郭大偉，程謀森，李小康,車碧軒

0　引　言

感應(yīng)式脈沖等離子推力器(inductive pulsed plasma thruster, IPPT)是一種磁推力器，其概念源于20世紀(jì)60年代初 由Lovberg等[1-2]首次提出的“脈沖感應(yīng)推力器”(pulsed inductive thruster, PIT).其典型結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1和2所示.在推力器工作過程中，由脈沖閥向線圈表面噴注一團(tuán)氣體，當(dāng)氣團(tuán)均勻的分布在線圈表面時，儲能電容通過開關(guān)向平面線圈快速放電.線圈中的電流在線圈表面產(chǎn)生環(huán)向電場和徑向磁場.環(huán)向電場使線圈表面的氣體電離并形成環(huán)狀等離子體電流片.等離子體電流片中的電流方向與線圈中的電流方向相反.電流片在洛倫茲力的作用下加速運(yùn)動并遠(yuǎn)離線圈.電流片在向前運(yùn)動的過程中不斷裹挾并電離下游氣體，使整個氣團(tuán)從線圈表面高速噴出，從而獲得推力.

圖1　感應(yīng)脈沖等離子體推力器工質(zhì)噴注階段示意圖Fig.1　Schematic of the propellant injection stage of IPPT

圖2　感應(yīng)脈沖等離子體推力器線圈放電階段示意圖Fig.2　Schematic of the coil discharge stage of IPPT

脈沖氣團(tuán)在線圈表面的分布狀態(tài)直接影響氣體的電離、等離子體電流片的形成以及等離子體的加速過程，是決定推力器性能的關(guān)鍵因素.為了提高氣體利用率和推力器推進(jìn)性能，IPPT對脈沖閥的要求包括[3-6]：1)氣體徑向分布均勻；2)軸向上需壓縮在解耦距離之內(nèi)；3)脈沖氣團(tuán)后沿到達(dá)線圈表面時，不應(yīng)有任何尾隨氣體，并且脈沖氣團(tuán)前沿不能溢出線圈表面的有效電離區(qū)和加速區(qū).

為了實現(xiàn)上述要求，最大限度實現(xiàn)氣體在推力器線圈表面的理想分布，脈沖閥作為推進(jìn)劑噴注系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，要有足夠快的響應(yīng)特性，必須能夠在幾百微秒的時間內(nèi)完全打開，并在相同的時間內(nèi)完全關(guān)閉[4].此外，脈沖閥還要能夠根據(jù)任務(wù)的需求進(jìn)行一定的流量調(diào)節(jié).

快速脈沖閥的結(jié)構(gòu)和設(shè)計一直在改進(jìn)，早期IPPT的試驗研究(20世紀(jì)60年代)主要采用電磁鐵式提升閥[7-9]，而后(1980～2005)主要采用電動力式閥[5-6].但是電磁鐵式閥結(jié)構(gòu)需設(shè)計閥芯對中機(jī)構(gòu)和回復(fù)力機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致閥整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜.此外，電磁閥的驅(qū)動力與閥結(jié)構(gòu)尺寸呈比例變化關(guān)系，為了使閥獲得快速響應(yīng)特性，需增大閥體積以獲得較大的驅(qū)動力.而電動力式閥結(jié)構(gòu)雖驅(qū)動能量低，但制作工藝十分苛刻.

本文針對國防科技大學(xué)所設(shè)計的平面型IPPT原型機(jī)，驗證了一種新型高速脈沖氣體閥[10].該閥基于感應(yīng)渦流斥力原理，采用截錐形簧片和線圈構(gòu)成驅(qū)動機(jī)構(gòu).依靠開啟過程中簧片變形所儲存的彈性勢能提供閥閉合的回復(fù)力，無需額外的回復(fù)力機(jī)構(gòu)，使閥結(jié)構(gòu)得到簡化.本文將對閥的設(shè)計和性能試驗進(jìn)行詳細(xì)介紹.

