微陰極電弧推力器羽流探針診斷研究

王帥,劉向陽,*,趙子靖,郭浩然,耿金越,沈巖,3,王寧飛

1.北京理工大學 宇航學院,北京 100081 2.北京控制工程研究所,北京 100190 3.中山大學 航空航天學院,廣州 510275

1 引言

微陰極電弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)是一種利用電弧放電形成推力的微推進裝置[1-2]。相比于應用較為廣泛的離子推力器和霍爾推力器,μCAT沒有管路、閥門等復雜部件,結構簡單,并且能夠在較低的功率下穩定放電,因此在微納衛星的姿態調整和位置保持任務上具有較好的應用前景[3-4]。

μCAT羽流診斷對推力器性能研究具有重要意義。μCAT羽流中的電子溫度能夠體現其產生等離子體的能量水平,不同條件下電子密度和離子速度的變化規律能夠揭示元沖量變化的內在機理,有助于選取μCAT的最佳工作條件。文獻[5]利用PIC方法對μCAT羽流進行仿真計算,發現磁場位形和強度能夠影響羽流特性,最終對推力器性能產生影響。

文獻[6-7]利用柵網探究了不同磁場強度的離子速度,文獻[8]用μCAT進行磁路設計,并利用法拉第筒測量了離子速度,3個研究均測得離子速度隨磁場強度的增大而增大,但未研究磁場位形對μCAT離子速度的影響。文獻[9]利用朗繆爾三探針測試了μCAT羽流情況,研究中發現探針在2cm以上的距離時,被測信號衰減較大。該研究對鉬和鎢銅合金兩種不同陰極材料的μCAT進行測試,結果中鉬陰極μCAT的電子溫度和電子密度均略高于鎢銅合金,但沒有對此進行深入的討論,也未對磁場和充電能量的影響進行研究。綜上,前人對μCAT樣機羽流已經進行了一定的測試試驗,但目前缺少關于μCAT不同設計參數對其羽流等離子體影響規律的全面研究。

本文利用朗繆爾三探針診斷系統對μCAT羽流進行診斷,測得μCAT羽流等離子體的電子溫度、電子密度和平均離子速度,得到了外加磁場、充電時間以及陰極材料對羽流等離子體特性和離子速度的影響情況,并對有關現象進行分析,闡釋內在機理,為μCAT工作參數的設計提供指導。

2 試驗設置與方法

2.1 μCAT試驗樣機

本文采用的樣機為同軸型μCAT,包括推力器頭部和功率處理模塊(PPU),實物如圖1所示。頭部陰極材料為鈦,陽極材料為銅,由氧化鋁制成的絕緣體將陰極和陽極隔開,其端面涂覆鈦導電薄膜。其功率處理模塊包括電感、控制單元以及穩壓電源等,穩壓電源為24V直流電源,放電電流峰值為25～60A。可以通過電腦上傳程序到Arduino Nano開發板控制μCAT充電時間和工作頻率。

圖1 μCAT實物Fig.1 Physical diagram of a μCAT prototype

2.2 羽流診斷試驗

試驗系統主要包括:真空系統、推力器樣機、朗繆爾三探針測量系統及電參數測量系統,如圖2所示。其中,朗繆爾三探針結構將在后文詳細敘述。

試驗需要在真空艙中進行,試驗過程中真空艙內環境壓強可達5×10-3Pa,基本滿足試驗要求。樣機頭部置于真空艙內,PPU置于真空艙外,朗繆爾三探針固定在步進電機上,在μCAT頭部中軸線上進行一維平移,分別在距離推力器頭部端面5mm、10mm和15mm處進行診斷。

