用于缓解微阴极电弧推进器中导电膜退化的双阳极原位修复方法

《Acta Astronautica》：Dual-anode in-situ repair method for mitigating conductive-film degradation in micro-cathode arc thrusters

　　余妙森|侯正宇|穆罕默德·拉瓦希德·阿里|张哲|刘向阳中国北京100081，北京工业大学航空航天工程学院摘要微阴极弧推力器是一种适用于微型航天器的电推进装置，由于其低功率需求以及简单紧凑的结构而备受关注。导电膜是该推力器脉冲放电电路中的关键组件。然而在长期运行过程中，很难保持烧蚀与沉积之间的平衡。过薄或过厚的膜往往会导致开路或短路，从而大大限制了推力器的使用寿命。在针对环状结构推力器的放电能量谱实验中，观察到放电产生的等离子体会沿推力器的轴向沉积，这说明环形放电产生的等离子体能够修复垂直于轴线的同轴导电膜。基于此，研究提出了双阳极结构，通过交替两种放电模式来实现导电膜的就地修复，进而显著延长推力器的使用寿命。本研究通过实验验证了双阳极就地修复的有效性。首先，利用能谱分析技术研究了环状结构放电产生的沿轴向的等离子体沉积现象，证实了利用环形放电修复同轴导电膜的可行性。随后，对传统单阳极结构与新型双阳极结构进行了全寿命测试，通过电流和电压探头实时监测放电参数的变化，同时运用四探针法精确测量导电膜的电阻、电阻率及厚度，并通过扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜高分辨率观察膜表面的形态变化。实验结果表明，双阳极推力器的使用寿命从单阳极模式下的12万次脉冲提升至432,000次脉冲（其中包括27万次同轴结构放电），整体寿命提升了260%。此外，双阳极模式下的膜参数呈缓慢的锯齿状下降趋势，而单阳极模式下则表现为单调的退化趋势，这为环形放电的修复作用提供了直接证据。通过一系列实验数据，本研究全面阐明了双阳极就地修复机制的有效性，为延长μCAT推力器的使用寿命提供了新的解决方案。引言随着微纳卫星在航空航天领域应用范围的不断扩大，空间应用中对电推进系统的需求也在持续增长[[1], [2], [3]]。立方星作为一种相对较新的低成本微纳卫星类型，因其体积小、重量轻、成本低等优点，以及在通信传输、科学实验、地球观测等诸多领域的应用潜力而受到广泛研究[4,5]。然而，立方星严格的体积限制、有限的功率以及精确的姿态和轨道控制要求，无疑对现有的空间电推进系统提出了更高要求[[6], [7], [8]]。微阴极弧推力器的研发正是为满足立方星的需求而开展的[9,10]。它的工作原理与脉冲等离子体推力器类似，都是利用真空放电弧来离子化并加速等离子体以产生推力。在众多适合立方星的微推进方案中，电喷推力器虽然具有较高的比冲和精确的推力控制能力，但依赖于较为复杂的液体推进剂管理系统，且其在轨长期运行的可靠性和性能稳定性仍存在一定问题。传统的脉冲等离子体推力器常常面临推进剂烧蚀不均匀和效率受限等问题。相比之下，μCAT采用固体金属推进剂，从根本上无需流体系统，在结构简化、可靠性高以及易于微型化方面具有明显优势[11]。μCAT具有低功率和低系统质量的特点[12,13]，其典型直径约为10毫米，功率在1-5瓦之间。多年来，研究人员提出了多种具有不同结构和性能的推力器原型，如同轴结构和环状结构[14]。2015年，装备有四台μCAT推力器（其中三台用于机动推进）的BRICSat-P卫星成功完成了在轨验证，证明了这类推力器在快速发展的纳米卫星市场中的可行性[15]。