微阴极电弧推力器放电寿命特性研究

王雯倩，刘向阳,*，王帅，陈世昌，赵子靖，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

μCAT是一种利用真空电弧放电工作的空间推力器。由于其体积小、质量轻等优点，在微纳卫星的姿态控制、轨道保持等任务上，有良好的应用前景[1-2]。

μCAT有同轴型与环型两种常见构造，主要由推力器头部、电源处理模块和磁模块组成。本文对同轴型μCAT进行研究，其结构如图1所示。其中，推力器头部主要包括阴极、阳极和绝缘体[3-4]。

图1 μCAT头部构造

μCAT工作过程为：电源处理单元(PPU)首先将直流电输入电感储能模块，通过IGBT将直流信号转化为脉冲信号，通过导电薄膜连接阴阳极放电，从而实现无触发点火，随后烧蚀阴极形成的等离子体经过电磁场加速喷出产生推力[5-6]。μCAT工作时理想状态为:首先烧蚀导电薄膜，建立放电通道，随后真空电弧烧蚀阴极材料，补充导电薄膜，使推力器持续放电[7]。

μCAT为脉冲工作放电，目前研究认为当放电失效时，意味着μCAT不能正常工作，其可达到的最大放电次数即为其寿命。因此，μCAT放电特性变化是其寿命的重要表征。Mathias等[8]认为达到106次寿命是样机研制的一个重要挑战。Zhuang等[9]预估了环型推力器寿命可达108次，但目前没有该样机的详细寿命试验放电次数，文献[10]提到其测试寿命可达2×106次。任亮等[11]研制了一款推力器样机，开展了推力器寿命试验，成功实现了1.12×106次点火。Kronhaus等[12]开发了一种称为直列螺旋馈电真空电弧推进器(ISF-VAT)的推进系统，测试寿命至少可达到7×105次。综上，目前已知μCAT样机寿命仅能达到106次水平，距离卫星总体所期望的107次水平尚有一定差距。

Dethlefsen等[13]发现低熔点、低热导率的材料在放电过程中会产生液滴，降低推力器性能；推力器工作的脉冲时间降低能减少液滴的形成。Kolbeck等[14]发现在低频率下，真空电弧同时烧蚀阴极和阳极；在高频率工作情况下，低熔点阳极材料会形成大颗粒金属液滴凝聚在阴极或导电薄膜上，阻止推力器点火，并使其失效；Kronhaus等[12]发现放电过程中陶瓷绝缘体也会被消耗；田雷超等[15]发现推力器失效模式与绝缘体烧蚀有关；任亮[16]等发现长时间工作情况下，推力器工作末尾阶段电阻会突然升高；耿金越[17]等发现较高的放电电流条件下，推力器的工作寿命更长。

μCAT全寿命放电次数多，总工作时间长，记录其全寿命放电特性数据需要大量的时间及人力，是目前制约对其寿命研究的主要原因。且μCAT失效机理及影响其失效因素尚不明确。因此，本文研制了一款自动数据采集系统，可自动记录μCAT放电电流及放电电压。

本文在记录μCAT放电次数基础上，增加了对全寿命不同阶段放电特性演化过程的研究。本文从导电薄膜微观形貌上进一步对μCAT放电失效机理进行了阐述，有助于从放电频率与导电薄膜设计方面入手，为提升μCAT寿命提供支持。

1 自动数据采集系统设计

自动数据采集系统是本文试验设计的核心硬件设施，可实现对μCAT放电电压、放电电流数据自动记录，有效降低了人工成本，提高了技术精确度。

该采集系统包含硬件与软件两部分。硬件部分包含电压探头、电流探头、示波器和PC等；软件部分利用程序控制硬件进行记录工作。

μCAT放电特性主要由其放电电流、放电电压体现。μCAT工作为脉冲放电，单次脉冲放电时间处于几十至几百微秒量级[1]。因此，本文试验选用的示波器型号为泰克示波器的TDS3014C，电流探头型号为CP8150A，电压记录选用P4100高压无源差分探头。

