1 引言

近些年，微纳卫星发展活跃，由于其具有体积小、成本低、开发周期短、发射方式灵活、可编队组网等多个优势^[1]，受到了各航天机构的普遍重视。目前我国大部分微纳卫星没有推进系统，而姿态调整和位置保持对微纳卫星功能扩展的影响日益增大，另外编队组网过程中位置的精确确定，迫切需要卫星带有推进系统。

微纳卫星由于自身特点，对推力器提出了质量轻、体积小、功率低等苛刻要求。传统的化学推进和电推进，由于必需的推进剂贮存和供给系统难以小型化，无法满足微纳卫星空间推进的基本需求。微阴极电弧推力器(Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT)是近几年出现的一个可扩展、高效和安全的微牛水平的电推力器，是微纳卫星空间动力的理想选择。

μCAT在真空电弧推力器(VAT)的基础上发展而来。VAT最早是由阿拉梅达应用科学公司开发的微型推力器，实验发现其存在如下几个主要问题^{[2, 3]}：(1)羽流中存在大量宏观粒子；(2)阴极烧蚀不均匀；(3)等离子体没有约束；(4)推力调节不便；(5)返流污染等。μCAT通过施加磁场，使得工质电离更加充分，降低了返流污染，并且阴极斑点旋转烧蚀，同时磁场约束等离子体，也可改变磁场大小来调节推力等参数，解决了VAT的主要问题。在μCAT领域研究具有代表性是华盛顿大学的Taisen Zhuang团队，该团队研制了多种类型的μCAT样机，实现了离子速度，元冲量、效率等参数的测量^{[4, 5]}。同时研究了等离子体羽流分布、阴极斑点旋转特性^{[6, 7]}，以及推力的矢量控制^[8]，建立了羽流形成和扩张的数值模型^[9]。2015年5月，由美国海军学院卫星实验室联合华盛顿大学制造的BRICSat-P卫星发射升空。四个μCAT围绕卫星重心放置，验证了姿态控制与轨道机动^[10]。2017年1月，韩国延世大学和NASA合作进行的立方星虚拟天文望远镜对准实验CANYVAL-X发射了2颗立方星，其中的2U卫星安装了μCAT，用于与另一颗1U卫星保持对准^[11]。

国内在μCAT领域的研究起步较晚，兰州空间技术物理研究所、北京控制工程研究所等机构开展了相关研究^{[12, 13]}，均研制出实验样机，实现了初步点火。这些机构研究重点集中在原理样机的验证方面，推力器的重要特性-均匀烧蚀，及元冲量、比冲等性能研究未见报道。

本文以环型μCAT为研究对象，设计一套环型μCAT样机，通过点火试验，关键特性以及基本性能的测量，为推力器的优化设计和进一步的工程化奠定基础。

2 μCAT的设计

μCAT主要由推力器本体和为其供电的功率处理单元(PPU)组成。推力器本体由阴极、阳极、绝缘体、电磁线圈及磁芯等组成，如图 1所示。工作时，PPU产生的脉冲高压施加于阴阳极之间，引发其间电弧放电形成等离子体，在热压力、电场力、电磁力的综合作用下，等离子体沿放电通道喷出产生推力。

2.1 推力器本体设计

本文设计了一款环型μCAT样机，推力器本体的基本构型如图 2所示。

基于小功率和小型化的考虑，推力器内径设计为5mm，外径不宜太大，否则径向由内向外烧蚀过程中，阴极前端会出现凹陷，不利于电弧产生与推进剂的持续供给，设计中外径取7mm，则阴极厚度为1mm。阴极长度与任务总冲需求有关，作为实验样机，本设计中取为10mm，估计可以提供总冲达15N·s。因为μCAT工作过程中，阳极不会烧蚀，使其长度尽量小，取为1mm。绝缘体内径不能小于阴阳极内径，否则不利于电弧产生和等离子体扩散，设计中其内径与阴阳极相同。电极间绝缘体长度决定了击穿电压的大小，取为1mm。

