微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

王帅,刘向阳,*,赵子靖,郭浩然,耿金越,沈岩,3,王宁飞

1.北京理工大学 宇航学院,北京 100081 2.北京控制工程研究所,北京 100190 3.中山大学 航空航天学院,广州 510275

1 引言

微阴极电弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)是一种利用电弧放电形成推力的微推进装置[1-2]。相比于应用较为广泛的离子推力器和霍尔推力器,μCAT没有管路、阀门等复杂部件,结构简单,并且能够在较低的功率下稳定放电,因此在微纳卫星的姿态调整和位置保持任务上具有较好的应用前景[3-4]。

μCAT羽流诊断对推力器性能研究具有重要意义。μCAT羽流中的电子温度能够体现其产生等离子体的能量水平,不同条件下电子密度和离子速度的变化规律能够揭示元冲量变化的内在机理,有助于选取μCAT的最佳工作条件。文献[5]利用PIC方法对μCAT羽流进行仿真计算,发现磁场位形和强度能够影响羽流特性,最终对推力器性能产生影响。

文献[6-7]利用栅网探究了不同磁场强度的离子速度,文献[8]用μCAT进行磁路设计,并利用法拉第筒测量了离子速度,3个研究均测得离子速度随磁场强度的增大而增大,但未研究磁场位形对μCAT离子速度的影响。文献[9]利用朗缪尔三探针测试了μCAT羽流情况,研究中发现探针在2cm以上的距离时,被测信号衰减较大。该研究对钼和钨铜合金两种不同阴极材料的μCAT进行测试,结果中钼阴极μCAT的电子温度和电子密度均略高于钨铜合金,但没有对此进行深入的讨论,也未对磁场和充电能量的影响进行研究。综上,前人对μCAT样机羽流已经进行了一定的测试试验,但目前缺少关于μCAT不同设计参数对其羽流等离子体影响规律的全面研究。

本文利用朗缪尔三探针诊断系统对μCAT羽流进行诊断,测得μCAT羽流等离子体的电子温度、电子密度和平均离子速度,得到了外加磁场、充电时间以及阴极材料对羽流等离子体特性和离子速度的影响情况,并对有关现象进行分析,阐释内在机理,为μCAT工作参数的设计提供指导。

2 试验设置与方法

2.1 μCAT试验样机

本文采用的样机为同轴型μCAT,包括推力器头部和功率处理模块(PPU),实物如图1所示。头部阴极材料为钛,阳极材料为铜,由氧化铝制成的绝缘体将阴极和阳极隔开,其端面涂覆钛导电薄膜。其功率处理模块包括电感、控制单元以及稳压电源等,稳压电源为24V直流电源,放电电流峰值为25～60A。可以通过电脑上传程序到Arduino Nano开发板控制μCAT充电时间和工作频率。

图1 μCAT实物Fig.1 Physical diagram of a μCAT prototype

2.2 羽流诊断试验

试验系统主要包括:真空系统、推力器样机、朗缪尔三探针测量系统及电参数测量系统,如图2所示。其中,朗缪尔三探针结构将在后文详细叙述。

试验需要在真空舱中进行,试验过程中真空舱内环境压强可达5×10-3Pa,基本满足试验要求。样机头部置于真空舱内,PPU置于真空舱外,朗缪尔三探针固定在步进电机上,在μCAT头部中轴线上进行一维平移,分别在距离推力器头部端面5mm、10mm和15mm处进行诊断。

图2 试验系统原理Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

试验使用的示波器型号为Tektronix公司的MDO3024,电压探头型号为P4100,电流探头型号为CP8150A。本文使用的朗缪尔三探针利用钨丝作为探针电极,钨丝直径为0.3mm,裸露长度为10mm。探针支撑管为陶瓷管,裸露电极末端使用无机高温胶密封,防止等离子体进入管内。陶瓷管表面采用铜箔包裹,探针接线采用多芯屏蔽电缆,并且直接穿过法兰连接到舱外,尽可能地屏蔽电磁干扰。探针电源电压选用36.5V。

本文研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对μCAT羽流的影响。采用的磁路系统为铷铁硼环形磁铁,可以通过设置不同位置和数量的磁铁,改变磁场位形和强度,具体设置方式如图3所示。本文设置的充电时间为100μs、120μs、140μs和160μs,阴极采用钛阴极、CuW阴极(Cu30%W70%)和AgW阴极(Ag30%W70%)。

图3 外加磁体与μCAT头部相对位置Fig.3 Position of the magnet relative to the head of μCAT

2.3 朗缪尔三探针

(1)等离子体特性诊断

文献[10]提出了朗缪尔三探针,改进了脉冲等离子体特性的诊断方法。相对于单探针和双探针,三探针无需扫描电源,能够测量等离子体电子温度和电子密度的瞬时值,大大简化了数据处理过程[11-13]。三探针的原理如图4所示。

