（原文標(biāo)題為“毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器研究現(xiàn)狀綜述”）

西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室的研究人員王亞楠、丁衛(wèi)東等，在2018年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器是一種高性能微型電推進(jìn)系統(tǒng)。它利用放電電弧在腔體內(nèi)部燒蝕管壁材料，材料消融產(chǎn)生的等離子體在壓力梯度下加速噴射產(chǎn)生推力。

毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，輸出參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍寬的特點。與傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器相比，在低功率條件下，其推功比和總體效率有較大提升，在微小衛(wèi)星領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

毛細(xì)管型推力器研究包括推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵部件及電源研制、工作機制研究、工作特性診斷、性能參數(shù)優(yōu)化等，本文調(diào)研了日本、美國、德國等研究機構(gòu)的相關(guān)研究成果，并對毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行評述。

隨著低溫等離子體技術(shù)的不斷發(fā)展，其在生物醫(yī)學(xué)、材料處理、環(huán)境保護(hù)、薄膜沉積和物質(zhì)合成轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電推進(jìn)技術(shù)是低溫等離子體在航天技術(shù)領(lǐng)域的重要應(yīng)用，是一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)。

傳統(tǒng)冷氣推進(jìn)的技術(shù)難度較低，易于實現(xiàn)，且功耗低，但是其比沖較低（一般僅有60s左右），由于衛(wèi)星體積、重量的限制無法實現(xiàn)較大的總沖；化學(xué)推進(jìn)的比沖有了較大幅度的提升，可達(dá)200s量級，但最小推力（最小元沖量）較大，且通常不具備寬范圍調(diào)節(jié)能力。

電推進(jìn)系統(tǒng)利用電能加熱、電離和加速推進(jìn)劑使其形成高速射流而產(chǎn)生推力。電推進(jìn)系統(tǒng)通常具備很高的比沖參數(shù)，這大大降低了其工質(zhì)消耗量，對于提高航天器有效荷載有重要意義。此外，電推力器輸出推力或元沖量較小，能夠滿足航天器執(zhí)行軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整任務(wù)時的精密調(diào)節(jié)需求。

典型的電推力器主要包括霍爾推力器（Hall thruster）、離子推力器（ion thruster）、脈沖等離子體推力器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）等。到目前為止，美國、俄羅斯、日本、中國、法國等許多國家已對電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并成功地將不同型號電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用在衛(wèi)星中承擔(dān)飛行任務(wù)[8]。電推進(jìn)技術(shù)也成為等離子體領(lǐng)域熱門研究方向之一。

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，電推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用場合也逐漸向微小衛(wèi)星拓展。微小衛(wèi)星總體功率有限，因此低功耗微電推力器得到廣泛關(guān)注。表1所示為典型的低功率電推進(jìn)系統(tǒng)性能參數(shù)對比[9-13]。

表1 典型低功率電推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)

目前，電推進(jìn)應(yīng)用包括無拖曳控制、大氣阻尼補償、軌道維持、姿態(tài)控制等，其中無拖曳控制和大氣阻尼補償主要是采用離子電推進(jìn)，軌道維持主要是利用霍爾電推進(jìn)和電熱推進(jìn)，姿態(tài)控制主要是利用脈沖等離子體推力器。實際情況中，將根據(jù)不同空間任務(wù)選擇對應(yīng)參數(shù)的推力器系統(tǒng)。

脈沖等離子體推力器結(jié)構(gòu)簡單，采用固體工質(zhì)，無需復(fù)雜的貯供部件，且具備小功率下的高比沖能力。推力器采用脈沖工作模式，可以降低電源部分的復(fù)雜性，提供較小元沖量（達(dá)◆N·s量級）和較高總沖，能夠滿足微納衛(wèi)星長壽命和精確姿軌控制的需求，得到了廣泛的應(yīng)用[14-22]。然而，目前對PPT的研究仍然不夠深入，無論從理論研究或是工程角度而言，依然存在以下亟須解決的主要問題：

