随着低温等离子体技术的不断发展，其在生物医学、材料处理、环境保护、薄膜沉积和物质合成转换等领域得到了广泛的应用[1-7]。电推进技术是低温等离子体在航天技术领域的重要应用，是一种先进的推进技术。
传统冷气推进的技术难度较低，易于实现，且功耗低，但是其比冲较低（一般仅有60s左右），由于卫星体积、重量的限制无法实现较大的总冲；化学推进的比冲有了较大幅度的提升，可达200s量级，但最小推力（最小元冲量）较大，且通常不具备宽范围调节能力。
电推进系统利用电能加热、电离和加速推进剂使其形成高速射流而产生推力。电推进系统通常具备很高的比冲参数，这大大降低了其工质消耗量，对于提高航天器有效荷载有重要意义。此外，电推力器输出推力或元冲量较小，能够满足航天器执行轨道转移、姿态调整任务时的精密调节需求。
典型的电推力器主要包括霍尔推力器（Hall thruster）、离子推力器（ion thruster）、脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）等。到目前为止，美国、俄罗斯、日本、中国、法国等许多国家已对电推进技术进行了广泛而深入的研究，并成功地将不同型号电推进系统应用在卫星中承担飞行任务[8]。电推进技术也成为等离子体领域热门研究方向之一。
随着航天技术的不断发展，电推进系统的应用场合也逐渐向微小卫星拓展。微小卫星总体功率有限，因此低功耗微电推力器得到广泛关注。表1所示为典型的低功率电推进系统性能参数对比[9-13]。
表1 典型低功率电推进系统参数
目前，电推进应用包括无拖曳控制、大气阻尼补偿、轨道维持、姿态控制等，其中无拖曳控制和大气阻尼补偿主要是采用离子电推进，轨道维持主要是利用霍尔电推进和电热推进，姿态控制主要是利用脉冲等离子体推力器。实际情况中，将根据不同空间任务选择对应参数的推力器系统。
脉冲等离子体推力器结构简单，采用固体工质，无需复杂的贮供部件，且具备小功率下的高比冲能力。推力器采用脉冲工作模式，可以降低电源部分的复杂性，提供较小元冲量（达N·s量级）和较高总冲，能够满足微纳卫星长寿命和精确姿轨控制的需求，得到了广泛的应用[14-22]。然而，目前对PPT的研究仍然不够深入，无论从理论研究或是工程角度而言，依然存在以下亟须解决的主要问题：
（1）存在滞后烧蚀效应（Late Time Ablation，LTA），工质利用率低下[22-25]。
（2）中性粒子成分比重较大，无法获得电磁加速作用，系统效率低下。
（3）在低能量水平下（通常指10J及以下量级），系统能量主要消耗于工质烧蚀过程，电磁加速过程能量分配少，推力器性能劣化严重[26]。针对微小卫星对高性能微推力器的需求，有学者研制了利用毛细管消融放电产生等离子射流，进而获得推力的微型推进系统，简称为毛细管型脉冲等离子体推力器[27]。
1 毛细管型脉冲等离子体推力器主要特点
毛细管型脉冲等离子体推力器是一种以电热加速为主的脉冲等离子体推力器，图1为传统PPT与毛细管型PPT的基本结构对比示意图。
图1 PPT结构示意图对比
毛细管型脉冲等离子体的工作过程可以概括为：毛细管放电时，通过毛细管管壁材料烧蚀对电弧进行冷却，对腔体内的电弧进行约束，而产生的烧蚀产物在电弧的高温作用下分解、解离、加热并电离成为等离子体，以补充因喷射而造成的等离子体的损失。在电弧高温烧蚀作用下，毛细管腔体内迅速被高温等离子体所充斥，腔体内压强和温度快速升高，向外形成等离子体射流喷射。
毛细管推力器主要利用电热加速作用，在低放电能量条件下，与传统PPT结构相比具备以下优势：（1）电热加速作用对中性粒子和带电粒子均有良好的加速效果，提高了总体效率;（2）滞后烧蚀产物依旧可被加速，无滞后烧蚀效应，提高了工质利用率;（3）放电弧道能量沉积效率高，进一步提高了总体效率;（4）毛细管推力器推功比高，拓展了脉冲等离子体推力器的应用范围;（5）毛细管放电等离子体粒子密度较高，适合附加加速电极等结构的优化。