图4 朗缪尔三探针原理示意Fig.4 Principle of a triple Langmuir probe

在探针1和探针3之间施加直流电源Vd3,探针2为悬浮探针,利用电压探头可测得探针1和探针2之间的电压值Vd2,利用电流探头测得探针1和探针3之间通过的电流值I,可以通过下式求解获得电子温度Te:

式中:e为电子电荷量,k为玻尔兹曼常数。电子密度ne可由下式求得:

式中:mi为平均离子质量;A为探针裸露面积。在计算合金电子密度时,假设其平均离子质量与阴极的平均原子质量相同。德拜长度λD为:

式中:ε0为真空介电常数。对于μCAT,德拜长度远低于探针尺寸,因此满足薄鞘层理论[11]。

(2)离子速度测量

离子速度可由放电电流信号和探针电流信号获得。根据飞行时间法(TOF法),其原理如图5所示。电流峰值所处的时间为μCAT初始工作瞬间,记为t1,如图中特征点1。放电电流峰值前探针电流峰值被认为是放电干扰,放电电流峰值后探针的第一个电流峰值时间为等离子体运动到探针位置的时刻,记为t2,如图中特征点2。通过放电电流峰值与探针电流峰值时间差dt与距离L计算得到离子运动的平均速度[14-15]:

图5 离子速度测试原理Fig.5 Principle of ion velocity test

3 试验结果与分析

3.1 朗缪尔三探针测试结果

图6(a)为μCAT样机典型放电曲线,图6(b)为朗缪尔三探针的电压电流曲线。从图6(b)中可以看到,探针的电流信号在初始阶段受到干扰形成了一个尖峰,然后迅速下降,接着与等离子体相互作用达到峰值。在放电末期,由于电压波动较大,探针电流信号有明显的异常扰动,因此认为数据不可信。目前认为可信数据区段的起始点为探针电流信号峰值对应的时间,终止点为探针电流信号平滑处理后的第一个负值前,标注如图6(b)所示。

图7为根据有效数据计算得到的电子温度和电子密度,可以发现在放电过程中,电子温度和电子密度在放电初期迅速到达峰值,再逐渐下降。其中,电子密度只在初期形成一个很高的峰值,之后维持在较低水平,说明μCAT放电初始阶段产生的等离子体能量水平较高,瞬时质量流率也较大。下文中比较不同条件对等离子体特性的影响时,均采用探针电流峰值和其对应时间的探针电压值。

图6 推力器放电及探针测试结果Fig.6 Thruster discharge and probe test results

实验测得电子温度峰值为十几电子伏,随着放电进行,降至几电子伏。文献[16]利用朗缪尔探针对钛氢化合物阴极真空电弧直流放电产生的等离子体进行诊断,电流峰值为40A,在10mm处测量的电子温度为6.14～14.72eV,与本文结果相近。

图7 等离子体特性时间演变Fig.7 Time evolution of plasma properties

3.2 磁场的影响

图8为3种磁场作用下,在μCAT中轴线上三个测量位置的电子温度。可以看到随着等离子体向下游扩散,电子温度会逐渐降低。相对于B-1,B-2改变了磁场位形,B-3减小了磁感应强度。对比不同磁场下的电子温度可知,外加磁感应强度越强,羽流电子温度越高。相比之下,外加磁场位形对羽流电子温度的影响比磁感应强度更强。

图8 外加磁场对电子温度的影响Fig.8 Effect of external magnetic field on electron temperature

图9为3种磁场条件下,在μCAT中轴线上3个测量位置的电子数密度。可以看到随着距离的增大,电子密度呈减小趋势。对比B-1和B-3可知,外加磁感应强度越大,电子数密度越小。但磁感应强度不是决定电子温度与电子数密度的唯一因素,对比B-1和B-2可知,磁场位形的改变大大提高了中轴线上的羽流电子数密度,说明外加磁场位形对等离子体特性有较大的影响,在研究中不可忽视[6,8]。

图9 外加磁场对电子数密度的影响Fig.9 Effect of external magnetic field on electron density

图10为在3种外加磁场分布作用下,在μCAT中轴线上3个测量位置的离子速度轴向分布。可以看到离子速度随着距离的增大在逐渐增加。对比B-1和B-2可以发现,两种磁场位形不同位置处的离子速度均比较相近,可见磁场位形的改变对离子速度的影响不大。对比B-1和B-3可知,外加磁感应强度越强,离子速度越快。该结果与文献[6,8]的结论相符。

图10 外加磁场对离子速度的影响Fig.10 Effect of external magnetic field on ion velocity

利用FEMM软件计算磁场沿中轴线方向的强度,结果如图11所示。从图中可以看出,B-1与B-2的磁感应强度积分相近,其离子速度也相近。但二者的强度积分数值约为B-3的两倍,离子速度也大于B-3。由此可知外加磁场的强度积分越高,受洛伦兹力影响越大,离子速度越高。

图11 外加磁场中轴线上的强度分布Fig.11 Intensity distribution along axis of applied magnetic field

