等离子体点火器放电研究

狄 辉， 车学科， 钟 战， 吴祥东， 朱少鹏

（航天工程大学 宇航科学与技术系， 北京 101400）

0 引言

姿控发动机[1]是一种小推力火箭发动机，通常被应用在卫星、空间站等航天飞行器上。 过去，姿控发动机通常使用自燃推进剂，现在推进剂更多使用碳氢化合物，这就要求姿控发动机拥有点火器，能够长期重复点火。目前常用的点火技术有电火花点火技术[2]、激光点火技术[3]、电加热点火技术[4]和微波点火技术[5]，这对姿控发动机而言并不适用，因此，迫切需要研究开发新型点火技术解决现有问题。 最近几年等离子体在点火助燃[6-8]方面有着重要发展，滑动弧是一种局部热平衡等离子体，同时具有热平衡与非热平衡等离子体的特点[9]，在放电过程中会产生大量活性自由基团与高能电子，释热较大。 通过航空发动机点火实验发现滑动弧等离子体可以实现可靠点火， 能够拓宽点火极限[10]，因此对滑动弧等离子进行放电研究，并将其应用在姿控发动机点火上面，意义重大。

滑动弧通常由两种激励器产生， 即平面滑动弧激励器[11]和旋转滑动弧激励器[12]。 对于姿控发动机而言，平面滑动弧激励器不存在内电极，不会堵塞燃料喷嘴，对发动机内部流场的影响相对更小， 因此更适用于姿控发动机点火。 目前国内外对平面滑动弧均有研究，例如：保加利亚索菲亚大学的St Kolev 等[13]在研究滑动弧在氩气中的放电过程时，建立起了滑动弧在氩气中放电的三维模型，该模型可以计算出滑动弧在不同位置的电弧长度和滑动速度；空军工程大学何立明等[14]在研究平面滑动弧放电过程中发现滑动弧在滑动过程中具有稳定电弧滑动和击穿伴随滑动两种模式，这两种模式与工质气体流量、放电电压、电极结构有关。 郑州大学李卓凡[15]对微秒脉冲滑动弧等离子体周期性进行了研究， 发现当工质气体处于层流时，滑动弧最大上升高度随流速增加而增加，当工质气体处于湍流时，滑动弧最大上升高度随流速增加而减小。

虽然国内外对平面滑动弧均有研究， 但现有的研究工况并不适合姿控发动机的工作工况， 需要对放电过程做进一步研究。 为研究平面滑动弧等离子体在低工质气体流量下的放电过程，设计了平面滑动弧等离子体实验系统，研究了工质气体在不同流量下对滑动弧等离子体滑动阶段、放电功率和滑动特性的影响。 实验结果揭示了工质气体在不同流量下滑动弧等离子体的变化规律，可为小推力火箭发动机滑动弧点火器的研制提供技术参考。

1 实验设计

图1 为滑动弧等离子体实验系统， 主要包括高压气瓶、气体质量流量控制器、滑动弧等离子体激励器、交流电源、电压调节器、高速摄像机、示波器、皮尔森线圈、高压探头等。 其中高压气瓶装有高纯空气， 质量分数为99.99%； 质量流量控制器采用SC100 气体质量流量控制器，控制精度0.01L/min；交流电源采用CTP-2000K 交流电源，电压峰-峰值为0～30kV，电源频率为5～25kHz；滑动弧电弧形态由Phantom v9.1 高速摄像机拍摄； 采用高压探头和电流线圈对滑动弧电压电流进行测量， 采用安捷伦DSOX3054A 示波器对电压和电流波形进行记录。图2 为交流滑动弧等离子体激励器结构示意图， 激励器由绝缘石英基座、进气孔、阴极、阳极等部件组成。两电极均为棒型，两电极夹角为40°，金属阴极与金属阳极之间最小间隙为2mm，进气孔直径为2mm。 实验时，高压气瓶在流量控制器的控制下给激励器供气， 交流电源给电极两端施加电压， 当电极两端电压产生的电场超过临界电场时，就会击穿气体，产生电弧，电弧在气流的吹动下，就会沿电极滑动，产生滑动弧。