目前，关于脉冲等离子体推力器的研究主要集中在电磁型推力器上，已在轨应用的PPT也多为电磁型PPT。随着微纳卫星的发展，在低能量应用下具备优势的毛细管型推力器逐渐成为研究热点。日本于2012年率先进行了毛细管型推力器在轨功能验证。表2所示为主要研究机构研制毛细管推力器与传统PPT参数对比。
表2 典型毛细管型PPT参数
本文系统调研了国内外相关毛细管型脉冲等离子体推力器研究现状，并对其进行评述。目前，我国主要由部分高校开展传统PPT的相关研究，毛细管型推力器相关研究尚未见报道。毛细管型脉冲等离子体推力器作为具备潜力的高性能微推进系统值得关注，应展开研究并加快其工程化应用。
2 毛细管型脉冲等离子体推力器结构设计
毛细管型脉冲等离子体推力器主体构件包括阳极、阴极喷嘴、毛细管腔体及触发器。毛细管型脉冲等离子体推力器利用电弧对毛细管管壁材料烧蚀，形成高温高密等离子体射流，在此过程中，阳极形状、阴极喷嘴半张角以及毛细管腔体的尺寸均会对等离子体电弧的形成和发展过程产生影响，进而影响推力器的整体输出性能。
日本大阪工业大学HirokazuTahara等于2003年开始对毛细管型脉冲等离子体推力器进行研究[31]，于2007开展PROITERES一期计划并于2012年在微纳卫星上通过执行轨道提升任务实现在轨验证。推力器设计结构如图2所示。
图2 大阪工业大学2.43J毛细管型推力器结构示意图
Hirokazu研究了在初始能量2.43J时，毛细管长度及直径（毛细管长度范围为5～10mm，直径范围为1～3mm）对推力器元冲量及比冲的影响规律[32]。研究表明随毛细管长度的增大，元冲量增大而比冲减小；随毛细管直径的增大，元冲量减小而比冲增大，同时总体推力效率保持基本恒定。
此外，Hirokazu利用长度9mm、直径1mm的毛细管腔体以1Hz频率连续工作53 000次累计获得了5N·s的总冲量，在此期间，元冲量随放电次数增加而显著降低。
Hirokazu等于2010年开展PROITERES二期计划，研究了在单次放电能量31.59J，毛细管直径4mm下，毛细管长度在20～50mm范围内其对推力器输出特性的影响[33]。实验结果表明推力器元冲量和比冲参数存在最佳长度和内径配合方式，同时利用长度50mm、直径4mm的毛细管腔体可在10 000次重频工作后获得19.4N·s的总冲量。
此外，为满足任务要求，进一步提高推力器寿命及推力水平，Hirokazu设计了多腔体阵列型推力器结构，可通过控制火花塞选通调节推力器工作模式，其结构如图3所示。
图3 大阪工业大学多腔体阵列推力器结构示意图
针对上述多腔体阵列型PPT结构中附加部件较多导致的推进系统总体质量较大，同时由于固定件较少造成腔体结构一致性差等问题，Hirokazu等在2017年研制了第三代推力器，并命名为MDR-PPT[34]。通过改进单根毛细管型PPT结构使推力器在具有相同腔体数量时推进系统总体质量减轻33%，同时由于毛细管间采用独立腔体设计，保证了放电的一致性。
图4中分别是单根毛细管型推力器结构及改进型多腔体毛细管型PPT结构。其中放电腔体长度为50mm，直径为4mm。单根毛细管在80 000次工作后可获得81N·s的总冲量。
图4 大阪工业大学3rd MDR-PPT单根毛细管推力器及总体结构示意图
日本大阪大学ToshiakiEdamitsu等分别研究了单次放电能量为5.35J和21.4J时毛细管长度、推进剂工质和阴极喷嘴长度对推力器输出性能的影 响[35]。结果表明随毛细管长度增加，能量沉积效率增大而等离子体加速效率降低，此时存在最佳腔体长度。