阴极材料与推力器的比冲、元冲量和效率等性能有一定关联，其不能选择低熔点或容易氧化的材料^{[14, 15]}。因为低熔点烧蚀率大，产生大量宏观粒子造成污染，并且可能使阴阳极间短路；易氧化会导致绝缘体表面导电层被烧蚀耗尽，阴阳极间电阻极大，使得点火失败。表 1是几种常见金属的热导率和电阻率，金属钛的导热性能和导电性能较差，点火瞬间，热量集中，易于烧蚀。并且钛具有良好的机械性能，易于加工，阴极材料选择钛。μCAT工作过程中，阴极斑点处会产生局部高温，绝缘体材料选用氮化硼(BN)陶瓷。其具有良好的导热性、稳定性、高温介电强度，一定程度上抵抗等离子体的腐蚀，是理想的散热材料和高温绝缘材料。阳极要具有良好的导电导热性，导电性强可以减少电流的损耗，导热性强可以及时散热，防止阳极烧蚀。表 1中，常见金属中铜的热导率比较高，其导电性能也强，选用铜做阳极。

弹簧供给机制基于阴极材料的周向均匀烧蚀，关键部件为一个恒力弹簧，阴极前端逐圈烧蚀消耗，其从后部推动阴极补给，使得阴阳极间电弧放电持续进行。弹簧一端连接到阴极，另一端连接到PPU负极，起导电传递作用。

磁场通过电磁线圈产生，有三个主要作用：(1)阴极斑点会呈现“反向运动”^[16]，提高推力器的寿命；(2)约束等离子体流^[17]，提高效率；(3)增大离子轴向速度^[4]，提高比冲。给线圈配一厚2mm的磁芯—环型电磁纯铁，得到的磁场构型—磁力线方向与轴线的夹角为一锐角，可以使阴极斑点处由于烧蚀而产生的径向射流高效地转换为轴向流动，即阴极斑点遵循“锐角规律”。利用Ansoft Maxwell软件进行磁场仿真，如图 3所示。

图 4是设计的推力器本体实物照片。

2.2 功率处理单元设计

μCAT实现点火，功率处理单元(PPU)需要输出脉冲高压。PPU采用电感储能升压原理，如图 5。

PPU工作原理是，当一个方波信号施加于MOSFET时，MOSFET开通，电流流经回路1，期间，电感持续储能。当信号变为低电平，MOSFET关断，电流流经回路2，与此同时，电感两端产生高压，引起推力器阴阳极间电弧放电。由此，电感中积累的能量传递给负载端的推力器。

推力器端用电阻代替，对图 1电路进行Proteus仿真，结果如图 6。红线为通过电感的电流，绿线为电阻两端的电压。可以看到，电感充电期间，电流沿一定斜率上升，电阻电压为零，放电瞬间，电阻两端产生高压，电流很快降为0。

根据设计仿真结果，搭建PPU电路，主要包括方波信号发生器、MOSFET、电感和电池组等。方波信号发生器基于555定时器设计，可以改变推力器的工作频率和占空比。为了保证电源系统可靠性，MOSFET击穿电压要在1kV以上，为了保证脉冲电流达到几十安，漏源沟道导通时电阻要非常小。充电回路电阻要尽可能小，使得充电电流值大，尽可能减小放电回路的电阻，使PPU能量转换效率高。供电采用串联干电池，根据回路电阻值和需要的最大电流值，供电电压达到15~25V即可。

