Takeshi Miyasaka研究了不同毛細(xì)管長(zhǎng)度（5～25mm）及直徑（2mm和3mm）下的放電特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨毛細(xì)管直徑的減小和長(zhǎng)度的增大，等離子體通道等效阻抗增大，與此同時(shí)，弧道沉積能量效率提高。特別地，在毛細(xì)管直徑為3mm時(shí)存在最佳毛細(xì)管長(zhǎng)度使能量沉積效率最高。
日本東京都立大學(xué)JunjiUezu等將利用式（5）～式（8）所計(jì)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(duì)“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(shí)驗(yàn)所測(cè)波形重合度較好，而在后半周期幅值明顯大于實(shí)驗(yàn)所測(cè)波形。
其假設(shè)在放電過(guò)程中弧道等效阻抗線(xiàn)性增長(zhǎng)，并利用放電電流波形中二、三峰值計(jì)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(shì)。根據(jù)該擬合結(jié)果對(duì)放電電流波形進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在全放電周期過(guò)程中，所擬合的放電電流波形與實(shí)際測(cè)量波形具有較好的一致性。擬合曲線(xiàn)及實(shí)測(cè)波形如圖13所示。
圖13 PPT-Co II放電電流波形擬合
主放電過(guò)程中等離子體等效阻抗的變化會(huì)對(duì)放電通道中的沉積能量產(chǎn)生影響，而沉積的能量將通過(guò)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(guò)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(duì)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(shí)測(cè)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(shí)Junji Uezu研究發(fā)現(xiàn)等離子體通道電感隨毛細(xì)管長(zhǎng)度增大基本保持恒定，同時(shí)等效電阻隨毛細(xì)管長(zhǎng)度的增大而線(xiàn)性增大，且當(dāng)毛細(xì)管直徑較小時(shí)，增長(zhǎng)程度更為顯著。初始放電能量為10J，毛細(xì)管直徑為3mm時(shí)，推力器整體效率保持恒定的同時(shí)，弧道能量沉積效率隨腔體長(zhǎng)度增加而增大且具有飽和趨勢(shì)，這由等效阻抗的線(xiàn)性增長(zhǎng)決定；而等離子體加速效率則隨腔體長(zhǎng)度增加而降低[36]。
由脈沖等離子體推力器比沖及效率計(jì)算式可知，輸出性能的計(jì)算需要對(duì)單次放電下工質(zhì)燒蝕質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)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(duì)于測(cè)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(jī)構(gòu)均采用上千次放電后利用精密電子天平測(cè)量對(duì)平均單次放電工質(zhì)燒蝕質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)，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)HirokazuTahara等研究單次放電平均燒蝕質(zhì)量與毛細(xì)管直徑及長(zhǎng)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(shí)，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(guò)程診斷及仿真建模
毛細(xì)管推力器工作的物理過(guò)程主要包括放電過(guò)程、燒蝕過(guò)程和射流產(chǎn)生過(guò)程。多個(gè)物理過(guò)程相互耦合，共同決定了毛細(xì)管推力器的性能參數(shù)。對(duì)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(guó)愛(ài)德華茲空軍基地對(duì)XPPT?1的等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行診斷，通過(guò)對(duì)C2、C+、F及F+幾種特征光譜強(qiáng)度進(jìn)行時(shí)間分辨的診斷，發(fā)現(xiàn)各成分發(fā)射光譜的強(qiáng)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)TakeshiMiyasaka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(guò)程[42]，包括等離子體的產(chǎn)生和射流過(guò)程。在噴口軸線(xiàn)方向布置光電倍增管，利用飛行時(shí)間（Time of Flight, TOF）法，測(cè)量了等離子體團(tuán)粒子等效速度。并將該方法測(cè)量結(jié)果與高速攝像機(jī)、靜電探針測(cè)量結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的有效性，如圖15所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，等離子體平均速度約為10km/s。利用高速相機(jī)，可以透過(guò)毛細(xì)管壁狹縫觀察工質(zhì)燒蝕過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，燒蝕過(guò)程遠(yuǎn)大于放電持續(xù)過(guò)程。
圖15 岐阜大學(xué)對(duì)毛細(xì)管推力器工作過(guò)程診斷
2007年日本東京大學(xué)對(duì)平板式PPT進(jìn)行研究，通過(guò)在高速攝影機(jī)前加裝濾光片的方法，對(duì)代表中性成分的C2及電離成分的C+離子運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行觀測(cè)[43,44]。觀測(cè)結(jié)果表明，等離子體速度存在“分層”現(xiàn)象，帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10～20km/s，中性成分運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，而非成電流片形式整體噴射，這也是由于不同帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度存在差異所致。
2013年Sch?nherr等利用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和光譜儀對(duì)ADDSIMP?LEX推力器放電通道的等離子體時(shí)空特性進(jìn)行了診斷，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)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(tái)
通過(guò)仿真研究深入揭示微觀機(jī)理，闡明等離子體的宏觀特性變化規(guī)律，對(duì)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(guò)程的仿真研究主要集中在毛細(xì)管燒蝕過(guò)程、毛細(xì)管內(nèi)等離子體流體力學(xué)和羽流流場(chǎng)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(guò)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(guò)程中，輻射、粘滯阻力、外回路阻抗等因素造成的能量損耗，對(duì)細(xì)化推力器工作過(guò)程，深入研究各因素對(duì)推力器性能影響規(guī)律有重要意義。