图1 滑动弧等离子实验系统

图2 滑动弧等离子体激励器

为研究不同流量的工质气体对滑动弧滑动阶段、放电功率与滑动特性的影响，实验在大气压下进行，温度为293K，交流电源频率为5kHz，高速摄像机拍摄频率1000 帧/秒，工质气体为高纯空气，氮气与氧气体积比为79：21，工质气体流量分别为3.0L/min、3.5L/min、4.0L/min、4.5L/min 和5.0L/min。实验时，调节高速摄像机与数字示波器，使它们都处于外部触发模式，需要记录时，使用外部触发器同时给高速摄像机与数字示波器触发信号，使它们能够同时对滑动弧等离子体进行记录。

2 实验结果分析

2.1 流量对滑动阶段的影响

依据文献[14]可知本实验滑动弧放电为电弧稳定击穿模式，电弧沿气流方向滑动较大。图3 为不同滑动阶段电压波形图，图4 为不同滑动阶段电弧形态图。根据示波器测得滑动弧电压波形与高速摄像机拍摄的电弧形态，可将电弧稳定击穿模式下的一个滑动过程可以分为3 个阶段：击穿滑动阶段（Breakdown sliding stage，B-S）、稳定滑动阶段 （Stable sliding stage，S-S） 和不稳定滑动阶段（Unstable sliding stage，U-S）。

图3 不同滑动阶段电压波形图

图4 不同滑动阶段电弧形态图

B-S 阶段通常发生在滑动弧击穿空气开始放电时，从电弧形态上来看，此时滑动弧处于击穿状态，电弧处在电极的下端，电弧对称，从电压波形上来看，在每个放电周期内电压波形会出现一个较明显的正向峰和负向峰；S-S 阶段通常发生在滑动弧滑动的中期， 从电弧形态上来看，此时滑动弧沿着工质气体流动方向滑动，电弧较为对称，从电压波形上来看，每个放电周期内电压波形与方波较为相似， 电压波形正向与负向没有出现较明显的波峰；U-S 阶段通常发生在滑动弧滑动的后期，从电弧形态上来看，滑动弧左右不对称，电弧不稳定，随时可能发生断裂，从电压波形上来看，在每个放电周期内电压波形在正向与负向上均会出现一高一低两个波峰。

电弧稳定击穿模式下的滑动弧在一个滑动过程内会经历3 个滑动阶段， 即B-S 阶段、S-S 阶段和U-S 阶段。从示波器测得的电压波形与高速摄像拍出的滑动弧形态来看， 滑动弧从击穿空气开始进入B-S 阶段， 而后进入S-S 阶段，最后进入U-S 阶段，直到电弧断裂，随后进入下一个滑动过程。

根据滑动弧在一个周期内滑动阶段的划分， 通过多次测量求平均值的方法，测量出滑动弧在不同流量下BS、S-S 和U-S 阶段下平均滑动时间，结果如图5 所示。 结果发现：向激励器通入的工质气体，流量从3.0L/min 增加到5.0L/min 的过程中，B-S 阶段的滑动时间增加，S-S 阶段与U-S 阶段的滑动时间减小，并且S-S 阶段时间减小程度较大，U-S 阶段减小程度较小。

图5 不同流量下各滑动阶段所用时间

2.2 流量对放电功率的影响

滑动弧等离子体电弧放电功率是衡量滑动弧电学特性的重要参数。 通过示波器可以测出滑动弧放电时的瞬时电压和瞬时电流值，通过式（1）可以计算出滑动弧瞬时功率，通过式（2）可以计算出滑动弧平均功率，滑动弧瞬时功率与平均功率计算结果如图6 图7 所示。