圖2 試驗系統原理Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

試驗使用的示波器型號為Tektronix公司的MDO3024,電壓探頭型號為P4100,電流探頭型號為CP8150A。本文使用的朗繆爾三探針利用鎢絲作為探針電極,鎢絲直徑為0.3mm,裸露長度為10mm。探針支撐管為陶瓷管,裸露電極末端使用無機高溫膠密封,防止等離子體進入管內。陶瓷管表面采用銅箔包裹,探針接線采用多芯屏蔽電纜,并且直接穿過法蘭連接到艙外,盡可能地屏蔽電磁干擾。探針電源電壓選用36.5V。

本文研究了外加磁場、充電時間和陰極材料對μCAT羽流的影響。采用的磁路系統為銣鐵硼環形磁鐵,可以通過設置不同位置和數量的磁鐵,改變磁場位形和強度,具體設置方式如圖3所示。本文設置的充電時間為100μs、120μs、140μs和160μs,陰極采用鈦陰極、CuW陰極(Cu30%W70%)和AgW陰極(Ag30%W70%)。

圖3 外加磁體與μCAT頭部相對位置Fig.3 Position of the magnet relative to the head of μCAT

2.3 朗繆爾三探針

(1)等離子體特性診斷

文獻[10]提出了朗繆爾三探針,改進了脈沖等離子體特性的診斷方法。相對于單探針和雙探針,三探針無需掃描電源,能夠測量等離子體電子溫度和電子密度的瞬時值,大大簡化了數據處理過程[11-13]。三探針的原理如圖4所示。

圖4 朗繆爾三探針原理示意Fig.4 Principle of a triple Langmuir probe

在探針1和探針3之間施加直流電源Vd3,探針2為懸浮探針,利用電壓探頭可測得探針1和探針2之間的電壓值Vd2,利用電流探頭測得探針1和探針3之間通過的電流值I,可以通過下式求解獲得電子溫度Te:

式中:e為電子電荷量,k為玻爾茲曼常數。電子密度ne可由下式求得:

式中:mi為平均離子質量;A為探針裸露面積。在計算合金電子密度時,假設其平均離子質量與陰極的平均原子質量相同。德拜長度λD為:

式中:ε0為真空介電常數。對于μCAT,德拜長度遠低于探針尺寸,因此滿足薄鞘層理論[11]。

(2)離子速度測量

離子速度可由放電電流信號和探針電流信號獲得。根據飛行時間法(TOF法),其原理如圖5所示。電流峰值所處的時間為μCAT初始工作瞬間,記為t1,如圖中特征點1。放電電流峰值前探針電流峰值被認為是放電干擾,放電電流峰值后探針的第一個電流峰值時間為等離子體運動到探針位置的時刻,記為t2,如圖中特征點2。通過放電電流峰值與探針電流峰值時間差dt與距離L計算得到離子運動的平均速度[14-15]:

圖5 離子速度測試原理Fig.5 Principle of ion velocity test

3 試驗結果與分析

3.1 朗繆爾三探針測試結果

圖6(a)為μCAT樣機典型放電曲線,圖6(b)為朗繆爾三探針的電壓電流曲線。從圖6(b)中可以看到,探針的電流信號在初始階段受到干擾形成了一個尖峰,然后迅速下降,接著與等離子體相互作用達到峰值。在放電末期,由于電壓波動較大,探針電流信號有明顯的異常擾動,因此認為數據不可信。目前認為可信數據區段的起始點為探針電流信號峰值對應的時間,終止點為探針電流信號平滑處理后的第一個負值前,標注如圖6(b)所示。

圖7為根據有效數據計算得到的電子溫度和電子密度,可以發現在放電過程中,電子溫度和電子密度在放電初期迅速到達峰值,再逐漸下降。其中,電子密度只在初期形成一個很高的峰值,之后維持在較低水平,說明μCAT放電初始階段產生的等離子體能量水平較高,瞬時質量流率也較大。下文中比較不同條件對等離子體特性的影響時,均采用探針電流峰值和其對應時間的探針電壓值。

