不同工质材料毛细管型脉冲等离子体推力器工作特性研究

王亚楠 ，任林渊，丁卫东，孙安邦，耿金越

（1.西安交通大学，西安 710049；2.北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

随着微纳卫星热潮的兴起，微型电推进技术逐渐成为热点研究领域[1-3]。利用低能量毛细管放电构建的脉冲等离子体推力器近年来受到广泛关注[4-6]。CDPPT采用固体工质，无需储供机构，采用脉冲工作模式，系统简单、可靠性高，在微纳卫星应用中具有显著优势。CDPPT单次放电能量通常在焦耳量级，通过脉冲放电在毛细管腔体中产生初始电弧，烧蚀并电离工质产生等离子体，在电热作用下向外喷射产生推力，其输出元冲量可精细调节（μN·s量级），契合微纳卫星姿轨控制需求，发展前景广阔。随着微纳卫星任务场景的拓展，要求推力器具备高比冲、高效率和较大范围元冲量调节的能力。然而，目前CDPPT的输出效率较低，比冲有待继续提高、制约了CDPPT的进一步应用，急需性能参数的优化。

推力器工质材料直接影响推力器输出性能和工作可靠性。工质材料的选择必须考虑其稳定性（在太空环境中储存使用）、热解特性（电弧烧蚀后表面无积碳，不影响绝缘性能）以及相对应的推力器输出性能（应具有较高的比冲和效率等参数）。聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoroethylene，PTFE）凭借在推功比、比冲及效率上较好的均衡性成为固体烧蚀型脉冲等离子体推力器（Ablative Pulsed Plasma Thruster，APPT）工质的首选材料。然而，PTFE的熔点较低且在高温熔融状态下对外应力敏感，滞后烧蚀效应及微粒发射影响烧蚀产物的喷射速度，成为限制推力器效率提升的关键因素[7-8]。为了进一步提高推力器性能参数并拓宽其应用范围，国内外学者针对APPT的工质材料进行了广泛的研究。Ling等[9]分析了适用于电磁型APPT的工质材料，并对PTFE与ETFE的优劣进行了分析。俄亥俄大学Leiweke等[10]将PTFE和高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）分层布置，形成多层堆叠状工质，以降低工质中氟原子的相对含量，提高APPT的比冲。由于两种工质电离能的差异，导致烧蚀速率不一致，同时数万次点火后HDPE层出现了炭化，使得推力效率明显低于PTFE工质。为突破采用PTFE工质的APPT推功比及推力较低的局限性，九州工业大学Hisatsune等[11]首次将固体火箭推进剂中常用的端羟基聚丁二烯（Hydroxyl Terminated Polybutadiene，HTPB）及高氯酸铵（Ammonium Perchlorate，AP）与PTFE以30∶70∶15的比例混合形成复合含能工质，通过APPT点火试验发现含能材料可增强放电过程中电热效应，使单次烧蚀质量和元冲量均数倍于PTFE工质，但比冲和效率却显著降低。该研究团队还将HTPB-AP复合工质应用于CDPPT中，发现复合工质中AP占比的升高有利于元冲量及烧蚀质量的增大，但对比冲及效率不利[12]。Glascock等[13-14]研究了电控推进剂在低功耗APPT上的应用可行性，并对等离子体羽流参数等进行了测量，结果表明，相比传统PTFE工质，电控推进剂的比冲劣势明显。除固体工质外，有学者利用水或其他液体作为推力器工质材料，尽管采用液态工质的LPPT在烧蚀均匀性，工质表面积炭及输出推功比等方面较APPT有明显改善[15-18]，但不可避免地增加了电推进装置的结构复杂性，不利于在微纳卫星中系统集成应用。目前对于低功率水平下的APPT替代性工质仍以固体材料为主。过往研究中，有学者对不同种类的高分子聚合物材料进行了试验与分析，结果表明，UPE、ETFE、POM、PTFE热解温度适中，热解后无明显炭黑残留，较适用于烧蚀控制电弧等离子体产生应用场合。然而，上述工质材料目前仅在平板式电磁型APPT上进行了试验，缺乏在CDPPT上的系统性研究。

本文从CDPPT工作过程入手，针对不同类型工质材料PTFE、UPE、ETFE、POM对推力器的工作特性的影响规律开展了试验研究。着重分析不同工质材料下，回路等效放电参数、工质烧蚀质量、推力器输出力学参数的变化规律，以期为毛细管推力器工质材料设计及优化提供基础。

1 试验平台及工质材料

1.1 推力器试验平台

本文设计的毛细管型脉冲等离子体推力器的剖面结构如图1所示，推力器整体呈同轴结构，主要由阳极、绝缘护套、毛细管腔体、阴极喷嘴及火花塞等部件组成。在典型工况下，等离子体通道的电流峰值可达数千安培量级。为避免电极过度烧蚀影响推力器寿命，阳极和阴极均采用耐磨性和耐烧蚀性优良的黄铜制作。为减小放电回路接触电阻，电极引线与阴阳极间均采用螺纹紧密连接。

