微小卫星的毛细管型脉冲等离子体推力器电推进系统的最新研究方案(2)

Takeshi Miyasaka研究了不同毛细管长度(5~25mm)及直径(2mm和3mm)下的放电特性。实验结果表明随毛细管直径的减小和长度的增大,等离子体通道等效阻抗增大,与此同时,弧道沉积能量效率提高。特别地,在毛细管直径为3mm时存在最佳毛细管长度使能量沉积效率最高。

 

日本东京都立大学JunjiUezu等将利用式(5)~式(8)所计算出的弧道等效阻抗定义为放电初始条件[36],并利用该初始条件及电路方程对“PPT-Co II”推力器放电电流波形进行拟合,结果发现拟合波形在前半周期与实验所测波形重合度较好,而在后半周期幅值明显大于实验所测波形。

 

其假设在放电过程中弧道等效阻抗线性增长,并利用放电电流波形中二、三峰值计算后半周期等效阻抗,并借此拟合等离子体阻抗整体变化趋势。根据该拟合结果对放电电流波形进行分析发现:在全放电周期过程中,所拟合的放电电流波形与实际测量波形具有较好的一致性。拟合曲线及实测波形如图13所示。

 

图13  PPT-Co II放电电流波形拟合

微小卫星的毛细管型脉冲等离子体推力器电推进系统的最新研究方案

 

主放电过程中等离子体等效阻抗的变化会对放电通道中的沉积能量产生影响,而沉积的能量将通过焦耳热进一步使等离子体温度及电子数密度发生变化进而影响等效阻抗。由此可知,在该过程中存在复杂的电热耦合关系,而Junji Uezu等从宏观角度对等离子体等效阻抗的变化进行了分析,虽在一定程度上与实测波形具有较好的一致性,但并未从微观层面上解释该拟合方法的科学性。

 

同时Junji Uezu研究发现等离子体通道电感随毛细管长度增大基本保持恒定,同时等效电阻随毛细管长度的增大而线性增大,且当毛细管直径较小时,增长程度更为显著。初始放电能量为10J,毛细管直径为3mm时,推力器整体效率保持恒定的同时,弧道能量沉积效率随腔体长度增加而增大且具有饱和趋势,这由等效阻抗的线性增长决定;而等离子体加速效率则随腔体长度增加而降低[36]。

 

由脉冲等离子体推力器比冲及效率计算式可知,输出性能的计算需要对单次放电下工质烧蚀质量进行准确测量,而在低能量水平下毛细管型脉冲等离子体推力器单次放电工质烧蚀质量为数十克,且多次放电间存在较大的分散性,这对于测量单次放电前后工质质量变化存在较大的不确定性。因此各研究机构均采用上千次放电后利用精密电子天平测量对平均单次放电工质烧蚀质量进行估计,且在放电前后需考虑控制工质吸附气体的影响。

 

日本大阪工业大学HirokazuTahara等研究单次放电平均烧蚀质量与毛细管直径及长度、放电次数、单次放电能量(5~15J)和阴极喷嘴结构的关系[35]。8.8J单次放电能量,0.5Hz重复频率工作模式下,推力器相关性能随放电次数(10000次)的变化结果如图14所示。同时,单次放电平均烧蚀质量随单次放电能量的增大和阴极喷嘴的缩短而增大。

 

图14  推力器输出性能随放电次数的变化

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4  毛细管推力器放电过程诊断及仿真建模

 

毛细管推力器工作的物理过程主要包括放电过程、烧蚀过程和射流产生过程。多个物理过程相互耦合,共同决定了毛细管推力器的性能参数。对于推力器等离子体诊断,主要包括放电通道内等离子体和喷口外羽流的诊断。

 

美国爱德华兹空军基地对XPPT1的等离子体发射光谱进行诊断,通过对C2、C+、F及F+几种特征光谱强度进行时间分辨的诊断,发现各成分发射光谱的强度变化与推力器宏观放电特性间存在密切关系。

 

岐阜大学TakeshiMiyasaka等在毛细管壁上布置狭缝,研究了毛细管型推力器工作过程[42],包括等离子体的产生和射流过程。在喷口轴线方向布置光电倍增管,利用飞行时间(Time of Flight, TOF)法,测量了等离子体团粒子等效速度。并将该方法测量结果与高速摄像机、静电探针测量结果对比,验证了该方法的有效性,如图15所示。

