微陰極電弧推力器放電壽命特性研究

王雯倩，劉向陽,*，王帥，陳世昌，趙子靖，耿金越，沈巖,3，王寧飛

1. 北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081

2. 北京控制工程研究所，北京 100190

3. 中山大學(xué) 航空航天學(xué)院，廣州 510275

μCAT是一種利用真空電弧放電工作的空間推力器。由于其體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，在微納衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道保持等任務(wù)上，有良好的應(yīng)用前景[1-2]。

μCAT有同軸型與環(huán)型兩種常見構(gòu)造，主要由推力器頭部、電源處理模塊和磁模塊組成。本文對同軸型μCAT進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，推力器頭部主要包括陰極、陽極和絕緣體[3-4]。

圖1 μCAT頭部構(gòu)造

μCAT工作過程為：電源處理單元(PPU)首先將直流電輸入電感儲能模塊，通過IGBT將直流信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，通過導(dǎo)電薄膜連接陰陽極放電，從而實現(xiàn)無觸發(fā)點火，隨后燒蝕陰極形成的等離子體經(jīng)過電磁場加速噴出產(chǎn)生推力[5-6]。μCAT工作時理想狀態(tài)為:首先燒蝕導(dǎo)電薄膜，建立放電通道，隨后真空電弧燒蝕陰極材料，補充導(dǎo)電薄膜，使推力器持續(xù)放電[7]。

μCAT為脈沖工作放電，目前研究認(rèn)為當(dāng)放電失效時，意味著μCAT不能正常工作，其可達(dá)到的最大放電次數(shù)即為其壽命。因此，μCAT放電特性變化是其壽命的重要表征。Mathias等[8]認(rèn)為達(dá)到106次壽命是樣機(jī)研制的一個重要挑戰(zhàn)。Zhuang等[9]預(yù)估了環(huán)型推力器壽命可達(dá)108次，但目前沒有該樣機(jī)的詳細(xì)壽命試驗放電次數(shù)，文獻(xiàn)[10]提到其測試壽命可達(dá)2×106次。任亮等[11]研制了一款推力器樣機(jī)，開展了推力器壽命試驗，成功實現(xiàn)了1.12×106次點火。Kronhaus等[12]開發(fā)了一種稱為直列螺旋饋電真空電弧推進(jìn)器(ISF-VAT)的推進(jìn)系統(tǒng)，測試壽命至少可達(dá)到7×105次。綜上，目前已知μCAT樣機(jī)壽命僅能達(dá)到106次水平，距離衛(wèi)星總體所期望的107次水平尚有一定差距。

Dethlefsen等[13]發(fā)現(xiàn)低熔點、低熱導(dǎo)率的材料在放電過程中會產(chǎn)生液滴，降低推力器性能；推力器工作的脈沖時間降低能減少液滴的形成。Kolbeck等[14]發(fā)現(xiàn)在低頻率下，真空電弧同時燒蝕陰極和陽極；在高頻率工作情況下，低熔點陽極材料會形成大顆粒金屬液滴凝聚在陰極或?qū)щ姳∧ど希柚雇屏ζ鼽c火，并使其失效；Kronhaus等[12]發(fā)現(xiàn)放電過程中陶瓷絕緣體也會被消耗；田雷超等[15]發(fā)現(xiàn)推力器失效模式與絕緣體燒蝕有關(guān)；任亮[16]等發(fā)現(xiàn)長時間工作情況下，推力器工作末尾階段電阻會突然升高；耿金越[17]等發(fā)現(xiàn)較高的放電電流條件下，推力器的工作壽命更長。

μCAT全壽命放電次數(shù)多，總工作時間長，記錄其全壽命放電特性數(shù)據(jù)需要大量的時間及人力，是目前制約對其壽命研究的主要原因。且μCAT失效機(jī)理及影響其失效因素尚不明確。因此，本文研制了一款自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可自動記錄μCAT放電電流及放電電壓。