密歇根大學(xué)MichaelKeidar先后建立了朗繆爾燒蝕模型和動(dòng)力學(xué)燒蝕模型，描述毛細(xì)管推力器工作過(guò)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(huì)影響毛細(xì)管內(nèi)等離子體軸向分布。利用仿真結(jié)果計(jì)算了推力器的平均燒蝕質(zhì)量和元沖量，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(guò)程與毛細(xì)管推力器的工作過(guò)程有相似之處，均屬于消融毛細(xì)管放電過(guò)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(guò)程；單次放電能量較低，燒蝕過(guò)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(duì)輸出元沖量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)研究需求，可以對(duì)電熱炮中毛細(xì)管放電過(guò)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(guò)程流場(chǎng)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(duì)推力器仿真過(guò)程均基于局部熱平衡假設(shè)，但推力器在實(shí)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(duì)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(píng)述
隨著微納衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)不斷增多，對(duì)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(guò)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(mǎn)足對(duì)低功率高性能推力器的需求。通過(guò)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(guò)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(guó)、美國(guó)等國(guó)已相繼展開(kāi)研究，并逐步進(jìn)行工程性能驗(yàn)證。毛細(xì)管微推力器相關(guān)技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但仍存在諸多科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題需要解決，主要包括：
（1）完善實(shí)驗(yàn)方法與儀器測(cè)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(cè)量、電學(xué)測(cè)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(jí)，因此需要研制應(yīng)用于微小推力測(cè)量的精密測(cè)量裝置及對(duì)應(yīng)的參數(shù)標(biāo)定方法。電學(xué)測(cè)量包括典型放電電壓與放電電流波形的測(cè)量，主要用于推力器放電過(guò)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(cè)等。
通過(guò)等離子體檢測(cè)可以獲得微觀粒子的狀態(tài)特性分布。理論建模則包括對(duì)推力器工作過(guò)程的建模與仿真分析等。在完善各特性研究測(cè)試系統(tǒng)的同時(shí)，還需要不斷完善實(shí)驗(yàn)方法與綜合檢測(cè)手段。借助不同角度的實(shí)驗(yàn)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(jī)制。
由于毛細(xì)管推力器單次放電周期短（通常在10?s以?xún)?nèi)）。放電過(guò)程、燒蝕過(guò)程、等離子體噴射過(guò)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(duì)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(shí)驗(yàn)和仿真分析相結(jié)合的方法，探索各關(guān)鍵因素對(duì)輸出參數(shù)影響機(jī)制間的作用規(guī)律，從而為推力器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
（3）燒蝕過(guò)程實(shí)驗(yàn)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(guò)程中充當(dāng)推力器工質(zhì)，在電弧作用下電離、分解。燒蝕過(guò)程是推力器工作過(guò)程中的重要一環(huán)，直接影響推力器的輸出特性。目前，對(duì)于燒蝕特性的研究仍不夠深入，尚未闡明燒蝕過(guò)程的發(fā)展機(jī)制。
研究燒蝕過(guò)程需要綜合借助多種檢測(cè)手段，深入分析放電參數(shù)等對(duì)燒蝕過(guò)程及燒蝕產(chǎn)物的影響。最終目的是通過(guò)燒蝕機(jī)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(shí)驗(yàn)完善對(duì)燒蝕機(jī)理的研究。
（4）參數(shù)調(diào)控方法。
毛細(xì)管推力器可以通過(guò)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(duì)放電電壓、結(jié)構(gòu)尺寸、極性配合對(duì)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(cè)試、分析和研究。針對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系。在對(duì)工作機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，選擇目標(biāo)參數(shù)對(duì)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(shí)工作時(shí)需要面對(duì)真空低溫強(qiáng)電離等條件的惡劣太空環(huán)境，這對(duì)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(kāi)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(mǎn)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(chǔ)能單元和高集成度的電源處理模塊[60]。此外，為延長(zhǎng)推力器輸出總沖，還需要結(jié)合微小衛(wèi)星對(duì)推力器使用和安裝要求改進(jìn)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、推力器工質(zhì)補(bǔ)給或替換方式。
結(jié)論
微小衛(wèi)星的不斷發(fā)展對(duì)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(jiǎn)單、可靠性高、參數(shù)拓展范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。
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(mǎn)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(jī)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(duì)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(jī)制，對(duì)所涉及的放電特性、燒蝕特性、噴射特性開(kāi)展系統(tǒng)的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)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(jì)，開(kāi)展推力器各模塊的全壽命試驗(yàn)，提高參數(shù)輸出一致性，掌握參數(shù)調(diào)控方法。
目前，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)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。
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