1　高速脈沖氣體供給閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

基于電磁感應(yīng)原理的高速脈沖氣體供給閥結(jié)構(gòu)和實物分別如圖3、4所示.其結(jié)構(gòu)主要由螺旋型驅(qū)動線圈，簧片，密封墊，簧片限位塊和主閥體構(gòu)成.簧片覆蓋在閥腔上，簧片與其內(nèi)沿的O型圈(氟橡膠)及密封墊 (氟橡膠)形成密封副.閥裝配完成后，O型圈壓縮后的高度系數(shù)約為0.8，計算密封比壓約為1.6 MPa[11].簧片因變形在密封副處產(chǎn)生的預(yù)密封壓力約為700 N，閥口處的密封副變形約為0.4 mm，計算密封比壓約為2.3 MPa.設(shè)計的的密封比壓均大于文獻(xiàn)[11] 建議的1.3 MPa.閥的驅(qū)動機(jī)構(gòu)由簧片與線圈組成，簧片為開閉動作執(zhí)行部件.閥開啟驅(qū)動力由簧片與線圈之間產(chǎn)生的洛倫茲斥力提供，閉合回復(fù)力由閥開啟時簧片變形產(chǎn)生的彈性力提供.為了使閥能夠在極短的時間內(nèi)開啟并在相應(yīng)的時間內(nèi)關(guān)閉，需要較大的驅(qū)動力和回復(fù)力.因此簧片采用高電導(dǎo)率的鈹銅制成，以增大感生電流，同時簧片沖壓成截錐形，以便在小變形下提供較大回復(fù)力.該脈沖閥主要有以下特點：1)閉合所需的回復(fù)力由簧片變形產(chǎn)生的彈性力提供，避免了使用額外的回復(fù)力機(jī)構(gòu)，使閥整體結(jié)構(gòu)得到極大地簡化;2)閥中不使用任何鐵磁材料，因此該閥不會影響推進(jìn)器線圈產(chǎn)生的磁場，可以安裝在靠近推力器線圈表面附近;3)閥體采用低電導(dǎo)率不銹鋼材料，可以減少閥工作時的渦流損耗;4)密封墊起到吸能作用，可以有效減小簧片閉合時的回彈.

脈沖閥的驅(qū)動電路如圖5所示.儲能電容器通過脈沖功率晶閘管與驅(qū)動線圈相連.為了防止工作過程中電流振蕩，并保護(hù)電容器免受較大的反向電壓沖擊，采用二極管與脈沖閥并聯(lián)進(jìn)行箝位.閥的工作過程可概述如下：當(dāng)晶閘管觸發(fā)后，儲能電容器對閥的驅(qū)動線圈放電，線圈中產(chǎn)生的脈沖電流在簧片中感生出方向相反的電流.根據(jù)電磁場原理，簧片中將產(chǎn)生洛倫茲力，如圖6(a)所示.簧片外沿在洛倫茲力軸向分量的作用下克服簧片的預(yù)緊力并迅速抬升形成環(huán)狀閥口，閥腔中的高壓氣體從閥口膨脹流出.隨著線圈電流的衰減和反向，當(dāng)簧片與擋塊碰撞或其所受的電磁力遠(yuǎn)小于簧片變形所產(chǎn)生的彈性力時，簧片所儲存的彈性勢能開始轉(zhuǎn)換成簧片的動能，此時閥開始閉合，如圖6 (b)所示，并且在與開啟時間近似相同的時間內(nèi)完成閉合.至此實現(xiàn)一個工作循環(huán).

圖3　高速脈沖氣體供給閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic of the fast pulsed gas valve

圖4　高速脈沖氣體供給閥實物圖Fig.4　Photograph of the fast pulsed gas valve

圖5　驅(qū)動電路示意圖Fig.5　Schematic of the discharge circuit

圖6　閥工作原理Fig.6　Working principle of the valve

2　試驗原理與試驗系統(tǒng)

針對本文所述閥的結(jié)構(gòu)特性，分別采用光透過法測量閥的響應(yīng)特性，采用PVTt法測量單脈沖氣體供給量.試驗原理和試驗裝置布局如圖7和8所示.閥被放置在特定的真空艙中.激光器和光電探測器在真空艙外相對布置.從激光器發(fā)出的激光穿過位于閥口上方簧片與擋塊之間的縫隙并被光電探測器接收.由于透過縫隙的光強(qiáng)與縫隙的大小呈比例，同時光電探測器的輸出信號與輸入光強(qiáng)呈線性關(guān)系，因此可以根據(jù)光電探測器輸出信號間接獲得閥的響應(yīng)特性.當(dāng)閥完成一個工作循環(huán)后，真空艙的壓力會升高.假定氣體的溫度保持恒定，通過測量真空艙充氣前后的氣體絕對壓力，閥的單脈沖供氣質(zhì)量可表示為：

(1)

其中，R和T分別是氣體常數(shù)和溫度，V為真空艙有效容積(6 489 876 mm3).