毛细管型脉冲等离子体推力器工作特性试验研究平台主要包括：真空系统、电源系统、电学诊断、光谱诊断和微推力测量系统，如图2（a）所示。试验过程中，利用真空泵组将真空腔内气压维持在低于5×10-3Pa水平。利用高压直流电源将主电容充电至2 kV，对应CDPPT单次放电能量为5 J。用电压探头（Lecory PPS6kV，400 MHz）和罗氏线圈（Pearson 4997，15 MHz）分别测量推力器的放电电压和电流波形，同时利用示波器（Tektronix DPO7054C）进行数据采集。后期分析中，利用Matlab对采集的电压电流波形信号进行数据处理和计算。试验中，利用微推力测量扭摆测量推力器的输出元冲量，扭摆结构如图2（b）所示。CDPPT工作时产生的推力作用在扭摆摆臂上，摆臂运动可以用二阶系统的零状态冲击响应方程表示，通过精密位移传感器测量摆臂位移可求解推力器输出元冲量。测量前，利用静电梳标定装置对微推力测量扭摆进行了标定，微冲量测量系统最小分辨率可达0.5 μN·s，不确定度低于1%，多次重复试验线性度良好，满足CDPPT输出元冲量测量需求。

毛细管推力器单次烧蚀质量通常在数十微克至数百微克量级，为减小测量随机误差，提高试验效率，利用多次放电（1 000次）累计质量变化求取平均单次烧蚀质量。试验时，分别在推力器放电前后利用精密天平（G&G Electronic Scale JJ124BC，精度±0.1 mg）测量毛细管腔体质量，每次重复测量5次求取平均值。对比不同组别测量结果发现，重复性良好，检测结果偏差均小于0.5%。放电次数可通过信号发生器设定，利用试验前后毛细管腔体质量差值和累积放电次数，可获得等效烧蚀质量。结合微冲量测量结果，可以计算得到推力器的比冲和效率。

图1 毛细管推力器结构图Fig.1 Schematic and configuration of CDPPT and capillary cavity

图2 CDPPT研究试验平台及微推力测量系统Fig.2 Schematic of the experimental platform and micro thrust measurement

1.2 工质材料

试验中所采用的CDPPT工质材料包括：PTFE、UPE、POM和ETFE。四种不同聚合物工质材料的电离特性，平均分子质量及电离能的相关参数如表1所列。利用热重分析方法可以确定不同材料的相变起始温度，热解起始温度等参数。试验中所利用的检测设备为Mettler TGA1。检测结果表明，PTFE相变温度最高为609 K，ETFE约为585 K，POM与UPE相变温度检测结果相近，约为457 K。当温度进一步升高后，相变材料会脱离材料表面产生质量损失。四种材料中，POM的热解温度最低为554 K，UPE为651 K，PTFE与ETFE较为接近为670 K。不同工质材料的热解温度差异导致了烧蚀过程起始时间差异，进而对推力器整个工作过程产生影响。

表1 不同工质材料特性Tab.1 Different propellant materials characteristics

2 试验结果分析

2.1 不同工质材料下推力器放电特性

图3为推力器主电容1.5 μF，充电电压2.0 kV条件下，PTFE、POM、UPE和ETFE四种工质材料在6 000次放电过程中的主电流波形变化规律。在不同工质材料下，放电波形均为衰减震荡波形，但电流幅值，电流波形半宽存在差异，这表明不同工质材料下毛细管腔体内等离子体等效阻抗参数存在差异。

图3 不同工质材料下主放电电流波形变化曲线Fig.3 Main discharge current waveform of the CDPPT with different propellant

此外，随着放电次数的增加，不同工质下，放电 电流均呈现增大趋势。结合毛细管推力器工作过程分析可知，随着放电次数增加，由于能量沉积密度的降低，每焦耳能量下烧蚀质量不断减小，弧道阻抗不断降低，毛细管内径持续扩张，使得能量沉积特性进一步劣化。在四种工质材料中，UPE材料对应的电流幅值增长率最小而PTFE最大。此外，快速沉积阶段中UPE的能量上升速率呈无规律变化趋势，意味着该材料在长时工作条件下的放电特性不稳定。这与Kamhawi观察到的聚乙烯材料平板式APPT的不规则放电现象一致[10，19]。

图4所示为不同放电次数下四种工质的主回路电流幅值及弧道电阻率变化。观察图4中电流上升趋势及弧道电阻的下降趋势可以发现，在4 000次放电过程中，四种材料放电特性的劣化程度均逐渐平缓。不同于其他三种材料，随着放电的继续进行，UPE自身较低的电离能使得其在单次放电中工质烧蚀质量持续降低，等离子体通道内烧蚀产物的电离率不断增大，因而4 000次放电后弧道电阻率的下降趋势更为显著。四种工质材料的主电流幅值在6 000次放电过程中的增长率满足：