设计的PPU样机实物如图 7所示。推力器端用电阻代替，实验测量通过电感的电流、电阻两端的电压，结果如图 8，与仿真曲线一致。

3 μCAT性能实验 3.1 点火特性

真空中要实现电弧放电，阴阳极间必须存在一定压力的介质，传统方法需要介质注入装置或触发点火装置，使得推力器的附加重量大大增加，失去了结构简单的基本优势。本实验采用“无触发点火法”，在μCAT绝缘体表面涂覆一层导电薄膜，点火时，薄膜和阴极之间细小间隙的强电场或它们之间接触点上的焦耳热使得阴极某处产生初始等离子体，给电弧在阴阳极间提供导电路径，从而大幅度降低真空电弧的起弧电压^{[18, 19]}。

图 9是μCAT点火照片。供电电源输出电压为22V，推力器工作的单脉冲充电时间为1.5ms，电流电压波形如图 10，紫线代表电流，黄线代表电压。可以看到，充电过程中，推力器两端电压为0，电流从0上升到47.8A。放电瞬间，点火电压为380V，工作期间，放电电压稳定在50V左右，电流从47.8A下降到0至电弧熄灭，电弧持续时间接近500μs。

对于μCAT，点火电压一般为200~600V，充电电流大小由点火电路控制，脉冲持续时间由电感储存的能量大小决定，但磁场强度也会影响其长短。

3.2 斑点旋转测量

图 11是μCAT的阴极斑点旋转示意图，J为电流密度矢量，方向垂直阴极表面向下，B为磁感应强度，方向垂直纸面向外。一个脉冲时间内，当没有外加磁场时，斑点在阴极表面不会运动，当有横向磁场存在时，斑点将沿着洛伦兹力(J×B)的反方向运动。Beilis^[16]认为反向运动的机制为：自生磁场和外加磁场的叠加引起了斑点周围磁压的不对称分布。

通过高速摄影对阴极斑点的运动进行捕捉。每秒传输帧数设置为2×10⁴fps，即每隔50μs拍一次，对不同磁场强度下(阴极斑点处)斑点的运动分别进行观测。

磁场为0时，斑点运动状况如图 12所示。

磁场存在情况下，如图 13所示，可以观察到明显的斑点运动。

3.3 离子速度测量

如图 14，采用飞行时间法测量推力器的离子速度。阴极烧蚀导致等离子体流产生，两组栅网放置在等离子体传播路径上，当等离子体束经过每组栅网时，栅网电流的脉冲信号就会被探测到，并记录在示波器上。设定好两组栅网之间的距离，通过测量示波器上离子经过相邻两组栅网所用的时间即可计算获得平均离子速度。

分别在距离阴极斑点68mm，168mm的位置平行放置栅网，每组栅网第二个探针相对于第一个加偏压-50V，确保收集离子饱和电流。假定放电瞬间就产生了等离子体，即认为电弧电流下降瞬间等离子体正好开始传播，则也可计算阴极斑点到第一组栅网之间的平均离子速度。图 15中黄色、蓝色曲线分别代表电弧电流和栅网电流。图 16中蓝色、黄色曲线分别代表第一组、第二组栅网电流。

3.4 元冲量测量

如图 17，采用打靶法测量推力器的元冲量^[20]。将一个圆形薄片作为目标，用一根轻绳悬挂，使目标与推力器出口接近。当推力器工作一个脉冲时，目标会移动一段距离。通过移动的距离和其他参数即可计算元冲量。

该方法测量元冲量基于动量定理和能量守恒定律

$ Ft = mv-m{v_0} $

(1)

$ \frac{1}{2}m{\left( {v-{v_0}} \right)^2} = mgh $

(2)

由于目标初始速度为0，利用式(1)，(2)可以得到元冲量为

$ {I_{\rm{b}}} = F\Delta t = m\sqrt {2gh} = m\sqrt {2g\left( {L-\sqrt {{L^2}-{x^2}} } \right)} $

(3)