本文在記錄μCAT放電次數(shù)基礎(chǔ)上，增加了對全壽命不同階段放電特性演化過程的研究。本文從導(dǎo)電薄膜微觀形貌上進(jìn)一步對μCAT放電失效機(jī)理進(jìn)行了闡述，有助于從放電頻率與導(dǎo)電薄膜設(shè)計方面入手，為提升μCAT壽命提供支持。

1 自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是本文試驗設(shè)計的核心硬件設(shè)施，可實現(xiàn)對μCAT放電電壓、放電電流數(shù)據(jù)自動記錄，有效降低了人工成本，提高了技術(shù)精確度。

該采集系統(tǒng)包含硬件與軟件兩部分。硬件部分包含電壓探頭、電流探頭、示波器和PC等；軟件部分利用程序控制硬件進(jìn)行記錄工作。

μCAT放電特性主要由其放電電流、放電電壓體現(xiàn)。μCAT工作為脈沖放電，單次脈沖放電時間處于幾十至幾百微秒量級[1]。因此，本文試驗選用的示波器型號為泰克示波器的TDS3014C，電流探頭型號為CP8150A，電壓記錄選用P4100高壓無源差分探頭。

軟件系統(tǒng)主要目的是控制示波器使其存儲放電特性數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要包括波形圖展示面板、參數(shù)輸入控制模塊、數(shù)據(jù)保存模塊三部分。

本文利用LabVIEW和NI-VISA編程，通過控制示波器實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集。

2 壽命特性試驗

本文試驗系統(tǒng)主要包括四部分：真空系統(tǒng)、推力器樣機(jī)、自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動計數(shù)裝置，如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)原理圖

本文對同軸型μCAT分別進(jìn)行了多組放電頻率下的全壽命試驗。每組控制放電頻率不變，使推力器進(jìn)行不間斷放電，直至推力器失效。采集每次推力器放電時的放電電流、放電電壓數(shù)據(jù)，同時利用自動計數(shù)器記錄全壽命過程中的放電次數(shù)。

在推力器完成全壽命放電后，利用USB顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對導(dǎo)電薄膜和陰極表面形貌變化進(jìn)行觀察。

2.1 試驗樣機(jī)

本文所用樣機(jī)陰極材料為鈦，陽極為銅，絕緣材料為氧化鋁。絕緣體上涂有鈦導(dǎo)電薄膜，實物如圖3(a)所示。本文中電源處理模塊包括電容、電感、IGBT、信號輸出元件等，控制推力器脈沖工作，實物如圖3(b)所示。

圖3 推力器實物圖

2.2 真空系統(tǒng)

為保證μCAT工作環(huán)境與空間中環(huán)境接近，試驗樣機(jī)需在真空環(huán)境下放電工作，本文所用的真空艙參數(shù)如表1所示。

表1 真空艙參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 放電特性

本文對比了放電頻率為20 Hz及50 Hz兩種條件下，μCAT全壽命過程的放電電壓和放電電流隨時間變化情況。經(jīng)過處理，得到了擊穿電壓和電流峰值隨放電次數(shù)的變化曲線，如圖4所示。在20 Hz放電頻率下，推力器壽命可達(dá)到1.1×105次，在50 Hz放電頻率下，推力器壽命僅可達(dá)到1.8×104次。擊穿電壓在放電初始階段急劇上升，近似為初始階段擊穿電壓的1.7倍，峰值電流在該階段小范圍內(nèi)波動降低。在隨后的放電過程中，擊穿電壓平穩(wěn)波動，峰值電流保持平穩(wěn)波動。在壽命最后階段，擊穿電壓相對不變，而峰值電流急劇下降，隨后失效。放電頻率為50 Hz時，在壽命的后半段提前出現(xiàn)了電壓、電流提前波動下降的情況。