弧道电阻率的下降率满足：

图4 不同放电次数下四种工质的主回路电流幅值及弧道电阻率变化曲线Fig.4 The amplitude of discharge current and plasma channel specific resistance of CDPPT with different propellant

图5为不同放电次数下，四种工质材料在放电全过程及电流第一次过零前的沉积能量及能量沉积效率变化规律。随着放电次数的增多，不同工质材料下能量沉积效率均有不同程度的降低。在放电全过程中不同工质沉积能量的下降比例满足：

图5 不同放电次数时四种工质材料的沉积能量及能量沉积效率变化曲线Fig.5 Deposited energy and energy deposition rate under different firing number

相较于放电全过程中沉积能量特性的劣化趋势，电流第一次过零前能量沉积效率的降低趋势更为显著。结合不同放电次数下的主回路电流波形可知，电流反向峰值随放次数的增长程度明显高于电流正向峰值，这与回路中阻抗降低，阻尼系数减小有关。而这也直接导致了沉积于第二个振荡半周期内的能量比例增大。根据计算，快速沉积阶段的能量沉积效率在6 000次放电过程中的下降比例满足：

结合放电全过程及快速沉积阶段的能量沉积效率劣化程度可知，ETFE材料在长时放电过程中的放电特性较为稳定。主要原因在于，一方面，ETFE与PTFE同样具有较高的C-F键能，保证了较高的弧道能量沉积效率；另一方面，ETFE类似于UPE，结构较为致密，具有较好的防积炭性能，在放电次数不断增大时仍可保持较好的稳定性。

2.2 烧蚀特性

为了考察采用不同工质时推力器的烧蚀特性，在主电容容值1.5 μF，充电电压2.0 kV条件下对四种工质材料进行了6 000次连续放电，每1 000次放电后测量毛细管质量，用以分析单次放电时烧蚀质量的变化。图6为不同放电次数下四种工质的单次烧蚀质量变化规律。由图可知，随着放电次数的增加，由于毛细管管径的不断扩张，各工质的平均单次烧蚀质量均呈现下降趋势。不同工质材料的推力器单次烧蚀质量下降率Δmbit满足如下规律：

图6 不同放电次数下四种工质单次烧蚀质量Fig.6 Mass shot of the CDPPT with different propellant under different firing number

当采用不同工质材料时，单次烧蚀质量下降速率与弧道沉积能量及毛细管内径的变化率有关，此外，随着放电次数的增加，电弧通道的能量沉积密度也会发生不同程度的变化。

对四种工质在6 000次放电过程中的能量沉积密度及毛细管内径的变化规律进行拟合，结果如图7所示。

图7 不同放电次数下四种工质弧道能量沉积密度及毛细管内径的变化规律Fig.7 Plasma channel energy deposition of the CDPPT with different propellant under different firing number

由图7可知，随着放电次数的增加，能量沉积密度及毛细管内径的变化率均会逐渐变缓，且能量沉积密度反比于毛细管内径的平方。因此，相比于毛细管内径的变化，能量沉积密度衰减趋势更为明显。不同于单次烧蚀质量的变化规律，在四种工质中，POM的衰减程度最大，约为51.51%。前述分析中认为，单次烧蚀质量的变化仅由能量沉积密度决定，忽略了滞后烧蚀效应对于单次烧蚀质量的影响。在主放电后的较长时间内，管壁温度将保持在其相变温度之上，烧蚀过程将维持百微秒至数毫秒量级。从热重分析可知，POM材料受热易裂解，在320°C左右即发生热解现象。在四种工质中，POM的热解温度最低，滞后烧蚀部分引起的质量变化受主放电过程影响较小，因而它的单次烧蚀质量随放电次数增大变化率较低[20]。其他三种工质材料由于热解温度相近，单次烧蚀质量主要受能量沉积密度的控制。

图8（a）为不同放电次数时，单位初始储能下单次烧蚀质量。随着放电次数的增大，四种材料单位是放电能量下的工质烧蚀质量均呈现逐渐降低的趋势。为排除滞后烧蚀效应对不同工质烧蚀特性一致性的影响，仅对比PTFE、UPE及ETFE三种工质每焦耳沉积能量下的单次烧蚀质量的变化率，如图8（b）所示。总沉积能量是通过放电波形处理积分得到，已排除回路传输能量损耗等，体现放电过程中电弧的总能量。可以发现，在6 000次放电过程中，ETFE降低了16.52%，UPE降低了11.09%，PTFE仅降低了6.38%。根据先前的研究可知，三种工质材料在弧道中沉积能量的衰减率呈相反规律。这意味着在长时间的放电过程中，PTFE管壁材料的物理状态及相关物性不会发生较大程度的变化，在电弧作用下可以保持烧蚀过程具有较好的一致性，有利于推力器输出参数的长期稳定性。