式中F是推力器的平均推力，Δt是一个脉冲与下一个脉冲的开始时间之差，Ft表示冲量，m是目标质量，L是目标到悬挂固定位置的距离，x代表脉冲后的水平位移。

为了防止等离子体羽流对薄膜的影响，薄膜材料选用聚酰亚胺。薄膜质量要尽量小，使得移动距离明显。但是其直径要比推力器出口直径大，确保初始状态覆盖羽流范围，并且相对于细绳质量比较大。实验中薄膜质量为20.7mg，直径为1.7cm，细绳悬挂点距离薄膜中心20.5cm，细绳质量为2.2mg。

为了使距离测量分辨率高，将推力器工作频率降低，设置为5Hz。多次脉冲过后，薄片出现晃动，因此取前几次脉冲的结果。实验中，用相机记录第一、二次脉冲的薄片位置，如图 18。数据后处理中，精确测量不同磁场强度下，两次脉冲之间薄膜的移动距离。该实验中，将薄膜中心作为靶质心，由于细绳质量相对于薄膜质量并不是可忽略的，所以存在一定误差，数据后处理过程中也存在不可避免的读数误差，但在可接受范围内。

4 结果与分析 4.1 阴极斑点旋转速度

通过测量两帧相片间阴极斑点的角度差，再根据阴极的内径大小，计算得到不同磁感应强度下，斑点的旋转速度，如图 19。

图 19中，横坐标表示时间，该时间从第一张相片开始计时，并不是斑点存在的实际时间。可以分析得到：

(1) 没有磁场时，斑点没有运动，磁场存在时，斑点沿阴极表面做旋转运动，为逆洛伦兹力方向。

(2) 磁感应强度越大，平均旋转速度越大。

(3) 对于不同的磁感应强度，在一个脉冲时间内，由于电弧电流的减小，旋转速度在降低。

4.2 推力器离子轴向速度

图 20为不同磁场强度和不同位置下的离子速度曲线，其中的黑点曲线和红点曲线分别显示了不同磁场强度下，阴极斑点到第一组栅网、第一组到第二组栅网之间的平均离子速度。该实验测量的是离子轴向平均速度。

从图 20中可以看出：

(1) 平均离子速度随着磁场的增强而增加。

(2) 距离阴极斑点近的地方，平均离子速度小：0.032T时，速度大约为14930m/s，0.097T时，达到了大约19410m/s，继续增大磁场，平均离子速度增加已不明显。

(3) 距离阴极斑点远的地方，平均离子速度大：0.032T时，速度大约为17640m/s，0.129T时达到了大约28230m/s。

本实验阴极斑点到第一组栅网、第一组到第二组栅网可大致代表推力器通道区域和外部区域。通道内，平均离子速度小，速度存在最大值，加速主要为气体动力学机制，也存在磁场的作用。推力器外，平均离子速度变大，加速可能为电磁力机制。但是轴向上，在更远的距离，离子速度会下降。因为等离子体羽流扩张，轴向速度分量会减小。

4.3 推力器元冲量

计算的元冲量随磁场强度变化趋势如图 21，其中g取9.8m/s²。

可以看出，元冲量随着磁场的增强而增大。其大小一般在零点几μN·s：没有磁场时，元冲量为0.132μN·s，0.0457T时，达到0.262μN·s。μCAT的推力与磁场强度、推力器工作频率均有关，由F = I_bf计算平均推力^[21]，可知其大小在μN量级。

5 结论

本文设计了一套环型微阴极电弧推力器样机，并对其进行了性能实验。得到以下结论：

(1) 在一个脉冲时间内，没有磁场时，斑点静止不动，磁场存在且磁力线朝向推力器喷口外时，斑点沿阴极表面做逆时针旋转运动，但速度逐渐降低。随着磁场增强，平均旋转速度增大。

(2) 离子轴向平均速度随着磁场的增强而增加。距离阴极斑点越远，离子速度越大，一般在15~30km/s。

(3) 元冲量随着磁场增强而增大，没有磁场时，元冲量为0.132μN·s，磁场强度为0.0457T时，达到0.262μN·s；推力器推力大小在μN量级。