高效微型Z型箍缩脉冲等离子体推进器：以电热加速为主导的纳米卫星推进技术

《Aerospace Science and Technology》：High-Efficiency Micro Z-Pinch Pulsed Plasma Thruster Dominated by Electrothermal Acceleration for Nano-Satellite Propulsion

微Z型线阵脉冲等离子体推进器（μ-ZPPT）通过毛细管约束结构和发散阴极喷嘴设计，有效提升电热加速效率，在1.5μF电容下实现19.0%推进效率、531.9秒比冲和72.8μN/W推力比功率，较传统平行板PPT效率翻倍。

　　

赵元正|李健|欧阳|吴建军|连婷玉|卢佳旭

摘要

传统的平行板脉冲等离子体推进器（PPTs）推进效率较低（<10%），这严重限制了它们在功率受限的微卫星和纳米卫星中的应用。为了解决这个问题，我们提出了一种微型Z箍缩脉冲等离子体推进器（μ-ZPPT），该推进器利用了受限的毛细管结构和发散型阴极喷嘴，从而通过等离子体和中性气体的约束来提高能量转换效率。性能表征包括使用扭摆测量脉冲能量，使用分析天平测量烧蚀质量，以及使用探针测量放电参数以评估能量沉积效率。等离子体电参数是通过基于RLC电路模型的最小二乘法拟合得出的，并将实验结果与理论脉冲能量计算进行了比较。在0.5到2.0 μF的电容范围内进行的实验表明，Z箍缩配置实现了单脉冲放电（而平行板则是多振荡），抑制了二次放电，并将电弧等离子体电阻增加到120 mΩ以上（平行板为50 mΩ）。μ-ZPPT主要依靠电热加速机制产生推力，电热脉冲能量贡献超过了95%。在1.5 μF的电容下，推进器达到了最佳性能，推进效率为19.0%，比冲为531.9 s，推力功率比为72.8 μN/W，是现有最先进微型PPT效率的两倍。此外，这种结构在较低放电能量（<2 J）下确保了超过90%的能量沉积效率，使μ-ZPPT成为下一代纳米卫星高效微推进的变革性解决方案。

引言

随着对微卫星和纳米卫星高精度推进系统需求的增加——这些系统能够实现地球观测、深空探索和星座部署——人们越来越关注能够在严格功率限制（<5 w）下运行的微型电推进器[1,2]。虽然传统的霍尔推进器在功率低于100 w时效率显著下降，但脉冲等离子体（PPTs）在微尺度应用中具有固有的优势：不需要中和器且结构简单[3,4]。然而，最先进的平行板PPT在低于2 J的能量水平下推进效率仅达到<10%[5,6]，受到几个关键限制的制约：开放几何结构中的径向扩散浪费了>40%的沉积能量[7]，由于等离子体加速不足导致动态阻抗（L'v2）低[8]，以及寄生二次放电消耗了约30%的能量而没有产生推力[9]。此外，在放电周期中产生的多种离子种群[[10], [11], [12]]以及即使在电极受限方向上的显著羽流扩散[13,14]也进一步导致了效率损失。这些低效率直接阻碍了卫星的任务能力，如轨道保持和编队飞行[15]。

为了解决这些问题，Ciaralli[5]开发了一种在2 J下运行的平行板微型脉冲等离子体推进器（μ-PPT）原型，其优化效率为6.4%。Hou[16]在平行板配置中加入了喷嘴结构，在3 J下运行，将推力功率比提高到29 μN/W，同时实现了280 s的比冲和4%的效率。在低能量条件下，这些主要由电磁加速机制驱动的μ-PPT效率低于10%。通过理论分析，Herdrich等人[17]发现μ-PPT的开发策略应侧重于电热PPT的设计，而不是电磁PPT。平行板配置是一种开放结构，无法有效约束等离子体和中性气体。从定量上看，平行板PPT存在多种效率损失：外部电路电阻损失（<60%的效率）、开放几何结构中的不适当流动膨胀（约33%的损失）以及低速质量喷射（40%的损失），这些因素共同导致总推进器效率低于10%[7,9]。

除了平行板配置外，还探索了同轴PPT作为另一种几何结构。在同轴设计中，电极呈同心排列，内电极（通常是阴极）被外电极（阳极）包围，推进剂位于它们之间。David[18]开发了一种在1.8 J放电能量下运行的同轴μ-PPT，实现了904 s的高比冲，但效率仅为2.5%。尽管同轴配置由于沿轴向的等离子体约束增强而能够实现更高的比冲，但在低功率范围内推进效率仍然相对较低。

为了解决这些挑战，具有受限毛细管结构的Z箍缩配置成为了一种变革性解决方案。通过径向约束电离等离子体和中性气体，它通过发散型阴极喷嘴实现了高效的热能到动能转换——这一机制与最近在电热微型推进器方面的进展相一致[19,20]。Z箍缩效应最初是为聚变应用开发的，后来由Markusic[21]首次应用于电推进，他证明了通过轴向电流的径向等离子体约束可以实现574 s的峰值比冲，推力效率为7.5%，推力功率比为28 μN/W，放电能量范围为25到75 J。Kamhawi[22]随后在20-30 J的范围内研究了反向箍缩配置，实现了方位对称的电流分布，并通过电子温度（3-8 eV）和等离子体密度（高达1021 m?3）的实验测量验证了MACH2磁流体动力学模拟。Keidar[23]开发了第一个用于烧蚀Z箍缩PPT的理论模型。模型预测与实验数据的比较表明，箍缩效应和推力功率比随着脉冲能量的增加而提高。

