脉冲等离子体推力器的放电频率调制.docx

脉冲等离子体推进器的放电频率调制N. Dubey, V. Ravi, and A. Kushari印度理工学院，坎普尔序论脉冲等离子体推进器（Pulsed Plasma Thruster，简称PPT）是一种脉冲式电力推进装置，它可以在低功耗的情况下提供高比冲。在一个脉冲等离子体推进器中，电源控制只是简单地调整电流脉冲频率，而不会影响性能。因此脉冲等离子体推进器可以产生小单位的脉冲和精确的，任意的脉冲。由于脉冲等离子体推进器的这些特性，人造卫星和其它星际类的任务为他们的应用提供了很好的机会。这些年来，脉冲等离子体推进器作为一种前景光明的推进器引起了人们的高度重视。在微小卫星领域的快速增长和应用范围的广泛增加，而带来的发展主要表现在减少净重，增加寿命和提升PPT的性能。到目前为止，大多数的PPT是通过电磁力推进固体推进剂的烧蚀装置。一个PPT由一对电极和它们之间的一块固体推进剂组成，通常是聚四氟乙烯。电极和充电电容连接。通常情况下，使用火花塞在四氟乙烯的暴露表面提供大量自由电子，来启动电极之间的放电。放电等离子体的温度非常高，使推进剂蒸发，然后由电磁力和压力和加速，由此产生推力。这一类推进器的主要优点是简单，因为他们使用聚四氟乙烯作为推进剂固体，因此,相对于传统的推进系统,PPT不需要分散或有毒的推进剂系统。此外，由于其脉冲的性质和较低的功率水平，允许PPT在一个相对广阔的功率范围内运行，而不会损失太多性能。作为一种电推进系统，电气电路参数（例如，电容，电感，电阻，功率等），对一个PPT的性能有重要影响。Solbes和Vondra有电路参数对一个PPT性能影响的研究，例如，脉冲位，比冲和效率。Pulumbo和Guman进行推进剂和电极的几何形状对PPT影响的研究。这些研究有助于提高对PPTS的认识和PPT的性能。Aston和Pless已经得出结论，一个PPT的寿命是由点火电路决定的。他们已经进行了测试，来研究火花塞启动的沉积，侵蚀和方式。这些测试的结果表明，电感而不是火花塞的电阻耦合对推进器负极，和使用一个高电流，短脉冲触发电路，能使火花塞的寿命显着增加。然而，他们的研究集中在提高火花塞的使用寿命，并没有在火花塞的脉冲持续时间上进行实验来分析PPT对放电频率的依赖性。Burton和Turchi推测等离子体点火的精确条件，不应该直接影响到PPT的性能，因为这个火花的能量和质量都要远小于主放电的相应值。然而，他们都表示，到目前为止都不能很好地理解点火启动PPT放电的实际机制。本研究旨在了解PPT的放电频率对火花塞脉冲频率依赖性。，它可以帮助我们更好地了解火花塞放电起始在PPT中的作用。虽然火花塞作为PPT使用寿命的限制部件是众所周知的，他们被广泛使用，因为无法得到其他合适的替代品。已经进行了研究来探讨放电启动其他方式。它已被证明在推进器的背板上的红外线激光器一次脉冲引发的一次放电可以在PPT中引发一次欠压。然而，这一想法目前还在起步阶段，没有可行的空间应用。研究还证实了自主触发的设计加在电极上的电压可以超过放电间隙的击穿电压的可行性。由于需要的电压超过击穿电压，就要求有一个高电压电源。然而，在一个自主触发的设计中，不需要点火电路。在放电的情况下，启动电路，控制脉冲放电的频率就成为一个问题。放电频率是从推力生成的观点来说是很重要的。Dubey等人提出脉冲调制的一种方法是通过改变初始的电源电压和电容。然而，不同的初始电源电压和电容涉及很复杂，如使用电容器组和高电压的电源。本文提出在可接受的范围内调制PPT的放电脉冲，而不必使用一个电容器组。这可以减少系统的质量和降低与之关联的不必要的复杂性。此外，使用的火花塞会在PPT中放电产生相对较低的电压，这意味着人们不再需要一个非常高电压的电源。火花塞为PPT的启动提供了大量的自由电子。本文提出的研究包括创建一个会改变放电间隙的空间电荷特性的电子脉冲，从而降低了击穿电压。如果最初放电间隙处于一个欠压状态，电压略小于没有电子脉冲的放电要求并且大于电子脉冲要求的击穿电压，电子脉冲会成功放电。因此，火花塞脉冲可以用来调节PPT的放电频率，由于脉冲为放电启动定期提供了所需的大量电子。目前来说，进行了试验来研究PPT中火花塞上的放电频率引起不同脉冲频率的影响。无论是频率还是火花塞的输入电压各不相同。结果表明，PPT的放电频率取决于火花塞的脉冲频率。然而，PPT的放电频率不依赖于火花塞的输入电压（功率）。