試驗中所采用的光電探測器(Thorlabs DET 10A)響應(yīng)時間為1 ns，由于閥的響應(yīng)時間為微秒級，因此光電探測器動態(tài)性能滿足響應(yīng)特性測試需求.選用的激光器光斑直徑略大于被測位置處簧片與擋塊間的縫隙尺寸，這樣可以確保當(dāng)閥完全打開時，光電探測器接收的光強(qiáng)為零，并且能夠反映出簧片與密封墊碰撞時的壓縮與回彈過程.在實際測試中，透過縫隙的光斑大于光電探測器的有效感光面積，為了有效收光，在光電探測器前放置一凸透鏡，對透過的激光進(jìn)行聚焦.觸發(fā)脈沖功率晶閘管的信號為一個方波脈沖，其前沿作為示波器觸發(fā).驅(qū)動電路中的電流采用電流互感器測量，電容器(350 μF)工作過程中的電壓由高壓探頭監(jiān)測.真空艙的壓力由薄膜電容規(guī)(CERAVAC CTR 101 N)進(jìn)行測量.試驗中使用的工質(zhì)氣體為氬氣.參照圖7，具體的試驗流程為：首先，打開閥3，將真空艙壓力抽至10-2Pa量級；然后，打開閥1，通過壓力調(diào)節(jié)閥2，將閥腔壓力調(diào)節(jié)到所需的工作壓力；最后，關(guān)閉閥3并觸發(fā)晶閘管.驅(qū)動電路的電流和光電探測器的輸出信號由示波器記錄，真空艙的壓力由薄膜電容規(guī)的控制器讀出.

圖7　試驗原理圖Fig.7　Schematic of the experiment

圖8　試驗系統(tǒng)圖Fig.8　Photograph of the experimental rig

3　試驗結(jié)果及討論

在試驗中采用單因素實驗法，分別研究了驅(qū)動電壓(電容器的初始充電電壓)和閥腔氣體壓力對閥響應(yīng)特性的影響.不同工作條件下光電探測器輸出信號和線圈電流如圖9所示，圖中光電探測器信號3次測量的平均值，由于試驗中發(fā)現(xiàn)閥腔壓力對于電路的放電特性幾乎無影響，圖中的電流曲線為閥腔壓力為100 kPa時3次測量平均值.

從圖9中的電流曲線可以發(fā)現(xiàn)，從晶閘管被觸發(fā)到線圈被激勵存在約3.5 μs的延遲，這主要是由于晶閘管的動態(tài)特性導(dǎo)致的.當(dāng)?shù)谝话胫芷谶^后線圈電流有稍許反向過沖，表明箝位二極管對電流的震蕩起到了抑制作用.由于光電探測器信號對縫隙-光路對準(zhǔn)性敏感，所以只能粗略的認(rèn)為光電探測器的輸出信號與位移呈線性關(guān)系，即

(2)

其中：xmax為擋塊限制的閥口最大位移，約為0.7 mm；S(t)為t時刻光電探測器輸出信號.x(t)為正表示閥開啟，若為負(fù)值則表示簧片壓縮密封墊.

當(dāng)驅(qū)動電壓不變時，閥的響應(yīng)特性幾乎與閥腔氣體壓力無關(guān).考慮到閥腔中的氣體壓力較低，閥腔內(nèi)工作氣體在簧片上產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)小于簧片上的洛倫茲壓力以及簧片變形的彈性力.因此，在所測試的工作壓力范圍內(nèi)，閥腔氣體壓力對響應(yīng)特性的影響可以忽略不計.當(dāng)驅(qū)動電壓為1 600 V和1 700 V時，光電探測器信號中出現(xiàn)尖峰，意味著簧片達(dá)到最大限定位移并與擋塊發(fā)生碰撞.可以推斷存在一個剛好能使閥完全開啟的閾值電壓(介于1 500 V與1 600 V之間).在閥閉合過程中，當(dāng)光電探測器信號恢復(fù)至初始值之后開始出現(xiàn)振蕩.這主要是由簧片與密封墊接觸時具有較大動能，密封墊被壓縮，隨后簧片發(fā)生回彈.從光電探測器輸出信號可以看出簧片回彈的位移與最大位移相比十分有限，證明密封墊起到了良好的吸能作用.