（1）存在滯后燒蝕效應(yīng)（Late Time Ablation，LTA），工質(zhì)利用率低下[22-25]。

（2）中性粒子成分比重較大，無法獲得電磁加速作用，系統(tǒng)效率低下。

（3）在低能量水平下（通常指10J及以下量級），系統(tǒng)能量主要消耗于工質(zhì)燒蝕過程，電磁加速過程能量分配少，推力器性能劣化嚴(yán)重[26]。針對微小衛(wèi)星對高性能微推力器的需求，有學(xué)者研制了利用毛細(xì)管消融放電產(chǎn)生等離子射流，進(jìn)而獲得推力的微型推進(jìn)系統(tǒng)，簡稱為毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器[27]。

1 毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器主要特點

毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器是一種以電熱加速為主的脈沖等離子體推力器，圖1為傳統(tǒng)PPT與毛細(xì)管型PPT的基本結(jié)構(gòu)對比示意圖。

圖1 PPT結(jié)構(gòu)示意圖對比

毛細(xì)管型脈沖等離子體的工作過程可以概括為：毛細(xì)管放電時，通過毛細(xì)管管壁材料燒蝕對電弧進(jìn)行冷卻，對腔體內(nèi)的電弧進(jìn)行約束，而產(chǎn)生的燒蝕產(chǎn)物在電弧的高溫作用下分解、解離、加熱并電離成為等離子體，以補充因噴射而造成的等離子體的損失。在電弧高溫?zé)g作用下，毛細(xì)管腔體內(nèi)迅速被高溫等離子體所充斥，腔體內(nèi)壓強和溫度快速升高，向外形成等離子體射流噴射。

毛細(xì)管推力器主要利用電熱加速作用，在低放電能量條件下，與傳統(tǒng)PPT結(jié)構(gòu)相比具備以下優(yōu)勢：（1）電熱加速作用對中性粒子和帶電粒子均有良好的加速效果，提高了總體效率;（2）滯后燒蝕產(chǎn)物依舊可被加速，無滯后燒蝕效應(yīng)，提高了工質(zhì)利用率;（3）放電弧道能量沉積效率高，進(jìn)一步提高了總體效率;（4）毛細(xì)管推力器推功比高，拓展了脈沖等離子體推力器的應(yīng)用范圍;（5）毛細(xì)管放電等離子體粒子密度較高，適合附加加速電極等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

目前，關(guān)于脈沖等離子體推力器的研究主要集中在電磁型推力器上，已在軌應(yīng)用的PPT也多為電磁型PPT。隨著微納衛(wèi)星的發(fā)展，在低能量應(yīng)用下具備優(yōu)勢的毛細(xì)管型推力器逐漸成為研究熱點。日本于2012年率先進(jìn)行了毛細(xì)管型推力器在軌功能驗證。表2所示為主要研究機構(gòu)研制毛細(xì)管推力器與傳統(tǒng)PPT參數(shù)對比。

表2 典型毛細(xì)管型PPT參數(shù)

本文系統(tǒng)調(diào)研了國內(nèi)外相關(guān)毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器研究現(xiàn)狀，并對其進(jìn)行評述。目前，我國主要由部分高校開展傳統(tǒng)PPT的相關(guān)研究，毛細(xì)管型推力器相關(guān)研究尚未見報道。毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器作為具備潛力的高性能微推進(jìn)系統(tǒng)值得關(guān)注，應(yīng)展開研究并加快其工程化應(yīng)用。

2 毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計

毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器主體構(gòu)件包括陽極、陰極噴嘴、毛細(xì)管腔體及觸發(fā)器。毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器利用電弧對毛細(xì)管管壁材料燒蝕，形成高溫高密等離子體射流，在此過程中，陽極形狀、陰極噴嘴半張角以及毛細(xì)管腔體的尺寸均會對等離子體電弧的形成和發(fā)展過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響推力器的整體輸出性能。

日本大阪工業(yè)大學(xué)Hirokazu Tahara等于2003年開始對毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器進(jìn)行研究[31]，于2007開展PROITERES一期計劃并于2012年在微納衛(wèi)星上通過執(zhí)行軌道提升任務(wù)實現(xiàn)在軌驗證。推力器設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 大阪工業(yè)大學(xué)2.43J毛細(xì)管型推力器結(jié)構(gòu)示意圖