因此，通过控制火花塞的脉冲频率，可以在一定范围内改变PPT的放电频率。实验细节实验描述如下：设计一个固定的几何平行轨道推进器。聚四氟乙烯药柱被用来作为推进剂。两个铜电极（相距36mm，12mm宽，50mm长，如图1所示）被连接到了2.5千伏，40F的电容，跨过聚四氟乙烯放电。该PPT放电开始使用了特别开发的电路连接到从市面上购买的汽车火花塞。输入电压和火花塞的脉动频率各不相同，使用方波的峰-峰值电压和使用函数发生器调节频率。在两侧相距29cm的立方形室内进行实验。通过真空泵把内室降到50pa的压力。图1 PPT示意图高电压输出的DC-DC变换器作为主电源以便将4和30 V的输入电压转换到数千伏的高压直流电输出。（供电电路的原理图2所示）。从电源的输出电压进行测量，分别为1.3和3千伏，4和12 V的输入电压。电流消耗很低，为1.5A。该装置实质上在设计频率上截取输入直流电压，应用在变压器上加强了一些中间高压。然后，电路中有一个电压倍增器部分，是进一步整合以及整流变压器的输出来提供所需的高压直流电输出。有线电路是一个特别设计的印制电路板。整个装置是非常坚固耐用，已被大量的测试。图2 高压电源电路的原理图在本研究中，火花塞频率和火花塞的输入功率的影响PPT放电电压，也影响PPT的频率。完整的实验装置示意图如图3所示。光电二极管用于测量PPT放电发出光的强度。数据采集（data acquisition，简称DAQ）卡，获得来自光电二极管的电压信号，并在计算机中存储数据。通过快速傅立叶变换（fast Fourier transform，简称FFT）分析收集到的数据来估算PPT的放电频率。图3 在研究中使用的实验装置框图：1，真空室；2，PPT；3，火花塞；4，30V直流电源；5，DC-DC转换器；6，电容；7，20V直流电源；8，火花塞电路；9，光电二极管；10，12V直流电源；11，变阻器12，电位器；13，缓冲区；14，数据采集卡的个人电脑；15，真空泵； 16，220V，50Hz交流电源。数据采集程序，对于一个给定的火花塞脉冲频率和它的输入电压组合，PPT连续10放电后手动停止。数据采集率保持不变，因此，10次放电期间获得的数据点的数量为在火花塞参数的变化的情况下放电频率的变化提供一个较好的轨迹。有关数据的分析表明，假设数据采集速率是每秒n次扫描。这意味着，如果x的数据点的数量为存储10次的放电，那么放电频率为10N/ X。因为系数n是实验中的常数，频率是由n个无量纲频率的因数组成。在数组中的数据点中，一个给定的数据点的指数，给出了一个获取给定的数据时间轨迹。该指数相当于时间，所以数据点的指数被称为无量纲时间。这是用来复查从FFT中分析得到的结果。在目前的实验中，与传统的步骤相比，在电容器中存储能量，然后启动火花塞，火花塞和电容器会同时激活。这样设计有助于持续监测火花塞的输入电压和输入电流。此外，电容将持续充电和放电，因此，它有助于对在不同脉冲频率和输入电压下的火花塞的放电频率进行估计。通过这种设计，单个电容器可不断充电，并在火花塞运行的同时放电。它也提供一个最低截止能量的标志，但必须由电容器为火花塞提供一次起始放电。数据收集的各种组合为火花塞电路的输入电压和火花塞的频率。输入电压范围从6至10V，每2V一步。对于每个电压等级，数据收集为1，5，10，25和50赫兹。对获得数据的各种样品进行定性分析，以研究上述参数的影响。电压和电流的数据用来计算火花塞的输入功率。请注意，因为在这项研究中的参数是PPT的脉冲频率，而不是实际的光电二极管的电压信号电平，结果是高度重复的，并且不存在统计学散布。结果与讨论火花塞脉冲频率对PPT放电频率的影响观察火花塞的脉冲频率对PPT的放电频率的影响，对从光电二极管的响应得到的电压数据进行分析。由此收集到的数据的一个例子如图4A，相当于6V和频率为1 Hz的输入电压。FFT分析得到的数据是PPT放电的无量纲频率，如图4B所示。最高峰时，得到的频率被认为是放电的无量纲频率。图4a）随着时间推移，用6V和1Hz的光电二极管来激发火花塞， b）FFT，用6V和1赫兹的光电二极管来激发火花塞。所有的实验数据如图5所示，这表明PPT的放电频率随火花塞的脉冲频率的变化而变化。PPT的实际脉冲频率乘以一个无量纲频率，扫描速率因数，（在这项研究中，扫描速率因数等于10），用秒表手动估计。据观察，至少存在一个火花塞频率就是PPT的放电频率。这个频率被称为火花塞的临界频率。