圖4 放電電壓、峰值電流全壽命變化

圖5為兩種放電頻率下μCAT全壽命過程中，單次放電持續(xù)時間與薄膜電阻隨放電次數(shù)變化的曲線。薄膜電阻在放電初始階段略有升高，在隨后的放電過程中保持相對穩(wěn)定。在推力器臨近失效階段，薄膜電阻波動上升直至極高，導(dǎo)致推力器失效。

圖5 放電持續(xù)時間、電阻全壽命變化

在兩種放電頻率下，放電持續(xù)時間均隨放電次數(shù)波動減少。這是因為隨著放電次數(shù)的增加，薄膜燒蝕，使其逐漸變薄，單次放電可燒蝕物減少，從而使放電持續(xù)時間逐漸減少。

綜合圖4和圖5可得，μCAT工作狀態(tài)分為三段。初始段會發(fā)生相對不穩(wěn)定的放電現(xiàn)象，該狀態(tài)放電次數(shù)占比小于全壽命的10%；隨后μCAT工作達(dá)到穩(wěn)定段，該段的放電特性相對穩(wěn)定，放電可靠性較高，為其放電工作的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，此時推力器工作參數(shù)更具有代表性；μCAT放電工作末期放電特性發(fā)生突變，突變后的放電次數(shù)占全部放電次數(shù)的比例小于2%，該段為μCAT的失效段，放電特性發(fā)生突變后短時間內(nèi)推力器便會停止工作。

μCAT工作初始段放電特性不穩(wěn)定是由于導(dǎo)電薄膜在制備過程中未能達(dá)到導(dǎo)電材料絕對均勻分布，放電易發(fā)生在導(dǎo)電材料相對更多、電阻更小的位置。隨著放電的進(jìn)行，導(dǎo)電材料相對多的位置會發(fā)生燒蝕損耗，薄膜電阻逐漸變?yōu)榉植季鶆虻臓顟B(tài)，此時μCAT工作到達(dá)穩(wěn)定段。導(dǎo)電薄膜從分布不均勻到分布相對均勻的短暫過程中，放電特性會發(fā)生急劇變化。隨著放電的持續(xù)，放電末期陰陽極間可燒蝕材料持續(xù)減少，μCAT工作到達(dá)失效段，該階段導(dǎo)電薄膜燒蝕退化，電阻迅速升高，最終μCAT因為無法實現(xiàn)無觸發(fā)放電而失效。

圖6為20 Hz放電頻率下，μCAT工作初始段、穩(wěn)定段及失效段的單個脈沖下的放電特性曲線。

圖6 單個脈沖下各工作階段典型放電特性曲線

單個脈沖放電能量可由放電特性計算得到，其表達(dá)式如下[2]：

其中Earc為電弧能量；Vdisc(t)為放電電壓；Iarc(t)為電弧電流；Tdisc為放電時間。

單個脈沖平均功率表達(dá)式如下：

通過式(1)與式(2)計算得到各階段單個脈沖放電能量與平均功率如表2所示。隨著放電的進(jìn)行，單個脈沖放電能量逐漸降低，在放電穩(wěn)定段放電功率最高。

表2 單個脈沖放電能量及平均功率

3.2 燒蝕分析

壽命試驗后，僅更換帶有全新導(dǎo)電薄膜的絕緣體，且保持μCAT其他部分及外圍設(shè)備、儀器狀態(tài)、放電頻率等工況不變的情況下，重新開展試驗，得到結(jié)果與原壽命試驗之間有很強的重復(fù)性，說明導(dǎo)電薄膜的燒蝕退化是制約μCAT壽命的關(guān)鍵因素。