软件系统主要目的是控制示波器使其存储放电特性数据。该系统主要包括波形图展示面板、参数输入控制模块、数据保存模块三部分。

本文利用LabVIEW和NI-VISA编程，通过控制示波器实现数据自动采集。

2 寿命特性试验

本文试验系统主要包括四部分：真空系统、推力器样机、自动数据采集系统和自动计数装置，如图2所示。

图2 试验系统原理图

本文对同轴型μCAT分别进行了多组放电频率下的全寿命试验。每组控制放电频率不变，使推力器进行不间断放电，直至推力器失效。采集每次推力器放电时的放电电流、放电电压数据，同时利用自动计数器记录全寿命过程中的放电次数。

在推力器完成全寿命放电后，利用USB显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对导电薄膜和阴极表面形貌变化进行观察。

2.1 试验样机

本文所用样机阴极材料为钛，阳极为铜，绝缘材料为氧化铝。绝缘体上涂有钛导电薄膜，实物如图3(a)所示。本文中电源处理模块包括电容、电感、IGBT、信号输出元件等，控制推力器脉冲工作，实物如图3(b)所示。

图3 推力器实物图

2.2 真空系统

为保证μCAT工作环境与空间中环境接近，试验样机需在真空环境下放电工作，本文所用的真空舱参数如表1所示。

表1 真空舱参数

3 试验结果与分析

3.1 放电特性

本文对比了放电频率为20 Hz及50 Hz两种条件下，μCAT全寿命过程的放电电压和放电电流随时间变化情况。经过处理，得到了击穿电压和电流峰值随放电次数的变化曲线，如图4所示。在20 Hz放电频率下，推力器寿命可达到1.1×105次，在50 Hz放电频率下，推力器寿命仅可达到1.8×104次。击穿电压在放电初始阶段急剧上升，近似为初始阶段击穿电压的1.7倍，峰值电流在该阶段小范围内波动降低。在随后的放电过程中，击穿电压平稳波动，峰值电流保持平稳波动。在寿命最后阶段，击穿电压相对不变，而峰值电流急剧下降，随后失效。放电频率为50 Hz时，在寿命的后半段提前出现了电压、电流提前波动下降的情况。

图4 放电电压、峰值电流全寿命变化

图5为两种放电频率下μCAT全寿命过程中，单次放电持续时间与薄膜电阻随放电次数变化的曲线。薄膜电阻在放电初始阶段略有升高，在随后的放电过程中保持相对稳定。在推力器临近失效阶段，薄膜电阻波动上升直至极高，导致推力器失效。

图5 放电持续时间、电阻全寿命变化

在两种放电频率下，放电持续时间均随放电次数波动减少。这是因为随着放电次数的增加，薄膜烧蚀，使其逐渐变薄，单次放电可烧蚀物减少，从而使放电持续时间逐渐减少。

综合图4和图5可得，μCAT工作状态分为三段。初始段会发生相对不稳定的放电现象，该状态放电次数占比小于全寿命的10%；随后μCAT工作达到稳定段，该段的放电特性相对稳定，放电可靠性较高，为其放电工作的标准状态，此时推力器工作参数更具有代表性；μCAT放电工作末期放电特性发生突变，突变后的放电次数占全部放电次数的比例小于2%，该段为μCAT的失效段，放电特性发生突变后短时间内推力器便会停止工作。

μCAT工作初始段放电特性不稳定是由于导电薄膜在制备过程中未能达到导电材料绝对均匀分布，放电易发生在导电材料相对更多、电阻更小的位置。随着放电的进行，导电材料相对多的位置会发生烧蚀损耗，薄膜电阻逐渐变为分布均匀的状态，此时μCAT工作到达稳定段。导电薄膜从分布不均匀到分布相对均匀的短暂过程中，放电特性会发生急剧变化。随着放电的持续，放电末期阴阳极间可烧蚀材料持续减少，μCAT工作到达失效段，该阶段导电薄膜烧蚀退化，电阻迅速升高，最终μCAT因为无法实现无触发放电而失效。