圖6 推力器放電及探針測試結果Fig.6 Thruster discharge and probe test results

實驗測得電子溫度峰值為十幾電子伏,隨著放電進行,降至幾電子伏。文獻[16]利用朗繆爾探針對鈦氫化合物陰極真空電弧直流放電產生的等離子體進行診斷,電流峰值為40A,在10mm處測量的電子溫度為6.14～14.72eV,與本文結果相近。

圖7 等離子體特性時間演變Fig.7 Time evolution of plasma properties

3.2 磁場的影響

圖8為3種磁場作用下,在μCAT中軸線上三個測量位置的電子溫度。可以看到隨著等離子體向下游擴散,電子溫度會逐漸降低。相對于B-1,B-2改變了磁場位形,B-3減小了磁感應強度。對比不同磁場下的電子溫度可知,外加磁感應強度越強,羽流電子溫度越高。相比之下,外加磁場位形對羽流電子溫度的影響比磁感應強度更強。

圖8 外加磁場對電子溫度的影響Fig.8 Effect of external magnetic field on electron temperature

圖9為3種磁場條件下,在μCAT中軸線上3個測量位置的電子數密度。可以看到隨著距離的增大,電子密度呈減小趨勢。對比B-1和B-3可知,外加磁感應強度越大,電子數密度越小。但磁感應強度不是決定電子溫度與電子數密度的唯一因素,對比B-1和B-2可知,磁場位形的改變大大提高了中軸線上的羽流電子數密度,說明外加磁場位形對等離子體特性有較大的影響,在研究中不可忽視[6,8]。

圖9 外加磁場對電子數密度的影響Fig.9 Effect of external magnetic field on electron density

圖10為在3種外加磁場分布作用下,在μCAT中軸線上3個測量位置的離子速度軸向分布。可以看到離子速度隨著距離的增大在逐漸增加。對比B-1和B-2可以發現,兩種磁場位形不同位置處的離子速度均比較相近,可見磁場位形的改變對離子速度的影響不大。對比B-1和B-3可知,外加磁感應強度越強,離子速度越快。該結果與文獻[6,8]的結論相符。

圖10 外加磁場對離子速度的影響Fig.10 Effect of external magnetic field on ion velocity

利用FEMM軟件計算磁場沿中軸線方向的強度,結果如圖11所示。從圖中可以看出,B-1與B-2的磁感應強度積分相近,其離子速度也相近。但二者的強度積分數值約為B-3的兩倍,離子速度也大于B-3。由此可知外加磁場的強度積分越高,受洛倫茲力影響越大,離子速度越高。

圖11 外加磁場中軸線上的強度分布Fig.11 Intensity distribution along axis of applied magnetic field

μCAT中軸線上的外加磁場方向主要以軸向方向為主,即軸向的磁場對μCAT放電等離子體起著重要作用。外加磁場B-2相較于B-1,在距離放電端面0～5mm區域磁場方向與5～15mm的磁場方向相反且其磁感應強度絕對值較大。在這種情況下,B-2電子溫度相對較低,電子數密度相對較高。這是因為相反方向的外加磁場使電子受力前后相反,導致其相對聚集,限制了電子的運動。電子難以擴散,使得電子數密度升高,電子溫度降低。B-3的磁場位形與B-1相近,但整體上磁感應強度比B-1弱得多,因此磁場對等離子體加速的效果不如B-1。

綜上所述,外加磁場的磁感應強度越強,電子溫度越高,離子速度越高,但電子密度有所降低。外加磁場位形對μCAT羽流具有重要作用,B-2中軸線處的電子溫度和電子密度比起B-1大大增加,而離子速度相對不變。因此可以說明,外加磁場位置向推力器下游平移,有望提高推力器的元沖量。