 

实验结果显示,等离子体平均速度约为10km/s。利用高速相机,可以透过毛细管壁狭缝观察工质烧蚀过程。实验结果显示,烧蚀过程远大于放电持续过程。

 

图15  岐阜大学对毛细管推力器工作过程诊断

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2007年日本东京大学对平板式PPT进行研究,通过在高速摄影机前加装滤光片的方法,对代表中性成分的C2及电离成分的C+离子运动特性进行观测[43,44]。观测结果表明,等离子体速度存在“分层”现象,带电粒子运动速度可达10~20km/s,中性成分运动速度仅为1.8km/s,中性成分速度偏低是造成PPT总体效率低下的主要原因。Kumagai等发现放电通道内等离子体以发散方式向喷口运动,而非成电流片形式整体喷射,这也是由于不同带电粒子运动速度存在差异所致。

 

2013年Schönherr等利用马赫-曾德尔干涉仪和光谱仪对ADDSIMPLEX推力器放电通道的等离子体时空特性进行了诊断,实验平台如图16所示。结果表明,放电通道等离子体温度和密度随时间和位置改变而改变,电子密度最大可达1023m3,电子温度变化范围为1.7~3.1eV。


图16  Schönherr搭建的推力器光学诊断平台

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通过仿真研究深入揭示微观机理,阐明等离子体的宏观特性变化规律,对于脉冲等离子体推力器研究具有重要意义。毛细管型脉冲等离子体推力器工作过程的仿真研究主要集中在毛细管烧蚀过程、毛细管内等离子体流体力学和羽流流场仿真等。

 

大阪大学Toshiaki Edamitsu等研制了侧面供料型毛细管等离子体推力器,并建立一维数值仿真模型分析了工质传热、烧蚀、等离子体阻抗变化过程[35]。利用该仿真模型,定量分析了在毛细管推力器工作过程中,辐射、粘滞阻力、外回路阻抗等因素造成的能量损耗,对细化推力器工作过程,深入研究各因素对推力器性能影响规律有重要意义。

 

密歇根大学MichaelKeidar先后建立了朗缪尔烧蚀模型和动力学烧蚀模型,描述毛细管推力器工作过程中工质烧蚀规律。结果表明,管壁烧蚀量存在轴向不均匀性,会影响毛细管内等离子体轴向分布。利用仿真结果计算了推力器的平均烧蚀质量和元冲量,与实验结果对比,有较好的一致性[45-47]。

 

电热化学炮中的毛细管放电过程与毛细管推力器的工作过程有相似之处,均属于消融毛细管放电过程。不同之处在于,毛细管推力器工作环境为真空(约5×103Pa);触发方式为火花塞放电引燃,不涉及金属丝爆过程;单次放电能量较低,烧蚀过程主导因素可能存在差异;毛细管推力器仿真模型需要对输出元冲量进行计算。根据研究需求,可以对电热炮中毛细管放电过程相关研究加以借鉴[48-50]。

 

目前关于等离子体射流仿真建模研究较多,毛细管推力器工作过程流场模型与其有相似之处,也可借鉴其研究和分析方法[51-55]。此外,目前对推力器仿真过程均基于局部热平衡假设,但推力器在实际工况下可能尚未达到局部热平衡条件,因此,在研究中,需要借鉴其他非平衡态等离子体模型对其进行修正[56,57]。

 

5  毛细管型脉冲等离子体推力器研究评述

 

随着微纳卫星的发射任务不断增多,对低功率高性能的推力器提出了更高的要求,传统电磁型脉冲等离子体推力器经过数十年的发展已接近瓶颈,其效率、推功比等性能参数已靠近理论极限,优化空间较小。此外,脉冲等离子体推力器性能参数随功率降低不断劣化,难以满足对低功率高性能推力器的需求。通过文献调研,可以发现,毛细管脉冲等离子体推力器通过将以往以电磁加速为主导的工作模式改变为电热加速工作模式,获得了良好的效果。

 

目前,日本、德国、美国等国已相继展开研究,并逐步进行工程性能验证。毛细管微推力器相关技术获得了长足进步,但仍存在诸多科学和技术问题需要解决,主要包括:

 