μCAT中轴线上的外加磁场方向主要以轴向方向为主,即轴向的磁场对μCAT放电等离子体起着重要作用。外加磁场B-2相较于B-1,在距离放电端面0～5mm区域磁场方向与5～15mm的磁场方向相反且其磁感应强度绝对值较大。在这种情况下,B-2电子温度相对较低,电子数密度相对较高。这是因为相反方向的外加磁场使电子受力前后相反,导致其相对聚集,限制了电子的运动。电子难以扩散,使得电子数密度升高,电子温度降低。B-3的磁场位形与B-1相近,但整体上磁感应强度比B-1弱得多,因此磁场对等离子体加速的效果不如B-1。

综上所述,外加磁场的磁感应强度越强,电子温度越高,离子速度越高,但电子密度有所降低。外加磁场位形对μCAT羽流具有重要作用,B-2中轴线处的电子温度和电子密度比起B-1大大增加,而离子速度相对不变。因此可以说明,外加磁场位置向推力器下游平移,有望提高推力器的元冲量。

3.3 充电时间的影响

由于充电时间对羽流等离子体的影响在不同位置处规律相同,选取10mm位置处的电子温度、电子密度和离子速度进行说明,结果如图12所示,其中磁场条件为B-1,阴极材料为Ti。随着充电时间的延长,电子温度、电子密度和离子温度均有所增大。从图中可以看出,延长充电时间对电子温度的增益不明显。电子速度增大的程度比其他两个参量大得多,充电时间从100μs增大到160μs,电子密度从1.35×1016m-3增大到3.11×1016m-3,是原来的两倍多。

图12 充电时间对羽流等离子体的影响Fig.12 Effect of charging time on plume plasma

图13为放电电流峰值和平均功率随充电时间的变化,可以看出随着充电时间的延长,峰值电流和平均功率增大,而单个阴极斑点产生的等离子体射流不变,电流增大时产生了更多的阴极斑点,从而产生了更高密度的等离子体。

图13 充电时间对电流峰值和平均功率的影响Fig.13 Effect of charging time on current peak and average power

3.4 阴极材料的影响

表1为B-1磁场条件下,不同材料作阴极时,在μCAT中轴线上10mm处测得的电子温度、电子密度和离子速度。可以看出Ti阴极羽流等离子体的电子温度高于其他合金,约为CuW阴极的两倍。CuW阴极羽流等离子体的电子数密度最高,Ti最低。从速度来看,阴极材料对羽流等离子体的离子速度影响较小,Ti阴极μCAT的离子速度略高于另外两种材料。

表1 阴极材料对羽流等离子体的影响

本文测得的不同阴极材料速度结果与前人结果有较大差异。文献[17]测试了不同材料阴极真空电弧放电的离子速度,放电电流为100～300A,结果发现Ti阴极的离子速度与Cu、Ag和W差别较大。而本文发现不同材料阴极的离子速度差别并不大,因此μCAT的离子速度可能还与推力器结构及外加磁场等因素有关,仍然需要推力器级的不同阴极材料离子速度测量试验。

表2为阴极材料对推力器放电特性的影响情况。可以看出,3种材料的放电特性差别不大,因此在放电能量不变的情况下,Ti阴极电离产生的更少,而电子得到了更高的能量。

表2 阴极材料对放电特性的影响

Ti阴极μCAT电子密度较低可能与其低导热系数和较高的熔沸点有关。虽然Ti的第一电离能较低,容易电离,但Ti的导热系数仅为15.24W/(m·K),而CuW的导热系数为220W/(m·K),并且Ti的熔沸点比Cu高,导致Ti阴极放电时产生的金属蒸汽浓度较低,最终电离产生的电子密度较低。这表明不同阴极材料的烧蚀特性不同,产生的等离子体的量不同,导致电子密度有所差异。

4 结论

本文利用朗缪尔三探针对μCAT羽流特性进行诊断,得到了μCAT等离子体的电子温度、电子密度和离子速度等参量,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对μCAT羽流等离子体的影响规律,得出以下结论:

1)μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大。随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度逐渐降低,离子速度逐渐增大。

2)μCAT羽流等离子体状态受外加磁感应强度与位形共同作用。外加磁场越强,电子温度和离子速度越高。磁场位置适当向下游平移,电子密度增大,离子速度差别不大。原因在于等离子体加速过程受磁感应强度积分影响,磁感应强度积分越大,受洛伦兹力影响越大,离子速度就越大。

3)μCAT充电时间越长,羽流等离子体的电子温度、电子密度和离子速度越大。原因在于充电时间越长,放电电流和平均功率越大,形成了更多的阴极斑点,产生了能量水平更高、密度更大的等离子体。

4)相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极μCAT羽流的电子温度较高,电子密度较低。原因主要在于不同阴极材料的烧蚀特性有所差异,电离生成的等离子体总量不同,导致电子密度不同。