图6为20 Hz放电频率下，μCAT工作初始段、稳定段及失效段的单个脉冲下的放电特性曲线。

图6 单个脉冲下各工作阶段典型放电特性曲线

单个脉冲放电能量可由放电特性计算得到，其表达式如下[2]：

其中Earc为电弧能量；Vdisc(t)为放电电压；Iarc(t)为电弧电流；Tdisc为放电时间。

单个脉冲平均功率表达式如下：

通过式(1)与式(2)计算得到各阶段单个脉冲放电能量与平均功率如表2所示。随着放电的进行，单个脉冲放电能量逐渐降低，在放电稳定段放电功率最高。

表2 单个脉冲放电能量及平均功率

3.2 烧蚀分析

寿命试验后，仅更换带有全新导电薄膜的绝缘体，且保持μCAT其他部分及外围设备、仪器状态、放电频率等工况不变的情况下，重新开展试验，得到结果与原寿命试验之间有很强的重复性，说明导电薄膜的烧蚀退化是制约μCAT寿命的关键因素。

本文推力器全寿命放电烧蚀后，导电薄膜形貌如图7所示。对比试验前后形貌可知，导电薄膜烧蚀不均匀分布，仅集中在某一区域。μCAT每次脉冲放电时，真空电弧产生位置随机分布。但由于其为无触发放电工作，真空电弧更易发生在导电材料相对较多，电阻相对较小的位置，而不是均匀分布，因此导电薄膜会发生不均匀烧蚀。对比两种放电频率下导电薄膜烧蚀结果可知，频率升高可使导电薄膜烧蚀区域更大，烧蚀程度更强。这是因为当推力器以更高放电频率不间断工作时，放电产生的热能积累，使导电薄膜烧蚀加剧直至烧蚀殆尽阴极材料来不及补充导电薄膜，且未烧蚀位置不满足真空电弧发生条件。因此造成了前文所述电阻急剧上升使推力器提前失效的结果。

图7 放电前后导电薄膜

为了进一步分析推力器的烧蚀机理，本文选用S-4800扫描电子显微镜观测了推力器失效后，阴极及导电薄膜微观形貌，加速电压均设置为5 kV，如图8所示。

图8 阴极烧蚀SEM图

图8(a)为将阴极局部放大100倍时的图像。可以观察到阴极上的放电烧蚀随机发生，更多集中在近导电薄膜一侧。不均匀烧蚀导致阴极利用率降低，阴极不能按需补充到导电薄膜上，从而降低了推力器寿命。

将阴极坑放大1 000倍，可知阴极坑尺寸在微米量级，如图8(b)所示。阴极坑烧蚀明显，阴极材料被电弧烧蚀后在阴极坑周围产生沉积。

由于高放电频率作用下，导电薄膜烧蚀严重，为方便观察分析，本文进行了放电频率为1 Hz及10 Hz全寿命试验，并对导电薄膜进行了SEM观测。将两组失效后的导电薄膜均放大1 000倍，如图9所示。对比两种放电频率下的导电薄膜，10 Hz放电频率下，导电薄膜更为破碎，这印证了前文所述的放电频率升高会使导电薄膜烧蚀加剧的结论。

图9 放电失效后导电薄膜烧蚀SEM图

4 结束语

本文设计搭建了μCAT寿命试验平台并进行了全寿命放电试验，观察了推力器失效后导电薄膜形貌变化，可以得到以下结论：

1)在μCAT全寿命工作过程中，击穿电压在放电初始阶段急剧上升，随后保持相对平稳直至推力器失效；电流峰值在小范围内波动降低，在临近失效时急剧下降直至失效；单次放电持续时间波动降低；薄膜电阻前期相对稳定，在临近失效时迅速升高。

2)放电初期不稳定阶段在μCAT全寿命占比小于10%，放电稳定阶段工作特性更能反映μCAT最佳推进效果。

3)放电频率升高会使阴极坑区域热量累积，增强了导电薄膜破碎程度，导致推力器提前失效，从而降低其寿命。

4)电弧烧蚀位置不均匀分布，导致阴极利用率降低，阴极不能按需及时补充到导电薄膜上，从而降低了推力器寿命，这是制约μCAT寿命的重要因素。

综上所述，可适当降低放电频率，增加导电薄膜厚度，以提升其寿命。