(1)完善实验方法与仪器测试系统。

 

目前,关于毛细管型脉冲等离子体推力器的研究手段主要包括:力学测量、电学测量、等离子体诊断以及建模仿真研究。毛细管型推力器输出元冲量范围为N·s量级,因此需要研制应用于微小推力测量的精密测量装置及对应的参数标定方法。电学测量包括典型放电电压与放电电流波形的测量,主要用于推力器放电过程的宏观分析。等离子体诊断包括发射光谱诊断、高速摄影、质谱检测等。

 

通过等离子体检测可以获得微观粒子的状态特性分布。理论建模则包括对推力器工作过程的建模与仿真分析等。在完善各特性研究测试系统的同时,还需要不断完善实验方法与综合检测手段。借助不同角度的实验结果,深入分析推力器工作特性。

 

(2)毛细管推力器工作机制。

 

由于毛细管推力器单次放电周期短(通常在10s以内)。放电过程、烧蚀过程、等离子体喷射过程相互耦合,电气参数、结构参数等影响因素多,各因素对等离子体参数与最终输出参数作用规律尚不明晰,需要借助实验和仿真分析相结合的方法,探索各关键因素对输出参数影响机制间的作用规律,从而为推力器优化设计提供理论依据。

 

(3)烧蚀过程实验与仿真研究。

 

毛细管推力器腔体为聚四氟乙烯材料,在其工作过程中充当推力器工质,在电弧作用下电离、分解。烧蚀过程是推力器工作过程中的重要一环,直接影响推力器的输出特性。目前,对于烧蚀特性的研究仍不够深入,尚未阐明烧蚀过程的发展机制。

 

研究烧蚀过程需要综合借助多种检测手段,深入分析放电参数等对烧蚀过程及烧蚀产物的影响。最终目的是通过烧蚀机理的研究,建立电学参数和输出参数之间内在联系。此外,还需借助数值模拟的方法,建立仿真模型,辅助实验完善对烧蚀机理的研究。

 

(4)参数调控方法。

 

毛细管推力器可以通过改变放电电压、放电频率获得大范围内输出参数调节。需要对放电电压、结构尺寸、极性配合对放电特性、烧蚀特性、喷射特性的影响规律进行系统的测试、分析和研究。针对推力器比冲、元冲、效率等输出参数进行深入分析,建立工作参数与输出参数之间的对应关系。在对工作机制研究的基础上,选择目标参数对应的最佳参数配合方案,最终掌握推力器参数调控方法。

 

(5)工程应用优化。

 

推力器真实工作时需要面对真空低温强电离等条件的恶劣太空环境,这对其系统元器件可靠性提出了更高要求。毛细管型推力器由诸多单元构成,包括电路处理单元、触发单元、推力器主体单元,各单元的寿命和稳定性决定了推力器整体性能,因此需要在地面模拟环境中开展毛细管推力器全系统寿命研究,包括工质材料、电极烧蚀情况等。研制耐烧蚀性能好的电极结构[58,59]。

 

为了满足微小卫星的使用需求,还需研制先进电源系统、高性能储能单元和高集成度的电源处理模块[60]。此外,为延长推力器输出总冲,还需要结合微小卫星对推力器使用和安装要求改进毛细管结构设计、推力器工质补给或替换方式。


结论

微小卫星的不断发展对微推进系统提出了更高的要求,脉冲等离子体推力器采用固体工质,脉冲工作,具有系统简单、可靠性高、参数拓展范围宽的优点。


然而,传统脉冲等离子体推力器性能参数随整体功率降低劣化严重,难以满足参数需求。毛细管型脉冲等离子体推力器利用消融毛细管放电,产生等离子体射流获得推力。电热加速机制使其在低功率下能够获得良好性能参数,具有良好的应用前景。


对于毛细管型推力器的研究,一方面,需要从科学研究的角度,深入分析毛细管推力器工作机制,对所涉及的放电特性、烧蚀特性、喷射特性开展系统的理论分析、数值模拟和实验研究工作,获得参数影响规律;另一方面,需要从工程应用角度出发,不断优化毛细管推力器结构设计,开展推力器各模块的全寿命试验,提高参数输出一致性,掌握参数调控方法。


目前,国内尚未见相关研究报道,应加快毛细管推力器相关研究,加快其工业化应用进程。

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