3.3 充電時間的影響

由于充電時間對羽流等離子體的影響在不同位置處規律相同,選取10mm位置處的電子溫度、電子密度和離子速度進行說明,結果如圖12所示,其中磁場條件為B-1,陰極材料為Ti。隨著充電時間的延長,電子溫度、電子密度和離子溫度均有所增大。從圖中可以看出,延長充電時間對電子溫度的增益不明顯。電子速度增大的程度比其他兩個參量大得多,充電時間從100μs增大到160μs,電子密度從1.35×1016m-3增大到3.11×1016m-3,是原來的兩倍多。

圖12 充電時間對羽流等離子體的影響Fig.12 Effect of charging time on plume plasma

圖13為放電電流峰值和平均功率隨充電時間的變化,可以看出隨著充電時間的延長,峰值電流和平均功率增大,而單個陰極斑點產生的等離子體射流不變,電流增大時產生了更多的陰極斑點,從而產生了更高密度的等離子體。

圖13 充電時間對電流峰值和平均功率的影響Fig.13 Effect of charging time on current peak and average power

3.4 陰極材料的影響

表1為B-1磁場條件下,不同材料作陰極時,在μCAT中軸線上10mm處測得的電子溫度、電子密度和離子速度。可以看出Ti陰極羽流等離子體的電子溫度高于其他合金,約為CuW陰極的兩倍。CuW陰極羽流等離子體的電子數密度最高,Ti最低。從速度來看,陰極材料對羽流等離子體的離子速度影響較小,Ti陰極μCAT的離子速度略高于另外兩種材料。

表1 陰極材料對羽流等離子體的影響

本文測得的不同陰極材料速度結果與前人結果有較大差異。文獻[17]測試了不同材料陰極真空電弧放電的離子速度,放電電流為100～300A,結果發現Ti陰極的離子速度與Cu、Ag和W差別較大。而本文發現不同材料陰極的離子速度差別并不大,因此μCAT的離子速度可能還與推力器結構及外加磁場等因素有關,仍然需要推力器級的不同陰極材料離子速度測量試驗。

表2為陰極材料對推力器放電特性的影響情況。可以看出,3種材料的放電特性差別不大,因此在放電能量不變的情況下,Ti陰極電離產生的更少,而電子得到了更高的能量。

表2 陰極材料對放電特性的影響

Ti陰極μCAT電子密度較低可能與其低導熱系數和較高的熔沸點有關。雖然Ti的第一電離能較低,容易電離,但Ti的導熱系數僅為15.24W/(m·K),而CuW的導熱系數為220W/(m·K),并且Ti的熔沸點比Cu高,導致Ti陰極放電時產生的金屬蒸汽濃度較低,最終電離產生的電子密度較低。這表明不同陰極材料的燒蝕特性不同,產生的等離子體的量不同,導致電子密度有所差異。

4 結論

本文利用朗繆爾三探針對μCAT羽流特性進行診斷,得到了μCAT等離子體的電子溫度、電子密度和離子速度等參量,研究了外加磁場、充電時間和陰極材料對μCAT羽流等離子體的影響規律,得出以下結論:

1)μCAT放電初期產生的等離子體電子溫度較高,密度較大。隨著等離子體向下游運動,電子溫度和電子密度逐漸降低,離子速度逐漸增大。

2)μCAT羽流等離子體狀態受外加磁感應強度與位形共同作用。外加磁場越強,電子溫度和離子速度越高。磁場位置適當向下游平移,電子密度增大,離子速度差別不大。原因在于等離子體加速過程受磁感應強度積分影響,磁感應強度積分越大,受洛倫茲力影響越大,離子速度就越大。

3)μCAT充電時間越長,羽流等離子體的電子溫度、電子密度和離子速度越大。原因在于充電時間越長,放電電流和平均功率越大,形成了更多的陰極斑點,產生了能量水平更高、密度更大的等離子體。

4)相比于CuW和AgW陰極,Ti陰極μCAT羽流的電子溫度較高,電子密度較低。原因主要在于不同陰極材料的燒蝕特性有所差異,電離生成的等離子體總量不同,導致電子密度不同。