通过图6 可以看出，随着工质气体流量的增加，滑动弧平均放电功率会降低，分析认为：当工质气体流量增加时，滑动弧沿工质气体流动方向上的滑动距离减小，进而使得滑动弧电弧长度减小， 而滑动弧电弧放电功率与电弧长度成正比，导致平均功率减小。

图6 不同流量下滑动弧平均功率

通过图7 可以看出，在一个滑动周期内，滑动弧瞬时功率先减小后增大。 分析认为：而在一个滑动周期内，当处于B-S 阶段时，因为激励器要击穿空气产生滑动弧，需要电源提供的能量足以击穿空气， 所以此刻需要的能量较大， 此刻电弧功率较大， 击穿完毕后电弧功率随之减小；当处于S-S 与U-S 阶段时，电弧功率与电弧长度成正比，滑动弧在工质气体的吹动下弧长逐渐增加，因此需要提供的功率也逐渐增加， 当提供的电功率不能满足电弧滑动时，滑动弧就发生断裂，随后进入下一个滑动周期。

图7 不同流量下电弧功率变化曲线

2.3 流量对滑动特性的影响

电弧的滑动特性可以从最大滑动高度、 最大弧长和滑动速率进行研究， 为研究工质气体流量对最大滑动高度、最大弧长和滑动速率的影响，实验时使用高速摄像机拍摄滑动弧等离子体，将拍到电弧图片每10ms 进行一次叠加并对电弧颜色进行处理，结果如图8 所示，每张图中最低点处的滑动弧发生在工质气体刚被击穿时， 最高点处的滑动弧发生在电弧刚要断裂时。 从图8 中可以看出，不同工质气体流量下的滑动弧在滑动前中期电弧形态较为对称，在滑动后期电弧形态的不对称性增加。

图8 不同流量下滑动弧等离子体形态图

将滑动弧等离子体激励器的对称中心线视为滑动弧滑动高度线， 经测量可以得到滑动弧的最大滑动高度以及滑动弧将要断裂时的最大弧长， 经过测量计算可以得出滑动弧在不同工质气体流量下的滑动时间、 平均滑动速率、最大滑动高度和最大弧长，结果如图9、图10 所示。

从图9 图10 中可以看出，滑动弧滑动速率在5～12m/s内， 滑动时间在40～150ms 内， 最大滑动高度在50～75mm内，最大弧长在25～40mm 内，滑动弧平均滑动速率随着工质气体流量增加而增加，滑动时间、最大弧长和最大滑动高度均随工质气体流量增加而减小。 经过计算，喷嘴出口处流速超过4m/s，工质气体流动为湍流，根据文献15，当工质气体流动为湍流时， 滑动弧滑动高度随流量增加而减小，实验结果与文献相一致，故滑动弧最大弧长与滑动时间均减小。

图9 不同流量下滑动弧滑动速率与滑动时间示意图

图10 不同流量下最大滑动高度与最大弧长示意图

3 结论

本文进行了滑动弧放电实验， 通过改变工质气体流量大小的方法，分析了工质气体流量对滑动弧放电阶段、瞬时功率和电弧形态的影响，具体结论如下：

滑动弧在一个滑动周期内有3 个比较显著的阶段，即B-S、S-S 和U-S 阶段，随着流量的增加，滑动弧滑动周期时间减小，其中B-S 阶段的放电时间增加，S-S 和U-S 阶段放电时间减小。

滑动弧的放电功率与放电阶段和弧长有关，当处于BS 阶段下，放电功率随时间增加而减小，此时滑动弧放电功率与弧长成反比，当处于S-S 和U-S 阶段下，放电功率随时间增加而增加，此时滑动弧放电功率与弧长成正比。

工质气体流量从3L/min 增加到5L/min 时，气体状态为湍流，滑动弧滑动时间、最大滑动高度、最大弧长随着工质气体流量的增加逐渐减小。