本文推力器全壽命放電燒蝕后，導(dǎo)電薄膜形貌如圖7所示。對比試驗前后形貌可知，導(dǎo)電薄膜燒蝕不均勻分布，僅集中在某一區(qū)域。μCAT每次脈沖放電時，真空電弧產(chǎn)生位置隨機(jī)分布。但由于其為無觸發(fā)放電工作，真空電弧更易發(fā)生在導(dǎo)電材料相對較多，電阻相對較小的位置，而不是均勻分布，因此導(dǎo)電薄膜會發(fā)生不均勻燒蝕。對比兩種放電頻率下導(dǎo)電薄膜燒蝕結(jié)果可知，頻率升高可使導(dǎo)電薄膜燒蝕區(qū)域更大，燒蝕程度更強。這是因為當(dāng)推力器以更高放電頻率不間斷工作時，放電產(chǎn)生的熱能積累，使導(dǎo)電薄膜燒蝕加劇直至燒蝕殆盡陰極材料來不及補充導(dǎo)電薄膜，且未燒蝕位置不滿足真空電弧發(fā)生條件。因此造成了前文所述電阻急劇上升使推力器提前失效的結(jié)果。

圖7 放電前后導(dǎo)電薄膜

為了進(jìn)一步分析推力器的燒蝕機(jī)理，本文選用S-4800掃描電子顯微鏡觀測了推力器失效后，陰極及導(dǎo)電薄膜微觀形貌，加速電壓均設(shè)置為5 kV，如圖8所示。

圖8 陰極燒蝕SEM圖

圖8(a)為將陰極局部放大100倍時的圖像。可以觀察到陰極上的放電燒蝕隨機(jī)發(fā)生，更多集中在近導(dǎo)電薄膜一側(cè)。不均勻燒蝕導(dǎo)致陰極利用率降低，陰極不能按需補充到導(dǎo)電薄膜上，從而降低了推力器壽命。

將陰極坑放大1 000倍，可知陰極坑尺寸在微米量級，如圖8(b)所示。陰極坑燒蝕明顯，陰極材料被電弧燒蝕后在陰極坑周圍產(chǎn)生沉積。

由于高放電頻率作用下，導(dǎo)電薄膜燒蝕嚴(yán)重，為方便觀察分析，本文進(jìn)行了放電頻率為1 Hz及10 Hz全壽命試驗，并對導(dǎo)電薄膜進(jìn)行了SEM觀測。將兩組失效后的導(dǎo)電薄膜均放大1 000倍，如圖9所示。對比兩種放電頻率下的導(dǎo)電薄膜，10 Hz放電頻率下，導(dǎo)電薄膜更為破碎，這印證了前文所述的放電頻率升高會使導(dǎo)電薄膜燒蝕加劇的結(jié)論。

圖9 放電失效后導(dǎo)電薄膜燒蝕SEM圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計搭建了μCAT壽命試驗平臺并進(jìn)行了全壽命放電試驗，觀察了推力器失效后導(dǎo)電薄膜形貌變化，可以得到以下結(jié)論：

1)在μCAT全壽命工作過程中，擊穿電壓在放電初始階段急劇上升，隨后保持相對平穩(wěn)直至推力器失效；電流峰值在小范圍內(nèi)波動降低，在臨近失效時急劇下降直至失效；單次放電持續(xù)時間波動降低；薄膜電阻前期相對穩(wěn)定，在臨近失效時迅速升高。

2)放電初期不穩(wěn)定階段在μCAT全壽命占比小于10%，放電穩(wěn)定階段工作特性更能反映μCAT最佳推進(jìn)效果。

3)放電頻率升高會使陰極坑區(qū)域熱量累積，增強了導(dǎo)電薄膜破碎程度，導(dǎo)致推力器提前失效，從而降低其壽命。

4)電弧燒蝕位置不均勻分布，導(dǎo)致陰極利用率降低，陰極不能按需及時補充到導(dǎo)電薄膜上，從而降低了推力器壽命，這是制約μCAT壽命的重要因素。

綜上所述，可適當(dāng)降低放電頻率，增加導(dǎo)電薄膜厚度，以提升其壽命。