雙陽極磁增強真空弧推力器性能試驗研究

田 愷，史 楷，郭德洲，趙 勇，陳新偉

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

真空弧推力器（Vacuum Arc Thruster，VAT）以陰極為推進劑，基于無觸發引弧原理，在陽極和陰極間加幾十到數百伏的脈沖電壓即可在微陰極表面誘發真空電弧放電。放電過程中陰極表面熔融物質伴隨熱、場發射電子噴射到陰極與絕緣體導電膜之間的間隙中，并發生碰撞電離，再通過氣動加速、電子-離子摩擦碰撞等機制使離子加速，形成高速等離子體射流，產生微牛級推力。VAT廣泛應用于微納衛星微小推力控制，傳統VAT放電脈沖次數在百萬次量級[1-2]，壽命問題仍然是限制其空間應用的主要因素。

磁增強真空弧推力器（Magnetically Enhanced Vacuum Arc Thruster，MVAT）是在VAT器頭部加裝軸向磁場，通過磁場約束羽流等離子體，以降低推力損耗和羽流污染；同時，陰極斑在離子電流與磁場作用下沿J?×B?方向旋轉，促進了陰極表面的均勻燒蝕，延長了推力器壽命。按照電極排列方式，MVAT通常分為環形和同軸結構[3]。美國阿拉米達應用科學公司（Alameda Applied Sciences Corporation）聯合NASA JPL[4]于2005年研制的首款MVAT為同軸型VAT外加電磁線圈結構，在22 A峰值電流下可以激發0.05 T磁場，推力器平均元沖量2.7 μN·s，相比沒有磁場時的推力提高了50%。2019年，美國華盛頓大學與俄羅斯Tomsk州立大學聯合研制了一款基于永磁鐵的環形電極高推功比MVAT[5]，該推力器質量80 g，功耗16 W，設計磁場0.2 T，平均推力0.21 mN，比沖3 400 s，推功比達到 15 μN/W。國內報導的MVAT[6]元沖量為0.26 μN·s，比沖為518 s，壽命為1.12×106次[7]。

2020年，蘭州空間技術物理研究所研制的首款真空弧推力器LVAT-1完成在軌驗證，元沖量為0.68～0.83 μN·s，滿 足 ＜1 μN·s 的 設 計 要 求[8]。LVAT-1為無磁場約束的同軸型VAT。地面壽命試驗發現，陰極燒蝕只發生在陰極邊緣1 mm寬的環域內，陰極中心部分未參與燒蝕放電，10 Hz工況下的壽命為1.7×106次。

本研究綜合環形MVAT和同軸型MVAT的技術優勢對LVAT-1進行優化，增加磁場結構，研制一款圓柱型內陽極與環形外陽極混合構型的雙陽極磁增強真空弧推力器（Bi-Anode MVAT），并在本所TS-6E真空系統上進行引弧試驗、不同放電模式推力性能比較試驗、失效模式驗證和壽命考核等試驗研究，以期為后續長壽命真空弧推力器的改進和應用提供依據。

1 結構設計

Bi-Anode MVAT由VAT和磁場兩部分組成。VAT保留了LVAT-1的環形陽極（外陽極），將陰極優化為空心筒結構，空心部分增加柱狀陽極（內陽極）和內絕緣體。陰極尾部連接饋送彈簧；將釤鈷磁鐵安裝在羽流出口附近，以提供磁場；陰極為Ti，陽極為Cu，絕緣體為Al2O3陶瓷，殼體為不銹鋼，如圖1所示。整個Bi-Anode MVAT包絡尺寸為D21 mm×35 mm，質量30 g，功耗12 W＠30 Hz。設計為三種放電模式：內陽極放電、外陽極放電和雙陽極（內陽極+外陽極）放電，三種模式可以自由切換。

圖1 LVAT-1和Bi-Anode MVAT示意圖及Bi-Anode MVAT實物照片Fig.1 Schematic and photograph of LVAT-1 and Bi-Anode MVAT

磁場設計通常采用電磁線圈或永磁體。已有的仿真結果表明，MVAT最佳磁場強度為0.1～0.3 T[9-11]。電磁線圈的優點是可通過調節電流來調節磁場強度。采用電源處理單元PPU儲能電感激發電流給電磁線圈供電，25 A激勵電流產生的磁場強度分布如圖2所示。

圖2 25 A時電磁線圈磁場分布圖Fig.2 Magnetic field distribution of electromagnetic coil at 25 A

