μ-PPT性能表征技术及验证试验研究

【作者】 王尚民； 田立成； 张天平； 李兴达； 张家良；

【机构】 兰州空间技术物理研究所； 大连理工大学；

【摘要】 微脉冲等离子体推力器(μ-PPT),因其体积小、质量轻、结构简单以及精确脉冲调节等优点,在军、民微小卫星领域应用前景广阔。面向整星功率小于30W、重量不足50kg、在轨寿命小于1年的微纳卫星轨道维持和姿态控制任务,兰州空间技术物理研究所开展了10W级μ-PPT电推进技术研究,采用了平板结构烧蚀型、同轴半导体火花塞引弧以及工质弹簧进给的技术方案,并完成了原理样机研制。在大连理工大学三束实验室,开展了PPT的点火、性能表征以及工艺优化研究,摸索了一种简洁而有效的表征方案,形成了工艺优化思路,并针对性进行了微小元冲量验证研究。本文报告了推力器设计结构参数和放电回路参数推力器工作状态间的工艺关系,得到了PPT点火的临界条件及其稳定工作区间,分析讨论了这些参数变化对推力器性能和状态的内在影响机制。通过放电波形的测量和拟合分析,可得到放电回路等效电阻、电感等重要参数,研究表明放电回路和放电间隙的阻抗分布决定放电脉冲的数量,一定条件下可以发生单脉冲放电,而且根据放电波形在时间分布上的特点探索了放电脉冲的产生、发展机制。根据μ-PPT等离子体区的电流片模型,开展了μ-PPT元冲量和推力等基本性能参数的初步表征分析,结果表明放电间隙和烧蚀量对μ-PPT性能参数有重要影响,相同脉冲放电能量时,放电间隙越大,元冲量越大,烧蚀量也越大,导致比重越小。通过等离子体区域的发光行为分析,研究了μ-PPT的放电分布特点和形态演变,结果表明μ-PPT放电空间可以分为三个区域(阴极区、弧柱区和阳极区),随着放电间隙的减少,阳极区逐渐消失。分析放电形态与PPT推力性能的相应关系,基本确定放电时空形态是影响μ-PPT的元冲量和比冲的关键因素。结果表明:确定的羽流形态下,放电电流波形可以用于表征PPT的推力性能。当PPT放电呈现阳极区消失的羽流形态时,即使放电电流较高,由于等离子体主要集中在两个电极附近,也不能有效形成冲量和推力。因此,基于放电发光行为分析,进行放电电流波形拟合分析计算,能够实现一种性能参数的表征方案。为了验证摸索得到的性能表征方案,通过扭摆式微推力测量系统,在稳定工作区间内,开展了不同工况下的验证测量,结果显示表征曲线与测量曲线符合度较高。并基于微小元冲量测量,形成了电学参数-元冲量定标曲线,可为后续样机工程化,提供数据支持。通过PPT放电的电学参数计算和发光行为分析,是一种PPT性能表征的简洁而有效的方法。借助该方案,进一步开展了完成原理样机的细致表征以及工艺优化,经过微小元冲量试验验证,符合良好。基于该方案获得结构参数和电参数研制基线,研制出的工程样机各项指标满足总体要求。更多还原