Hirokazu研究了在初始能量2.43J時，毛細(xì)管長度及直徑（毛細(xì)管長度范圍為5～10mm，直徑范圍為1～3mm）對推力器元沖量及比沖的影響規(guī)律[32]。研究表明隨毛細(xì)管長度的增大，元沖量增大而比沖減??；隨毛細(xì)管直徑的增大，元沖量減小而比沖增大，同時總體推力效率保持基本恒定。

此外，Hirokazu利用長度9mm、直徑1mm的毛細(xì)管腔體以1Hz頻率連續(xù)工作53 000次累計獲得了5N·s的總沖量，在此期間，元沖量隨放電次數(shù)增加而顯著降低。

Hirokazu等于2010年開展PROITERES二期計劃，研究了在單次放電能量31.59J，毛細(xì)管直徑4mm下，毛細(xì)管長度在20～50mm范圍內(nèi)其對推力器輸出特性的影響[33]。實驗結(jié)果表明推力器元沖量和比沖參數(shù)存在最佳長度和內(nèi)徑配合方式，同時利用長度50mm、直徑4mm的毛細(xì)管腔體可在10 000次重頻工作后獲得19.4N·s的總沖量。

此外，為滿足任務(wù)要求，進(jìn)一步提高推力器壽命及推力水平，Hirokazu設(shè)計了多腔體陣列型推力器結(jié)構(gòu)，可通過控制火花塞選通調(diào)節(jié)推力器工作模式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 大阪工業(yè)大學(xué)多腔體陣列推力器結(jié)構(gòu)示意圖

針對上述多腔體陣列型PPT結(jié)構(gòu)中附加部件較多導(dǎo)致的推進(jìn)系統(tǒng)總體質(zhì)量較大，同時由于固定件較少造成腔體結(jié)構(gòu)一致性差等問題，Hirokazu等在2017年研制了第三代推力器，并命名為MDR-PPT[34]。通過改進(jìn)單根毛細(xì)管型PPT結(jié)構(gòu)使推力器在具有相同腔體數(shù)量時推進(jìn)系統(tǒng)總體質(zhì)量減輕33%，同時由于毛細(xì)管間采用獨立腔體設(shè)計，保證了放電的一致性。

圖4中分別是單根毛細(xì)管型推力器結(jié)構(gòu)及改進(jìn)型多腔體毛細(xì)管型PPT結(jié)構(gòu)。其中放電腔體長度為50mm，直徑為4mm。單根毛細(xì)管在80 000次工作后可獲得81N·s的總沖量。

圖4 大阪工業(yè)大學(xué)3rd MDR-PPT單根毛細(xì)管推力器及總體結(jié)構(gòu)示意圖

日本大阪大學(xué)Toshiaki Edamitsu等分別研究了單次放電能量為5.35J和21.4J時毛細(xì)管長度、推進(jìn)劑工質(zhì)和陰極噴嘴長度對推力器輸出性能的影 響[35]。結(jié)果表明隨毛細(xì)管長度增加，能量沉積效率增大而等離子體加速效率降低，此時存在最佳腔體長度。

同時，在給定的毛細(xì)管長度下，比沖及效率隨初始放電能量增大而提高。以聚乙烯為推進(jìn)劑工質(zhì)時，與聚四氟乙烯相比，推力器比沖可顯著提高，而元沖量降低，同時工質(zhì)表面易發(fā)生炭化影響放電的穩(wěn)定性。隨陰極噴嘴長度增大，元沖量、比沖及推力效率增大且有飽和趨勢。

為在相同單次放電能量下減小元沖量隨放電次數(shù)的下降率以增加推力器總沖量，Toshiaki Edamitsu設(shè)計了毛細(xì)管陣列結(jié)構(gòu)，利用單毛細(xì)管放電引發(fā)陣列放電，有效減少了火花塞數(shù)量并降低了元沖量的下降速率，顯著提高了推力器壽命及總沖量，陣列型結(jié)構(gòu)及放電圖像如圖5所示。

