，使得在工程應(yīng)用中解決打火問題非常困難。一種有效的程序方法就是通過綜合研究，首先確認(rèn)第一（耦合）誘發(fā)因素及其機制，采取有效措施顯著降低其影響程度，然后確認(rèn)新的第一誘發(fā)因素及其機制并采取措施，以此類推直到非預(yù)期打火頻次及危害程度達(dá)到工程可接受。