從圖2可以看出，當激勵電流為25 A時，線圈內部軸向最大磁場出現在線圈中間，約0.034 T，線圈兩極最弱，約0.018 T。如果選擇Ti作為骨架材料，則該電磁線圈的質量為20 g。如果考慮采用磁線圈供電模塊，總體積、功耗和質量還須增加。

筒狀釤鈷磁鐵（質量22.9 g）的磁場分布如圖3所示，筒內的軸向磁場在0.13～0.28 T之間，分布均勻，符合0.1～0.3 T的設計要求。綜合比較，本設計采用釤鈷磁鐵作為Bi-Anode MVAT的磁極。

圖3 筒狀釤鈷磁鐵磁場分布圖Fig.3 Magnetic field distribution of cylindrical SmCo magnet

2 試驗系統

所有的試驗研究都在蘭州空間技術物理研究所電推進實驗室TS-6E真空系統進行。TS-6E的真空艙直徑0.8 m，長1.5 m，工作壓力低于2×10-5Pa。試驗儀器包括程控電源（TDK）、高壓脈沖電源（TSP3090）、空心電感、示波器和上位機，如圖4所示。TDK電源主要為高壓脈沖電源的光纖輸出端提供20～25 V的偏置電壓，精度±0.1%。TSP3090脈沖專用電源由光纖輸入、光纖輸出、脈沖高壓輸出和接地等四模塊組成，配合空心電感（346 μH），為MVAT提供0～10 kV連續可調，脈寬300 ns～1.6 ms，頻率1～50 Hz的脈沖電壓。示波器為DSOX3024T，CH1通道接差分電壓探頭，探頭紅色端和黑色端分別接TSP3090高壓輸出正極和負極，用來監測MVAT放電脈沖電壓；CH2通道接電流探頭，監測VAT陰極回路的脈沖電流。示波器采集的數據通過網線傳輸到上位機，上位機使用LabVIEW 2012軟件實現對放電波形及特征數據的采集和存儲。

圖4 Bi-Anode MVAT試驗系統示意圖Fig.4 Schematic of test system for Bi-Anode MVAT

3 試驗

3.1 引弧試驗

Bi-Anode MVAT繼承LVAT-1硬質Ti膜無觸發引弧機制，內、外陽極與陰極的初始電阻分別為2.6 Ω和22.6 Ω。由于初始電阻較小，引弧試驗通常在大氣下完成，大氣分子參與電離有助于VAT引弧。起弧后再將Bi-Anode MVAT移入真空系統進行性能試驗。三種放電模式中，內陽極引弧相對容易，其次為雙陽極和外陽極引弧。

引弧脈沖參數為：注入脈沖能量0.1 J，放電頻率5 Hz，引弧3 000次，如果引弧成功，試驗結束，否則，須提高脈沖能量，設置同樣頻率和放電次數，直至引弧成功。引弧流程如圖5所示。選用3個Bi-Anode MVAT樣機進行引弧試驗，結果如表1所列。

圖5 Bi-Anode MVAT引弧流程國Fig.5 Process of igniting arc for Bi-Anode MVAT

表1 Bi-Anode MVAT引弧放電參數Tab.1 Igniting arc parameters for Bi-Anode MVAT

從表1可以看出，內陽極引弧的能量閾值最低，為0.2 J，引弧時間為10 s，雙陽極和外陽極放電閾值能量為0.3 J，引弧時間為30 s。圖6為Bi-Anode MVAT內陽極放電模式下初次引弧脈沖放電波形。從圖中可以看出，引弧電壓為540 V，脈沖峰值電流37.0 A，脈沖積分電量為1.25 mC，脈寬在120 μs左右。引弧成功后重新測量陽極和陰極間的電阻，內陽極與陰極間電阻為2.0 kΩ，外陽極與陰極間電阻為26.9 Ω，說明內陽極易于引弧，放電能量集中，能使膜層電阻迅速增大。

圖6 Bi-Anode MVAT引弧放電波形Fig.6 Waveform of igniting arc for Bi-Anode MVAT（inner anode discharge mode）