图8 不同放电次数下四种工质的单位能量烧蚀质量Fig.8 Mass shot per joule of the CDPPT with different propellant under different firing number

2.3 输出力学特性

为衡量长时放电条件下各工质推力输出特性的稳定性，对四种工质材料6 000次放电过程中元冲量、比冲、效率及推功比等关键参数进行测量和计算，结果如图9所示，工况为放电电压2 kV，储能电容容值1.5 ΜF，单次放电能量3 J。由图9（a）可知，随着放电的进行，四种工质的元冲量均呈逐渐下降的趋势。随着烧蚀作用的不断进行，毛细管内径逐渐增大，单次放电烧蚀工质质量及电热加速效果所形成的压力梯度逐渐减小，造成粒子出口喷射速度降低，导致了输出元冲量的不断衰减。不同工质元冲量衰减率ΔIbit满足规律：

通过元冲量的拟合曲线在放电次数上的积分可以获得6 000次放电过程中不同工质材料所能产生的总冲量。计算结果表明，PTFE为0.846 N·s，POM 为 0.902N·s，UPE 为 0.327N·s，ETFE 为0.851 N·s。从图9（b）中比冲随放电次数的衰减率能明显看出，UPE材料输出性能的劣化较为严重，但在不同的放电次数范围内，劣化程度具有明显的差异，在开始的1 000次放电过程中，比冲迅速跌落近25.23%，而后保持着相对稳定的衰减趋势。原因是，在放电初期，工质表面温度较低，工质内残余有部分吸附气体，导致放电处于不稳定的状态，工质烧蚀率较低，注入弧道内的功率较大，弧道内电离率较高，易形成较大的温度梯度并加速烧蚀产物至可观的喷射速度；而随着放电的进行，并进入相对稳定的时期，伴随着滞后烧蚀作用的累积，在放电全过程中粒子喷射速度显著降低。不同工质比冲衰减率ΔIsp基本满足如下规律：

图9（c）中各材料随着弧道阻抗降低，毛细管内径增大，能量沉积效率及加速效率均逐渐降低。相应地，推力器的整体效率也呈现逐渐降低的趋势。在四种材料中，ETFE的推力效率下降程度最低，为25.16%，UPE的推力效率由起初的7.66%降低至6 000次放电结束后的3.05%，下降幅度为60.17%，表现出较为明显的性能劣化。图9（d）中推功比的变化趋势与元冲量类似。通过对推力器关键参数在长期工作条件下的对比分析可知，PTFE及ETFE材料可以较好地保证力学性能参数的稳定性，而UPE材料随放电的持续进行，性能劣化程度严重，不能满足推力器长期稳定工作的需求。

图9 不同工质输出参数随放电次数的变化Fig.9 Output parameters of the CDPPT with different propellant under different firing number

3 结论

本文系统研究了四种聚合物材料工质的毛细管型脉冲等离子体推力器的工作特性，探讨了不同工质材料下推力器放电特性、烧蚀特性、推力特性随放电次数的变化规律，得到以下主要结论：

（1）随放电次数增大，四种工质材料的放电特性均呈现出逐渐劣化的趋势。UPE出现放电不稳定现象且在相同放电次数下的主放电电流峰值变化率最高，ETFE在长时间放电过程中表现出较为稳定的放电特性。

（2）四种工质材料的单次放电平均烧蚀质量与单次放电能量均成线性关系。随放电次数增大，四种材料单次放电烧蚀质量及能量沉积密度均逐渐降低。在相同放电次数下，ETFE的单次放电烧蚀质量变化率最大，POM的能量沉积密度变化率最大。由于POM的热解温度较低，相比于能量沉积密度对单次烧蚀质量的影响，滞后烧蚀效应对其影响更为突出。

（3）四种工质材料的元冲量与单次放电能量成线性关系。在相同放电能量下，ETFE的元冲量和推功比最大，UPE的比冲最大，POM具有最高的推力效率。随着放电次数的增大，UPE的元冲量及比冲性能参数劣化最为严重，PTFE和ETFE保持了相对稳定的力学输出性能。

（4）实际应用中必须结合航天推进任务要求选取工质材料。本文研究表明，ETFE材料的推力器参数与PTFE较为接近，但在长期运行过程中，ETFE材料推力器输出参数稳定性更好，更适宜对推力器输出性能一致性要求较高的任务需求。POM和UPE工质具备更高的比冲参数，适合对输出总冲量有要求，但对推力参数稳定性无明确要求的任务场景。本文研究结果可为不同任务要求下的CDPPT工质材料选择提供依据。