与此同时，人们系统地研究了基于喷嘴的传统PPT的性能提升方法。Hou[16]证明，在平行板配置中添加陶瓷喷嘴可以将20 J放电能量下的推力效率从7.5%提高到12%，通过增强电热加速实现了这一提升。最近，Wang[19]评估了在5 J放电能量下的四种喷嘴配置：无喷嘴、发散型喷嘴、宽直喷嘴和细直喷嘴。其中，发散型喷嘴实现了最佳性能，比冲为629.5 s，效率为11.04%——分别比无喷嘴配置（547.9 s，8.30%）提高了14.9%和39.4%。这种提升归因于羽流的收敛，将扩散角从63.8°减小到40°，从而最小化了非轴向速度损失。值得注意的是，所有四种配置下的烧蚀质量几乎保持不变（约27.6 μg），这证实了喷嘴主要影响加速过程而非烧蚀过程。Wang[24]进一步表明，阴极孔径和毛细管配置参数显著影响放电特性。这些研究共同表明，喷嘴设计在电热加速效率中起着关键作用。

以往关于Z箍缩推进器的研究主要集中在高能量系统的聚变应用上[[21], [22], [23]]，在航空航天微推进领域存在关键空白：缺乏对2 J以下能量范围内电热主导性的定量验证，对卫星功率限制下的能量沉积路径优化不足，以及喷嘴设计与推力效率之间的实验相关性有限。

本研究通过系统地研究微型Z箍缩PPT（μ-ZPPT）填补了这些空白。它证明了电热机制的主导地位，显示电热加速对总脉冲能量的贡献超过95%，同时将电磁效应抑制在<5%以下，从而验证了受限几何形状的理论预测。在C > 1 μF的情况下，毛细管结构实现了超过90%的能量沉积效率，通过单脉冲操作消除了二次放电。这一效率超过了同轴PPT（55%的沉积率）和平行板配置（48%）在相同能量水平下的效率。μ-ZPPT为卫星应用创造了新的性能记录：在1.5 μF时，它实现了19.0%的推进效率和72.8 μN/W的推力功率比——是现有最先进PPT的两倍，超过了最近的Z箍缩原型；其比冲（531.9 s）满足了CubeSat脱离轨道和编队飞行的ΔV要求。这些突破使Z箍缩成为下一代纳米卫星的最佳架构，直接适用于需要高精度轨道控制的功率受限CubeSat任务[15,25]。

本研究的目标和方法如下：（1）设计和表征一种适用于低能量操作（<2 J）的微型Z箍缩PPT（μ-ZPPT），（2）通过扭摆直接测量推力，实验评估推进性能，包括脉冲能量、比冲和效率，（3）使用基于测量放电参数的分析公式量化电热和电磁加速机制的相对贡献。实验方法结合了真空环境中的实验表征和使用等效RLC电路模型的理论分析，以确定等离子体电属性。电磁脉冲分量是从电感梯度和电流积分计算得出的，通过从总测量脉冲中减去该分量来提取电热贡献。这种方法能够系统地研究不同电容值（0.5–2.0 μF）下Z箍缩配置中的能量转换路径。

部分摘录

推进器设计

μ-ZPPT由六个部分组成：储能电容器、传输线、阳极、阴极、毛细管配置推进剂和火花塞。其示意图如图1所示。在推进器运行过程中，首先将储能电容器充电到高电压，然后火花塞产生初始种子电子。种子电子向阳极移动会在推进剂表面触发电子雪崩，

μ-ZPPT的推进性能

图10显示了电容对μ-ZPPT在相同电压下的脉冲能量和推力功率比的影响。随着电容的增加，脉冲能量增加。增长趋势是非线性的，且增长速率随着电容值的增加而减慢。脉冲能量从0.5μF时的35.3μN·s增加到2.0μF时的151.4μN·s。然而，推力功率比并没有随着电容的增加而增加，但在1.5 μF附近达到最佳值72.8 μN/W，之后则下降

结论

在这项研究中，设计并开发了一种微型Z箍缩脉冲等离子体推进器（μ-ZPPT）。通过系统的实验测量和理论分析，深入研究了μ-ZPPT的放电特性、烧蚀特性和推进性能。通过调整电容参数，揭示了性能指标与电容之间的内在关系，并阐明了μ-ZPPT的推力产生和能量转换机制。

RediT作者贡献声明

赵元正：撰写——原始草稿，可视化，验证。李健：监督，方法论，资金获取，概念化。欧阳阳：撰写——审阅与编辑，验证，方法论。吴建军：资源，项目管理，方法论，资金获取。连婷玉：可视化，验证。卢佳旭：可视化，验证，监督。