單脈沖供氣質(zhì)量是該閥另一個重要性能.圖10顯示了在不同閥腔壓力下供氣質(zhì)量與驅(qū)動電壓的關(guān)系.由圖可以看出，當(dāng)驅(qū)動電壓不變時，供氣量隨閥腔氣體壓力增高而增加.固定閥腔氣體壓力，單脈沖供氣質(zhì)量隨驅(qū)動電壓的增高而增大，當(dāng)驅(qū)動電壓高于1 600 V時，供氣量開始減少.

閥的供氣量變化特性可通過閥腔工作氣體注入真空過程加以解釋.當(dāng)閥開啟后，閥腔氣體經(jīng)閥口流入真空，假設(shè)氣體的流動過程是等熵的，由于氣體由環(huán)向閥口流入真空，在閥口處將出現(xiàn)擁塞.由于閥的進(jìn)氣口相對較小，可認(rèn)為閥在工作過程中沒有補(bǔ)充氣體.同時，閥開啟位移較小，因簧片變形引起的閥腔容積變化可忽略.根據(jù)等熵過程中壓力比與溫度比的關(guān)系，以及一維流動的質(zhì)量流量方程與當(dāng)時閥腔氣體總壓和總溫的關(guān)系，可推導(dǎo)出任意時刻t閥口質(zhì)量流率與閥腔初始壓力和溫度(認(rèn)為初始時刻的靜壓和靜溫即為當(dāng)時的總壓和總溫)的關(guān)系[12]：

(3)

式中：R為氣體常數(shù)；T0為閥腔初始總溫；γ為比熱容；P0、P(t)分別為閥腔氣體初始時刻和t時刻的總壓；A(t)為閥口面積，可表示成2πrx(t)，r為環(huán)狀閥口半徑，約為37 mm.

根據(jù)閥腔氣體的質(zhì)量減少率等于閥口的質(zhì)量流率，則任意時刻t閥腔中的總壓為：

(4)

圖9　不同工況下的光電探測器輸出信號和線圈電流Fig.9　Photodetector signals and coil currents vs. time at different operation conditions

圖10　不同工況下的單脈沖供氣質(zhì)量Fig.10　Throughput characteristics at different operation conditions

根據(jù)閥腔初始?xì)怏w質(zhì)量和閥腔t時刻剩余氣體質(zhì)量可計算出閥單脈沖供氣量：

(5)

圖11　不同驅(qū)動電壓下的A(τ)dτFig.11　A(τ)dτ at different driving voltages

結(jié)合閥響應(yīng)特性和流量特性試驗結(jié)果，不同工況下閥的閥開啟動作延遲時間、閥口最大位移、閥口半峰全寬和流量特性如表1所示.閥動作延遲時間約為35 μs，并且基本不受驅(qū)動電壓影響.在本文所述的測試條件下，最大單脈沖供氣質(zhì)量約為2.5 mg，滿足目前IPPT原型機(jī) 2 mg的需求.

表1　閥原理樣機(jī)性能指標(biāo)Tab. 1　Performances of the prototype valve

4　結(jié)　論

為了支持IPPT的相關(guān)技術(shù)探索，本文驗證了一種基于電磁感應(yīng)原理的快速脈沖閥.測試結(jié)果表明，該閥的動作延遲不大于35 μs，在閥腔壓力為100 kPa時，最大單脈沖供氣量為2.5 mg.其響應(yīng)特性和流量特性均滿足IPPT原理樣機(jī)的需求.此外，該閥具備通過調(diào)節(jié)初始驅(qū)動電壓和閥腔工作氣體壓力來調(diào)節(jié)供氣量的能力，可以后續(xù)IPPT多工況性能試驗提供支持.