在频率低于临界频率时，火花塞的脉冲频率下降，PPT的放电频率增加。这些频率被称为亚临界频率。频率高于临界频率，火花塞的脉冲频率的增加，PPT的放电频率逐渐增加，终于在更高的频率趋近于一个极限值。图5 激发电压为8V时，火花塞的脉冲频率对PPT的放电频率的影响。只要是在间隙中有介质击穿，就有放电在电极之间的间隙发生。电介质击穿的发生，或者PPT两个电极上有一个非常高电位差，或者在一个相对较低的电位差下用火花塞在间隙中喷射大量的自由电子。阈值的能级，是电容必须提供一次放电，火花塞在一个给定的输出功率水平的一次脉冲，所需求的最低的能量。火花塞的输出电压水平，和它的脉冲频率决定了喷射出的自由电子的数量和能级。因此，PPT电极之间间隙的放电，在同时满足以下条件时发生：1. 电容充电的能量水平高于或等于阈值的能级。这意味着PPT的电极之间的电位差足够大，来牵引从火花塞释放的自由电子。这将引起一次放电。2. 火花塞会以合适的速度产生这样的自由电子,足够的数目,并且有足够的能量水平来从一个电极移动到另一个电极, 从而产生的PPT的间隙之间的放电。在亚临界频率区域，火花塞的脉冲频率的增加是伴随着脉冲宽度减少小。由于火花塞的输入电压保持不变，脉冲宽度的减少导致在火花塞总输出功率的减少。这意味着，火花塞产生的自由电子数量会减少，能量水平相对较低。因此， PPT电极之间的电位差需要更高以便它可以得到火花塞释放的自由电子，来引发放电。因此，电容需要充电达到一个更高的电压。，由于所有其他的电路参数保持不变，电容充电的特征时间不随脉冲宽度的改变而改变。所以，给电容器充电到所需的放电电压所需的时间增加，造成放电时间间隔增加。因此，放电频率降低。在超临界频率域，随着脉冲频率的增加，系统的总能量含量，也就是说，火花能量和PPT电极之间的电位差的总和，在特定瞬间超过阈值的能级的机会较高。这意味着该电极可以得到足够数量的达到必需能量水平的自由电子，整个电极的电位差即使相对较低，也能使PPT在一个较低的电极电位差下放电。因此，电容将需要充电到一个较低的电压水平来使PPT放电。由于电容充电时间的固定特征，这将导致充电时间和随后的放电时间降低，引起放电频率增加。在脉冲频率非常高的的情况下，火花塞与脉冲频率的能量输出的变化是微乎其微的。因此，火花塞释放的自由电子的数量几乎是恒定的。因此，在其中自由电子流动性倾向差距的能级是恒定的，因此，放电频率影响不大，而且往往都趋于极限值。临界频率是火花塞的脉冲频率满足放电频率的PPT的最低限度。这可以归因于一个事实，在此频率的系统具有亚临界和超临界频率区域的缺点。该系统既不是工作在足够低的火花塞频率以便它可以有一个长的脉冲宽度，并且，也因为如此，火花塞也没有工作在足够高的功率输出，来使总能量含量系统超过过阈值。因此，这些缺点合起来给予了PPT最低的放电频率。从结果来看，可以得出结论，连续工作的火花塞最适合高放电频率的PPT。然而，这将导致火花塞的侵蚀，这将限制PPT的整体寿命。还可以观察到，相同的PPT放电频率可以得到两个火花塞的频率，分别在亚临界和超临界区域。在火花塞脉动频率较高的超临界频率区域可以更好地工作。在超临界区域，可以通过不同火花塞频率在一定范围内调制PPT的放电频率。当火花塞的脉冲是不同的，PPT的放电频率可以进行调制，因此，由PPT提供时间平均推力是可控制的。这种放电频率调制方法，要比使用一个电容组和一个高压电源的方法简单。这可以降低系统的质量，因为不再需要电容器组。火花塞的输入电压对PPT放电频率的影响据观察，PPT的放电频率没有直接依赖于火花塞输入电压，如图6所示。这点表明一个事实，即在PPT中火花塞的作用是提供大量的，带有足够能量可以使电极板之间放电的自由电子。有可能存在一个火花塞特定的临界能级，在这个能级下，火花塞可以产生带有足够的能量的自由电子。由此产生的自由电子所拥有的能量不会影响放电启动，只要他们的能级超出阈值能级。因此，火花塞的输入电压，会影响火花塞输出功率（或能量），而不会在放电的启动时发挥主导作用，因此，不会影响放电频率。然而，只有当电压水平高于临界值时，这种结论才成立。已进行了输入电压水平高于火花塞临界值的实验，因此，PPT的放电频率不依赖于输入电压。因此，唯一控制PPT放电频率的工作参数是火花塞的脉冲频率。图6火花塞的输入电压对PPT放电频率的影响结论对火花塞频率和其输入电压影响固体推进剂PPT的放电频率进行了研究。结果发现， PP