圖5 大阪大學(xué)多通道毛細(xì)管推力器結(jié)構(gòu)圖及放電圖像

日本東京都立大學(xué)Junichiro Aoyagi等研究了陰極噴嘴半張角對推力器輸出元沖量、比沖和總體效率的影響[36]。實驗結(jié)果表明，噴嘴半張角會約束等離子體射流形態(tài)，元沖量、比沖和效率會隨陰極噴嘴半張角的增大先增大后減小，最佳半張角為20°附近范圍。

此外，為提高推力器總沖量，Junichiro Aoyagi設(shè)計了步進(jìn)電機控制的輪盤式毛細(xì)管腔體更換系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。在單次放電能量為10J下，工作150 000次后實現(xiàn)54.6N·s的總沖量。

圖6 東京都立大學(xué)輪盤式工質(zhì)送料結(jié)構(gòu)

美國愛德華茲空軍基地A. P. Pancotti等研究了金屬絲爆、巴申擊穿和三電極沿面閃絡(luò)三種不同觸發(fā)方式下毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器的放電特 性[37]，其中利用三電極沿面閃絡(luò)觸發(fā)方式可獲得比沖350～650s，效率8%～18%的最佳輸出性能，同時保證了推力器工作穩(wěn)定性及重頻性能最優(yōu)，基于三電極觸發(fā)的毛細(xì)管型推力器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 愛德華茲空軍基地三電極觸發(fā)型毛細(xì)管推力器結(jié)構(gòu)

美國伊利諾伊大學(xué)Rodney L. Burton等利用PPT◆7型同軸電熱式脈沖等離子體推力器研究了不同毛細(xì)管腔體尺寸[37]（直徑8～17mm，長度20～50mm）及單次放電能量（10～70J）對推力器有關(guān)性能的影響，PPT◆7結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 伊利諾伊大學(xué)PPT7結(jié)構(gòu)

研究表明隨單次放電能量增大，單位能量下單次平均燒蝕質(zhì)量逐漸下降，比沖及元沖量增大且呈飽和趨勢。比沖及元沖量隨毛細(xì)管尺寸的變化規(guī)律與其他機構(gòu)研究結(jié)果相似。特別地，該實驗發(fā)現(xiàn)比沖隨毛細(xì)管長度的增大先增大后減小，在給定內(nèi)徑范圍中存在最佳尺寸配合方式。

美國普林斯頓大學(xué)Thomas E. Markusic等為提高傳統(tǒng)毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器推功比及推進(jìn)劑工質(zhì)利用效率[38]，研究了基于Z箍縮原理的新型毛細(xì)管推力器，在工作過程中，由于自感磁場的約束，在軸向上形成壓力梯度，等離子體電弧沿陽極運動并脫離工質(zhì)表面，使工質(zhì)表面溫度得以冷卻以減弱滯后燒蝕效應(yīng)，同時可使帶電粒子獲得電磁加速作用，電極結(jié)構(gòu)及放電圖像如圖9所示?？稍?30J初始放電能量下，獲得比沖525s，推功比50◆N/W，效率12%的輸出性能。

圖9 普林斯頓大學(xué)Z-Pinch型PPT電極結(jié)構(gòu)及放電圖像

德國斯圖加特大學(xué)Matthias Lau等設(shè)計了3J能量水平下的毛細(xì)管型推力器PET，結(jié)構(gòu)如圖10所 示[39,40]。研究表明為提高推力器元沖量，可通過增加放電頻率及單次放電能量、減小毛細(xì)管腔體直徑，采用摻雜型聚四氟乙烯工質(zhì)和減小回路寄生電感等途徑實現(xiàn)。

圖10 斯圖加特大學(xué)PET結(jié)構(gòu)

3 毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器工作特性研究（有略節(jié)）

毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器利用電弧燒蝕毛細(xì)管腔壁使其分解、電離為等離子體，腔體內(nèi)溫度和壓強不斷增大并向外噴射等離子體。在此過程中，電容器、傳輸線和電極等效回路電阻熱損耗以及電弧在燒蝕過程時產(chǎn)生的對流、輻射和凍結(jié)流等損耗，是限制毛細(xì)管推力器效率提升的關(guān)鍵制約因素。毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器主放電回路能量流動示意圖如圖11所示[41]。