3.2 不同放電模式推力性能比較試驗

Bi-Anode MVAT的推力性能由元沖量Ibit[12]描述，其理論評估公式為：

式中：k為常數，表示電離單位庫倫電量的離子所產生的沖量，μN·s/C ，，其中C為與陰極t形狀相關的推力修正系數，mi為陰極材料的離子質量，ui為離子速度，fi為離子電流與總放電電流比，eZ˙為離子平均電荷量。Bi-Anode MVAT的陽極和陰極共面，Ct值為 0.67[13]，mi、ui、fi和Z˙都是由 Ti陰極材料決定的基本特性參數[12]，結合LVAT-1在軌驗證結果[8]，本試驗取k=218.9 μN·s/C。Qd為單次放電脈沖的積分電量，單位為C，可通過示波器脈沖電流對時間的積分運算直接讀取。

改變高壓脈沖電源對Bi-Anode MVAT注入脈沖能量，可以評估不同放電模式下注入脈沖能量轉化為推力器輸出元沖量的轉化率。圖7為1 Hz放電頻率下Bi-Anode MVAT不同放電模式的脈沖能量-元沖量轉化率。從圖7可以看出：

圖7 1 Hz下注入脈沖能量-元沖量轉化率Fig.7 Conversion rate of injected pulse energy to impulse bit at 1 Hz

（1）三種放電模式下，推力器輸出的元沖量與外界注入脈沖能量均呈正相關。內陽極放電模式產生的元沖量與注入的脈沖能量的線性度較好，平均轉化率為 0.9 μN·s/J；在0.5 J以下，外陽極放電模式產生的元沖量與注入脈沖能量具有較好的線性度，但隨著注入能量的增加，元沖量趨于飽和，平均轉化率為1.4 μN·s/J；雙陽極放電模式下的元沖量與注入能量始終有較好的線性關系，平均轉化率為1.7 μN·s/J。

（2）相同注入脈沖能量下，內陽極放電模式輸出的元沖量最小，雙陽極放電模式輸出元沖量最大，外陽極放電模式輸出的元沖量要明顯大于內陽極放電輸出的元沖量；0.5 J以下，雙陽極放電輸出的元沖量略大于外陽極放電模式輸出的元沖量；當注入能量大于0.5 J時，雙陽極輸出的元沖量明顯大于外陽極輸出的元沖量。造成上述放電差異的主要原因是外陽極和內陽極的結構不同，外陽極的放電面積遠大于內陽極的放電面積。

（3）當脈沖注入能量＞1.0 J時，推力器周圍有可見的熔融液滴噴出，這些液滴主要為內絕緣體燒熔物，對推力無貢獻，圖7中外陽極的試驗曲線也說明了這一點；當注入脈沖能量增大時，推力器輸出的元沖量有飽和的趨勢，說明注入的脈沖能量只有一部分用于陰極放電，其余能量轉化為內能使絕緣體陶瓷燒融變成液態噴出。

（4）注入能量在0.1～0.4 J時，陰極斑以單點的形式隨機出現，斑點很小，弧光微弱，如果觀測時間足夠長，斑點沿環形陰極表面呈順時針分布；當注入能量為0.5 J時，斑仍為單點，弧光覆蓋25%陰極表面，強度沿順時針方向減弱；注入能量從0.6 J增大到0.9 J時，弧光覆蓋50%陰極表面，呈藍色；注入能量達到1.0 J時，多陰極斑連成片，弧光覆蓋70%的陰極表面，呈紫色。圖8為Bi-Anode MVAT在0.9 J時的放電波形，從圖中可以看出，引弧電壓為840 V，積分電量達到6.25 mC，對應1.4 μN·s的元沖量。

圖8 Bi-Anode MVAT在0.9 J時的放電波形圖Fig.8 Discharge waveform of Bi-Anode MVAT at 0.9 J

3.3 失效模式驗證試驗

（1）短路和開路故障模式驗證

由于導電膜過度沉積引起的短路和燒蝕損耗造成的開路是VAT兩種基本的失效模式。對這兩種基本故障模式進行試驗驗證，得到相應波形，如圖9和圖10所示。圖9是典型的陽極短路故障波形，這種情況下放電主要發生在陽極與殼體（地）之間，脈沖持續時間長，達到1.6 ms以上，雖然能夠抓到放電波形，但陰極表面無電弧。圖10是典型壽命末期的開路放電失效波形，主要特征是引弧電壓高，脈寬特別短，通常在50 μs以下，積分電量小于1 mC。

圖9 典型的陽極短路故障波形圖Fig.9 Typical anode short-circuit fault waveform

圖10 典型壽命末期的開路放電失效波形圖Fig.10 Open-circuit discharge failure mode waveform at the end of typical life

