用于微卫星推进的硫磺推进剂Z箍缩脉冲等离子体质子推进器的性能研究

《Acta Astronautica》：Performance Investigation of A Sulfur Propellant Z-pinch Pulsed Plasma Thruster for Microsatellite Propulsion

　　

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  提出了一种新型硫基推进剂Z箍缩脉冲等离子体推进器，用于低功耗微卫星的推进。
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  在相同条件下，硫产生的烧蚀质量是聚四氟乙烯（PTFE）的2–3倍。
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  在低功耗下，实现了133.7 μN/W的创纪录推力功耗比。
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  使用硫时，观察到等离子体传导性能得到提升，且锥形喷流的演化更加稳定。

引言

随着空间技术的进步，微卫星由于开发周期短、成本低、部署灵活和强大的网络能力等优点，在各种空间任务中得到了广泛应用[1]。同时，低地球轨道（LEO）大型星座的大规模部署使得轨道资源越来越拥挤，从而对快速响应任务（如轨道转移、碰撞避免和编队飞行[2]、[3]）的需求不断增加。由于受到机载功率和体积资源的限制[4]，这些任务对推进系统提出了严格的要求，需要实现高推力功耗比，以便在有限的功率条件下提供足够的推力[5]。推力功耗比显著影响航天器的快速机动能力和任务执行效率，是执行复杂空间任务的微卫星的关键性能指标。

作为最早应用于空间任务的电推进系统之一[6]，PPT（脉冲等离子体推进器）具有结构简单、成本低、可靠性高和微型化适应性强等优点，使其成为微卫星的理想推进选择。根据推进剂的状态，PPT可以分为气体型、液体型和固体型。尽管气体和液体PPT的推进剂利用效率相对较高，但它们需要复杂的储存和供给系统，这增加了系统的质量和复杂性，从而导致推进系统的故障风险增加[7]，限制了其在微卫星中的应用。

相比之下，固体推进剂PPT不需要额外的复杂供给装置，因此具有更紧凑的结构配置。其中，聚四氟乙烯（PTFE，通常称为特氟龙）自首次用于空间任务以来已成为传统的标准固体推进剂，因为它具有优异的化学稳定性、易于加工和成型以及便于储存的特点。它已广泛应用于多项空间任务，展现了高水平的技术成熟度。然而，PTFE在微卫星推进方面仍存在一些局限性。由于微卫星的功率限制，在低功率放电条件下，PTFE表面容易形成碳沉积，这降低了推进剂在放电和等离子体加速过程中的参与效率，可能进一步影响电极与推进剂之间的接触状态，从而降低推进器的长期运行性能和寿命[8]。此外，传统平行板PPT的典型推力功耗比通常在10–30 μN/W范围内[9]、[10]、[11]，而Z箍缩结构PPT的推力功耗比通常高于传统PPT，最高报道值约为84.9 μN/W[12]。因此，在低放电能量条件下，基于PTFE的PPT可能仍不足以满足需要高脉冲输出的快速轨道机动和碰撞避免任务。

作为一种新型固体推进剂，硫在微卫星脉冲等离子体推进领域也引起了关注。Northway[13]研究了用于CubeSat应用的同轴PPT，并报告称在20 J的放电能量下，硫的推力功耗比为19.0 μN/W，大约是PTFE的两倍；经过配置优化后，推力功耗比进一步提高到45 μN/W，比冲约为1200 s，显示了其在微卫星主推进应用中的潜力。随后，Shimhanda[14]验证了硫推进剂在低电流表面弧放电推进器中的低功耗适用性，在10 J的储存能量和5 A电流限制放电条件下，硫的放电持续时间更长，压力变化更大，表明其在弧加热下的蒸发更易。这些研究共同展示了硫推进剂在PPT和表面弧推进系统中的潜在优势，主要归因于其较低的蒸发热和电离能量，使得在有限放电能量下能够实现更高效的烧蚀和更高的电离分数；然而，硫等离子体的排气速度低于PTFE，表明其性能优势主要来源于更高的烧蚀率和更高的推进剂质量利用效率。此外，硫中不含碳，有效缓解了PTFE在低能量密度放电条件下常见的碳沉积问题，有助于保持放电通道的稳定性和推进剂表面状态。尽管如此，关于基于硫的PPT的现有实验研究仍然有限，大多数以往的工作集中在同轴PPT推进剂的筛选、结构优化或低电流蒸发行为分析上。

因此，为了进一步提高基于硫的PPT的推力功耗比，本研究通过实验探讨了硫推进剂在Z箍缩脉冲等离子体推进器配置中的应用。系统测量并分析了基于硫的PPT的放电特性、烧蚀行为、推进性能和喷流演化。评估并比较了关键性能参数，包括脉冲能量、推力功耗比、比冲和推进效率。此外，还使用了高速成像诊断技术来研究喷流演化特性。通过结合实验数据和物理分析，本研究旨在揭示硫推进剂在Z箍缩PPT中的性能变化机制，并为高性能脉冲等离子体推进器的设计提供理论和实验支持。

章节摘录

推进器设计和推进剂制造

本研究中使用的硫基推进剂脉冲等离子体推进器的示意图如图1(a)所示。与文献中报道的传统同轴表面烧蚀PPT配置相比，本工作采用了Z箍缩结构以进一步提高推力功耗比性能。推进器主要由储存电容器、火花塞、阳极-阴极喷嘴组件、硫推进剂和传输线组成。工作流程如下：

放电响应和能量沉积特性

图3显示了不同充电电压下硫基PPT的放电电压、放电电流、瞬时放电功率和能量沉积波形。可以观察到，在980～1760 V的电压范围内实现了稳定的脉冲放电。点火后，放电电压迅速下降并出现反向振荡，而放电电流快速升至峰值后衰减，表现出典型的欠阻尼RLC振荡行为。

结论

本研究提出了一种新型硫基推进剂Z箍缩脉冲等离子体推进器，以解决传统基于PTFE的PPT推力功耗比低和严重碳沉积的问题。对放电特性、烧蚀行为、推进性能和喷流演化进行了系统的实验研究。主要结论如下。

(1)

提出了一种硫基推进剂Z箍缩PPT配置，为实现高推力功耗比提供了新方法

CRediT作者贡献声明

Jianjun Wu：项目管理，资金获取。Yuqiang Cheng：监督，资源提供。Zitong Shen：验证，数据管理。Chaofan Duan：可视化，数据管理。Yuanzheng Zhao：验证，方法论，调查。Jian Li：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，概念构思。Jiaxu Lu：撰写 – 初始草稿，可视化，形式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究工作得到了国家自然科学基金（T2221002）和湖南省自然科学基金（2024JJ6456）的资助。

Jiaxu Lu|Jian Li|Yuanzheng Zhao|Chaofan Duan|Zitong Shen|Yuqiang Cheng|Jianjun Wu