圖11 毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器能量流動圖

各國研究機構(gòu)對毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器進(jìn)行的電學(xué)特性分析主要通過測量主放電電壓、電流波形，觸發(fā)電壓、電流波形計算回路等效參數(shù)，并據(jù)此分析弧道沉積能量及能量轉(zhuǎn)化效率。

日本岐阜大學(xué)Takeshi Miyasaka等設(shè)計了“GOS-II”毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器[42]，實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖12a所示，并假設(shè)其主放電為典型的R-L-C放電，典型放電電流波形如圖12b所示。

圖12 岐阜大學(xué)GOS-II實驗裝置結(jié)構(gòu)及典型放電電流波形

Takeshi Miyasaka研究了不同毛細(xì)管長度（5～25mm）及直徑（2mm和3mm）下的放電特性。實驗結(jié)果表明隨毛細(xì)管直徑的減小和長度的增大，等離子體通道等效阻抗增大，與此同時，弧道沉積能量效率提高。特別地，在毛細(xì)管直徑為3mm時存在最佳毛細(xì)管長度使能量沉積效率最高。

日本東京都立大學(xué)Junji Uezu等將利用式（5）～式（8）所計算出的弧道等效阻抗定義為放電初始條件[36]，并利用該初始條件及電路方程對“PPT-Co II”推力器放電電流波形進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擬合波形在前半周期與實驗所測波形重合度較好，而在后半周期幅值明顯大于實驗所測波形。

其假設(shè)在放電過程中弧道等效阻抗線性增長，并利用放電電流波形中二、三峰值計算后半周期等效阻抗，并借此擬合等離子體阻抗整體變化趨勢。根據(jù)該擬合結(jié)果對放電電流波形進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在全放電周期過程中，所擬合的放電電流波形與實際測量波形具有較好的一致性。擬合曲線及實測波形如圖13所示。

圖13 PPT-Co II放電電流波形擬合

主放電過程中等離子體等效阻抗的變化會對放電通道中的沉積能量產(chǎn)生影響，而沉積的能量將通過焦耳熱進(jìn)一步使等離子體溫度及電子數(shù)密度發(fā)生變化進(jìn)而影響等效阻抗。由此可知，在該過程中存在復(fù)雜的電熱耦合關(guān)系，而Junji Uezu等從宏觀角度對等離子體等效阻抗的變化進(jìn)行了分析，雖在一定程度上與實測波形具有較好的一致性，但并未從微觀層面上解釋該擬合方法的科學(xué)性。

同時Junji Uezu研究發(fā)現(xiàn)等離子體通道電感隨毛細(xì)管長度增大基本保持恒定，同時等效電阻隨毛細(xì)管長度的增大而線性增大，且當(dāng)毛細(xì)管直徑較小時，增長程度更為顯著。初始放電能量為10J，毛細(xì)管直徑為3mm時，推力器整體效率保持恒定的同時，弧道能量沉積效率隨腔體長度增加而增大且具有飽和趨勢，這由等效阻抗的線性增長決定；而等離子體加速效率則隨腔體長度增加而降低[36]。

由脈沖等離子體推力器比沖及效率計算式可知，輸出性能的計算需要對單次放電下工質(zhì)燒蝕質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確測量，而在低能量水平下毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器單次放電工質(zhì)燒蝕質(zhì)量為數(shù)十克，且多次放電間存在較大的分散性，這對于測量單次放電前后工質(zhì)質(zhì)量變化存在較大的不確定性。因此各研究機構(gòu)均采用上千次放電后利用精密電子天平測量對平均單次放電工質(zhì)燒蝕質(zhì)量進(jìn)行估計，且在放電前后需考慮控制工質(zhì)吸附氣體的影響。