该任务展示了μCAT在轨道维护、姿态控制、无阻力飞行以及编队飞行星座管理等方面的技术价值。在工程应用中，立方星为了执行轨道维护、编队飞行以及任务结束时的脱离轨道等操作，需要一定的Δv值。例如，典型的脱离轨道操作可能需要约30米/秒的Δv值，对于4公斤重的卫星而言，这意味着总共需要大约120牛顿·秒的推力。假设某台μCAT的功率为1瓦，其每脉冲产生的推力约为10微牛顿·秒，那么要完成这样的任务，推力器至少需要工作10^7次脉冲。通常1-10公斤级的微纳卫星要求推力器至少具备10^6-10^7次的工作能力（针对1瓦级的μCAT推力器）[15,16]。如此严格的要求不仅意味着需要较高的脉冲次数，更关键的是要求在整个任务生命周期内保持持续的可靠性以及尽可能低的性能衰减，因为任何故障或性能大幅下降都可能影响任务的成功。然而，对于目前的μCAT推力器而言，在实际应用中要确保极高的脉冲输出次数仍然是一项挑战。从工作原理来看，影响μCAT使用寿命的关键部件包括导电膜、电感器以及外部磁场。因此，优化无触发放电的可靠性是延长其使用寿命的关键途径[17]。针对这些部件，研究人员通过研究各种电路特性参数，如回路电阻、击穿电压、峰值电流以及推力器各部件的材料性能，开展了大量旨在延长μCAT使用寿命的研究。2017年，Teel的团队[18]通过开路和短路测试揭示了原型回路电阻的变化规律，表明具有高耐温性、高耐压性以及表面光滑的材料能够显著延长推力器的使用寿命。2018年，Zolotukhin等人[19,20]研究了电极间隙、能量等级以及磁场强度对推力器使用寿命的影响，他们发现这些参数对使用寿命的影响并非单调变化，并建立了放电参数与推力器使用寿命之间的关联模型。此外，他们还分析了长电极间隙和短电极间隙下的失效模式。后续的研究进一步对相关参数进行了优化，试图在导电膜的烧蚀与沉积之间保持动态平衡，从而使推力器的使用寿命达到10^6次循环；不过这些实验仅限于平行板放电层面，并未在推力器原型上实现。此后，Zolotukhin等人[21]提出了一种优化的μCAT设计方案，即在导电膜与绝缘基底之间通过电子束溅射硼靶材来形成含硼涂层。这种硬质涂层能够抵抗脉冲等离子体的冲击，并在长期脉冲作用下依然保持其保护性能。这种结构优化降低了μCAT放电过程中导电膜的退化速度，从而显著提升了原型推力器的使用寿命。此外，放电失败的风险也与电极结构密切相关。Laterza等人[22]观察到电极的烧蚀往往是不均匀的，这增加了大规模阴极烧蚀的风险。Krishnan等人[23]设计了一种带有固定阴极的推力器，旨在提高总推力，但其单脉冲能量需求高达近8焦耳，这不利于低功率运行。Kühn等人[24]提出了一种创新的结构设计，使得推力器的总脉冲次数显著增加，实验结果接近10^7次脉冲；不过这种新结构并未在对长期使用寿命进行测试时对电阻参数进行详细评估。Tian等人[[25], [26], [27]]将绝缘体腐蚀视为限制推力器使用寿命的关键因素，并研究了放电电流和放电功率对绝缘体腐蚀的影响。实验结果表明，较大的放电电流有助于维持阳极与阴极之间的电阻动态平衡。确定放电功率阈值时需要考虑组件材料的高温耐受性，而降低放电功率则有助于减缓绝缘体腐蚀。Chen[28]和Wang[29]系统地研究了放电过程中阴极和导电膜的形态演变情况，他们发现如果阴极斑点的移动不足，就会因局部过度烧蚀而导致导电膜失效，进而影响推力器的使用寿命。Geng等人[30]通过实验研究了峰值电流对推力器使用寿命的影响，实验结果表明，较高的峰值放电电流（40安培）能够改善阴极斑点的移动特性，延缓导电膜的退化，从而相比较低的峰值放电电流（10安培）更能延长推力器的使用寿命。