（2）熱失效故障模式

外界注入的脈沖能量只有一部分使陰極表面蒸發的材料電離，其余能量以熱的形式耗散掉。Bi-Anode MVAT的散熱路徑主要有：內陽極-信號線、外陽極-信號線、陰極-彈簧-殼體和陰極-信號線。如果耗散熱量集中在陽極，會導致信號線與陽極之間的焊點熔化；如果耗散熱量集中在陰極，會導致陰極信號線焊接熔化或饋送彈簧失效；嚴重情況下，還會導致陰極、陽極、絕緣體材料過度燒蝕，縮短推力器壽命。

設計了放電頻率對熱失效故障模式的影響試驗。試驗采用雙陽極放電模式，外界注入脈沖能量0.5 J，放電頻率為 1 Hz、5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz，每個頻率放電10 min，試驗結果如圖11所示。

圖11 不同放電頻率下的元沖量Fig.11 Impulse bit under different discharge frequency

從圖11可以看出，放電頻率從1 Hz增大到20 Hz過程中，元沖量從0.32 μN·s減小到0.20 μN·s，當頻率達到25 Hz時，推力器輸出元沖量突然增大到0.59 μN·s，是20 Hz時的近3倍，主要原因是高頻放電下陰極表面處于超熱態，陰極斑增多，等離子體發射成倍增大，脈沖積分電量隨之增大。從試驗現象看，此時陰極表面發紅，陰極斑覆蓋整個陰極表面，羽流呈藍紫色連續噴射狀態，當頻率增大到30 Hz時，推力器輸出元沖量降至0.50 μN·s。試驗還發現，陶瓷熔融顆粒隨放電頻率的增加而增加，說明高頻放電下熱效應已非常明顯，內陽極和內絕緣層已出現嚴重燒蝕。30 Hz放電持續20 min后，弧熄滅，內、外陽極與陰極電阻分別大于20 MΩ和400 Ω，說明內陽極已處于開路狀態。開艙檢查發現，內陽極尾部信號線已燒熔脫落，陰極尾部饋送彈簧性能良好，但陰極頭部與內、外絕緣體已熔焊在一起，說明彈簧饋送對同軸型VAT是不適合的。

3.4 壽命考核試驗

完成Bi-Anode MVAT性能驗證試驗后，進行了連續放電壽命考核試驗。放電參數為：注入脈沖能量0.5 J，放電頻率10 Hz。LabVIEW 2012軟件每隔6 min自動采集存儲一次放電波形及其特征數據。壽命考核試驗持續145 h（放電520萬次）后，推力器因熱失效而終止試驗。圖12為Bi-Anode MVAT壽命試驗期間引弧電壓隨脈沖數的變化曲線，試驗初期引弧電壓為370 V，壽命末期引弧電壓為1 965 V。圖中1 000 V臺階以外陽極放電為主，1 500 V臺階為雙陽極放電，壽命末期的2 000 V臺階以內陽極放電為主。

圖12 Bi-Anode MVAT壽命試驗中引弧電壓隨脈沖數的變化曲線Fig.12 Variation of igniting arc voltage with pulses during in Bi-Anode MVAT lifetime test

4 結論

Bi-Anode MVAT是一種改進型長壽命微推力器，能夠提供內陽極放電、外陽極放電和雙陽極同時放電三種放電模式，可以滿足不同的推力需求。

（1）三種放電模式中，內陽極引弧閾值脈沖能量最低，為0.2 J，引弧時間最短，約10 s，典型引弧電壓為540 V，脈沖峰值電流37.0 A，脈沖積分電量1.25 mC，脈寬為120 μs。

（2）三種放電模式中，雙陽極放電模式輸出的元沖量最大，注入能量對元沖量的平均轉化率為1.7 μN·s/J；其次為外陽極放電模式，平均轉化率為1.4 μNs/J；內陽極放電模式的平均轉化率最小，為0.5 μN·s/J。

（3）熱失效是Bi-Anode MVAT的主要失效模式。脈沖能量0.5 J，放電頻率大于25 Hz時，連續放電20 min會導致陰極尾部導線焊點熔化脫落。高頻放電還會導致內陽極和內絕緣體陶瓷燒熔而噴射熔融物，輸出元沖量減小。最佳放電頻率為10 Hz。

（4）10 Hz頻率下連續放電壽命超過5.2×106次，提高放電壽命的關鍵在于提高VAT熱失效設計能力。