日本大阪工業(yè)大學(xué)Hirokazu Tahara等研究單次放電平均燒蝕質(zhì)量與毛細(xì)管直徑及長度、放電次數(shù)、單次放電能量（5～15J）和陰極噴嘴結(jié)構(gòu)的關(guān)系[35]。8.8J單次放電能量，0.5Hz重復(fù)頻率工作模式下，推力器相關(guān)性能隨放電次數(shù)（10000次）的變化結(jié)果如圖14所示。同時，單次放電平均燒蝕質(zhì)量隨單次放電能量的增大和陰極噴嘴的縮短而增大。

圖14 推力器輸出性能隨放電次數(shù)的變化

4 毛細(xì)管推力器放電過程診斷及仿真建模

毛細(xì)管推力器工作的物理過程主要包括放電過程、燒蝕過程和射流產(chǎn)生過程。多個物理過程相互耦合，共同決定了毛細(xì)管推力器的性能參數(shù)。對于推力器等離子體診斷，主要包括放電通道內(nèi)等離子體和噴口外羽流的診斷。

美國愛德華茲空軍基地對XPPT◆1的等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行診斷，通過對C2、C+、F及F+幾種特征光譜強度進(jìn)行時間分辨的診斷，發(fā)現(xiàn)各成分發(fā)射光譜的強度變化與推力器宏觀放電特性間存在密切關(guān)系。

岐阜大學(xué)Takeshi Miyasaka等在毛細(xì)管壁上布置狹縫，研究了毛細(xì)管型推力器工作過程[42]，包括等離子體的產(chǎn)生和射流過程。在噴口軸線方向布置光電倍增管，利用飛行時間（Time of Flight, TOF）法，測量了等離子體團粒子等效速度。并將該方法測量結(jié)果與高速攝像機、靜電探針測量結(jié)果對比，驗證了該方法的有效性，如圖15所示。

實驗結(jié)果顯示，等離子體平均速度約為10km/s。利用高速相機，可以透過毛細(xì)管壁狹縫觀察工質(zhì)燒蝕過程。實驗結(jié)果顯示，燒蝕過程遠(yuǎn)大于放電持續(xù)過程。

圖15 岐阜大學(xué)對毛細(xì)管推力器工作過程診斷

2007年日本東京大學(xué)對平板式PPT進(jìn)行研究，通過在高速攝影機前加裝濾光片的方法，對代表中性成分的C2及電離成分的C+離子運動特性進(jìn)行觀測[43,44]。觀測結(jié)果表明，等離子體速度存在“分層”現(xiàn)象，帶電粒子運動速度可達(dá)10～20km/s，中性成分運動速度僅為1.8km/s，中性成分速度偏低是造成PPT總體效率低下的主要原因。Kumagai等發(fā)現(xiàn)放電通道內(nèi)等離子體以發(fā)散方式向噴口運動，而非成電流片形式整體噴射，這也是由于不同帶電粒子運動速度存在差異所致。

2013年Sch?nherr等利用馬赫-曾德爾干涉儀和光譜儀對ADD SIMP◆LEX推力器放電通道的等離子體時空特性進(jìn)行了診斷，實驗平臺如圖16所示。結(jié)果表明，放電通道等離子體溫度和密度隨時間和位置改變而改變，電子密度最大可達(dá)1023m◆3，電子溫度變化范圍為1.7～3.1eV。

圖16 Sch?nherr搭建的推力器光學(xué)診斷平臺

通過仿真研究深入揭示微觀機理，闡明等離子體的宏觀特性變化規(guī)律，對于脈沖等離子體推力器研究具有重要意義。毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器工作過程的仿真研究主要集中在毛細(xì)管燒蝕過程、毛細(xì)管內(nèi)等離子體流體力學(xué)和羽流流場仿真等。

大阪大學(xué)Toshiaki Edamitsu等研制了側(cè)面供料型毛細(xì)管等離子體推力器，并建立一維數(shù)值仿真模型分析了工質(zhì)傳熱、燒蝕、等離子體阻抗變化過程[35]。利用該仿真模型，定量分析了在毛細(xì)管推力器工作過程中，輻射、粘滯阻力、外回路阻抗等因素造成的能量損耗，對細(xì)化推力器工作過程，深入研究各因素對推力器性能影響規(guī)律有重要意義。