这一发现与Chen等人的研究结论一致。Zhang等人[[31], [32], [33]]则着眼于推力器整个使用寿命期间放电参数和膜特性的演变规律，他们的研究不仅详细了解了推力器的全寿命测试过程，还建立了关键参数的演变曲线，揭示了各参数之间的关联以及它们与使用寿命之间的对应关系。此外，他们还利用光谱技术和磁探针阵列研究了单个放电周期内放电弧的演变情况，为进一步理解μCAT的放电机制以及克服其使用寿命限制提供了有力依据。总之，以往的研究已经广泛探讨了通过参数优化和材料改进来减缓作为主要寿命限制因素的导电膜退化的问题。尽管这些方法确实提高了推力器的额定脉冲次数，但一个根本性的问题依然存在：导电膜的逐渐且不可逆的损耗是一种固有的磨损机制，最终会限制推力器的使用寿命，给长时间任务带来可靠性风险。仅仅减缓这一过程并不能解决在整个任务生命周期内控制性能衰退并确保运行稳定性的核心问题。因此，从被动地缓解退化转向采取主动策略来维持或恢复性能，已成为提升μCAT可靠性的重要研究方向。本研究探索了一种侧重于在役可靠性和性能管理的新型方法，提出并验证了一种用于修复同轴导电膜的就地修复机制，即利用双阳极推力器的环状结构放电来实现基于等离子体沉积的修复。这一策略的目的不仅仅是增加推力器的总脉冲次数，更是要主动应对一种关键的磨损机制，从而将故障过程从一种随机的、灾难性的事件转变为一种更为可控且可预测的性能演变过程。通过放电能量谱分析验证了该修复原理的可行性，随后又对传统的同轴单阳极原型与双阳极原型进行了全寿命对比实验。在整个使用寿命期间，研究人员通过电气探针和四探针测试设备不断监测放电参数以及导电膜的性能参数，同时通过光学观测记录了实验过程中推力器放电弧和导电膜的表面形态变化。本研究为延长μCAT推力器的使用寿命提供了一种新策略，明确了某些关键性能参数的演变规律，同时也让人们对该类推力器的全寿命过程有了更深入的了解。本文的第二部分详细描述了实验装置，并阐述了膜修复的原理以及测试方法。第三部分分析了能量谱实验图像，并比较了两种原型在全寿命实验中的测试结果。最后，第四部分给出了本研究得出的结论。片段摘录真空系统与双阳极结构原型μCAT推力器的实验是在一个直径为1米、长度也为1米的真空室中进行的。该真空室配备了多台机械泵和分子泵，在进行μCAT放电实验之前，真空室内的真空度可达到5×10^-3帕斯卡。在真空室壁上安装有一个直径为0.3米的观察窗，用于在实验过程中观察推力器的放电弧。传统的μCAT推力器主要分为同轴结构和环状结构。它们放电等离子体沉积现象在本研究中，双阳极原型中同轴结构里的绝缘基底最初被设置为没有涂层的空白基底，随后将环状结构接入放电电路，在160微秒的充电时间内进行了5000次放电。空白基底的构型如图5所示。实验后，对同轴绝缘基底表面的钛元素进行了能谱分析，以验证研究结果。本研究提出了一种利用双阳极结构中的同轴工作模式与环形修复模式之间的交替放电来实现微阴极电弧推进器中导电膜原位修复的方法，并对其有效性进行了验证，从而显著延长了推进器的使用寿命。首先，通过放电能量谱分析验证了利用环状等离子体沉积对同轴导电膜进行原位修复的可行性。随后，进行了整个使用寿命周期内的相关测试。

CRediT作者贡献声明：余苗森：数据整理、研究、可视化、初稿撰写、审稿与编辑；侯正宇：研究、可视化；穆罕默德·拉瓦希德·阿里：研究；张哲：概念设计、方法论、指导；刘向阳：指导。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了北京市自然科学基金（资助编号L252037）以及中国国家自然科学基金项目编号52302464的支持。