密歇根大學(xué)Michael Keidar先后建立了朗繆爾燒蝕模型和動力學(xué)燒蝕模型，描述毛細(xì)管推力器工作過程中工質(zhì)燒蝕規(guī)律。結(jié)果表明，管壁燒蝕量存在軸向不均勻性，會影響毛細(xì)管內(nèi)等離子體軸向分布。利用仿真結(jié)果計算了推力器的平均燒蝕質(zhì)量和元沖量，與實驗結(jié)果對比，有較好的一致性[45-47]。

電熱化學(xué)炮中的毛細(xì)管放電過程與毛細(xì)管推力器的工作過程有相似之處，均屬于消融毛細(xì)管放電過程。不同之處在于，毛細(xì)管推力器工作環(huán)境為真空（約5×10◆3Pa）；觸發(fā)方式為火花塞放電引燃，不涉及金屬絲爆過程；單次放電能量較低，燒蝕過程主導(dǎo)因素可能存在差異；毛細(xì)管推力器仿真模型需要對輸出元沖量進(jìn)行計算。根據(jù)研究需求，可以對電熱炮中毛細(xì)管放電過程相關(guān)研究加以借鑒[48-50]。

目前關(guān)于等離子體射流仿真建模研究較多，毛細(xì)管推力器工作過程流場模型與其有相似之處，也可借鑒其研究和分析方法[51-55]。此外，目前對推力器仿真過程均基于局部熱平衡假設(shè)，但推力器在實際工況下可能尚未達(dá)到局部熱平衡條件，因此，在研究中，需要借鑒其他非平衡態(tài)等離子體模型對其進(jìn)行修正[56,57]。

5 毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器研究評述

隨著微納衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)不斷增多，對低功率高性能的推力器提出了更高的要求，傳統(tǒng)電磁型脈沖等離子體推力器經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已接近瓶頸，其效率、推功比等性能參數(shù)已靠近理論極限，優(yōu)化空間較小。此外，脈沖等離子體推力器性能參數(shù)隨功率降低不斷劣化，難以滿足對低功率高性能推力器的需求。通過文獻(xiàn)調(diào)研，可以發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)管脈沖等離子體推力器通過將以往以電磁加速為主導(dǎo)的工作模式改變?yōu)殡姛峒铀俟ぷ髂Ｊ?，獲得了良好的效果。

目前，日本、德國、美國等國已相繼展開研究，并逐步進(jìn)行工程性能驗證。毛細(xì)管微推力器相關(guān)技術(shù)獲得了長足進(jìn)步，但仍存在諸多科學(xué)和技術(shù)問題需要解決，主要包括：

（1）完善實驗方法與儀器測試系統(tǒng)。

目前，關(guān)于毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器的研究手段主要包括：力學(xué)測量、電學(xué)測量、等離子體診斷以及建模仿真研究。毛細(xì)管型推力器輸出元沖量范圍為◆N·s量級，因此需要研制應(yīng)用于微小推力測量的精密測量裝置及對應(yīng)的參數(shù)標(biāo)定方法。電學(xué)測量包括典型放電電壓與放電電流波形的測量，主要用于推力器放電過程的宏觀分析。

等離子體診斷包括發(fā)射光譜診斷，高速攝影，質(zhì)譜檢測等。通過等離子體檢測可以獲得微觀粒子的狀態(tài)特性分布。理論建模則包括對推力器工作過程的建模與仿真分析等。在完善各特性研究測試系統(tǒng)的同時，還需要不斷完善實驗方法與綜合檢測手段。借助不同角度的實驗結(jié)果，深入分析推力器工作特性。

（2）毛細(xì)管推力器工作機制。

由于毛細(xì)管推力器單次放電周期短（通常在10◆s以內(nèi)）。放電過程、燒蝕過程、等離子體噴射過程相互耦合，電氣參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響因素多，各因素對等離子體參數(shù)與最終輸出參數(shù)作用規(guī)律尚不明晰，需要借助實驗和仿真分析相結(jié)合的方法，探索各關(guān)鍵因素對輸出參數(shù)影響機制間的作用規(guī)律，從而為推力器優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

（3）燒蝕過程實驗與仿真研究。

毛細(xì)管推力器腔體為聚四氟乙烯材料，在其工作過程中充當(dāng)推力器工質(zhì)，在電弧作用下電離、分解。燒蝕過程是推力器工作過程中的重要一環(huán)，直接影響推力器的輸出特性。目前，對于燒蝕特性的研究仍不夠深入，尚未闡明燒蝕過程的發(fā)展機制。

研究燒蝕過程需要綜合借助多種檢測手段，深入分析放電參數(shù)等對燒蝕過程及燒蝕產(chǎn)物的影響。最終目的是通過燒蝕機理的研究，建立電學(xué)參數(shù)和輸出參數(shù)之間內(nèi)在聯(lián)系。此外，還需借助數(shù)值模擬的方法，建立仿真模型，輔助實驗完善對燒蝕機理的研究。

（4）參數(shù)調(diào)控方法。

毛細(xì)管推力器可以通過改變放電電壓、放電頻率獲得大范圍內(nèi)輸出參數(shù)調(diào)節(jié)。需要對放電電壓、結(jié)構(gòu)尺寸、極性配合對放電特性、燒蝕特性、噴射特性的影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的測試、分析和研究。針對推力器比沖、元沖、效率等輸出參數(shù)進(jìn)行深入分析，建立工作參數(shù)與輸出參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。在對工作機制研究的基礎(chǔ)上，選擇目標(biāo)參數(shù)對應(yīng)的最佳參數(shù)配合方案，最終掌握推力器參數(shù)調(diào)控方法。

（5）工程應(yīng)用優(yōu)化。

推力器真實工作時需要面對真空低溫強電離等條件的惡劣太空環(huán)境，這對其系統(tǒng)元器件可靠性提出了更高要求。毛細(xì)管型推力器由諸多單元構(gòu)成，包括電路處理單元、觸發(fā)單元、推力器主體單元，各單元的壽命和穩(wěn)定性決定了推力器整體性能，因此需要在地面模擬環(huán)境中開展毛細(xì)管推力器全系統(tǒng)壽命研究，包括工質(zhì)材料、電極燒蝕情況等。研制耐燒蝕性能好的電極結(jié)構(gòu)[58,59]。

為了滿足微小衛(wèi)星的使用需求，還需研制先進(jìn)電源系統(tǒng)、高性能儲能單元和高集成度的電源處理模塊[60]。此外，為延長推力器輸出總沖，還需要結(jié)合微小衛(wèi)星對推力器使用和安裝要求改進(jìn)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)設(shè)計、推力器工質(zhì)補給或替換方式。

6 結(jié)論

微小衛(wèi)星的不斷發(fā)展對微推進(jìn)系統(tǒng)提出了更高的要求，脈沖等離子體推力器采用固體工質(zhì)，脈沖工作，具有系統(tǒng)簡單、可靠性高、參數(shù)拓展范圍寬的優(yōu)點。

然而，傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器性能參數(shù)隨整體功率降低劣化嚴(yán)重，難以滿足參數(shù)需求。毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器利用消融毛細(xì)管放電，產(chǎn)生等離子體射流獲得推力。電熱加速機制使其在低功率下能夠獲得良好性能參數(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。

對于毛細(xì)管型推力器的研究，一方面，需要從科學(xué)研究的角度，深入分析毛細(xì)管推力器工作機制，對所涉及的放電特性、燒蝕特性、噴射特性開展系統(tǒng)的理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究工作，獲得參數(shù)影響規(guī)律；另一方面，需要從工程應(yīng)用角度出發(fā)，不斷優(yōu)化毛細(xì)管推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計，開展推力器各模塊的全壽命試驗，提高參數(shù)輸出一致性，掌握參數(shù)調(diào)控方法。

目前，國內(nèi)尚未見相關(guān)研究報道，應(yīng)加快毛細(xì)管推力器相關(guān)研究，加快其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。