同时，在给定的毛细管长度下，比冲及效率随初始放电能量增大而提高。以聚乙烯为推进剂工质时，与聚四氟乙烯相比，推力器比冲可显著提高，而元冲量降低，同时工质表面易发生炭化影响放电的稳定性。随阴极喷嘴长度增大，元冲量、比冲及推力效率增大且有饱和趋势。
为在相同单次放电能量下减小元冲量随放电次数的下降率以增加推力器总冲量，Toshiaki Edamitsu设计了毛细管阵列结构，利用单毛细管放电引发阵列放电，有效减少了火花塞数量并降低了元冲量的下降速率，显著提高了推力器寿命及总冲量，阵列型结构及放电图像如图5所示。
图5 大阪大学多通道毛细管推力器结构图及放电图像
日本东京都立大学JunichiroAoyagi等研究了阴极喷嘴半张角对推力器输出元冲量、比冲和总体效率的影响[36]。实验结果表明，喷嘴半张角会约束等离子体射流形态，元冲量、比冲和效率会随阴极喷嘴半张角的增大先增大后减小，最佳半张角为20°附近范围。
此外，为提高推力器总冲量，JunichiroAoyagi设计了步进电机控制的轮盘式毛细管腔体更换系统，结构如图6所示。在单次放电能量为10J下，工作150 000次后实现54.6N·s的总冲量。
图6 东京都立大学轮盘式工质送料结构
美国爱德华兹空军基地A. P.Pancotti等研究了金属丝爆、巴申击穿和三电极沿面闪络三种不同触发方式下毛细管型脉冲等离子体推力器的放电特 性[37]，其中利用三电极沿面闪络触发方式可获得比冲350～650s，效率8%～18%的最佳输出性能，同时保证了推力器工作稳定性及重频性能最优，基于三电极触发的毛细管型推力器结构如图7所示。
图7 爱德华兹空军基地三电极触发型毛细管推力器结构
美国伊利诺伊大学RodneyL. Burton等利用PPT7型同轴电热式脉冲等离子体推力器研究了不同毛细管腔体尺寸[37]（直径8～17mm，长度20～50mm）及单次放电能量（10～70J）对推力器有关性能的影响，PPT7结构如图8所示。
图8 伊利诺伊大学PPT7结构
研究表明随单次放电能量增大，单位能量下单次平均烧蚀质量逐渐下降，比冲及元冲量增大且呈饱和趋势。比冲及元冲量随毛细管尺寸的变化规律与其他机构研究结果相似。特别地，该实验发现比冲随毛细管长度的增大先增大后减小，在给定内径范围中存在最佳尺寸配合方式。
美国普林斯顿大学ThomasE. Markusic等为提高传统毛细管型脉冲等离子体推力器推功比及推进剂工质利用效率[38]，研究了基于Z箍缩原理的新型毛细管推力器，在工作过程中，由于自感磁场的约束，在轴向上形成压力梯度，等离子体电弧沿阳极运动并脱离工质表面，使工质表面温度得以冷却以减弱滞后烧蚀效应，同时可使带电粒子获得电磁加速作用，电极结构及放电图像如图9所示。可在130J初始放电能量下，获得比冲525s，推功比50N/W，效率12%的输出性能。
图9 普林斯顿大学Z-Pinch型PPT电极结构及放电图像
德国斯图加特大学MatthiasLau等设计了3J能量水平下的毛细管型推力器PET，结构如图10所 示[39,40]。研究表明为提高推力器元冲量，可通过增加放电频率及单次放电能量、减小毛细管腔体直径，采用掺杂型聚四氟乙烯工质和减小回路寄生电感等途径实现。
图10 斯图加特大学PET结构
3 毛细管型脉冲等离子体推力器工作特性研究（有略节）
毛细管型脉冲等离子体推力器利用电弧烧蚀毛细管腔壁使其分解、电离为等离子体，腔体内温度和压强不断增大并向外喷射等离子体。在此过程中，电容器、传输线和电极等效回路电阻热损耗以及电弧在烧蚀过程时产生的对流、辐射和冻结流等损耗，是限制毛细管推力器效率提升的关键制约因素。毛细管型脉冲等离子体推力器主放电回路能量流动示意图如图11所示[41]。
图11 毛细管型脉冲等离子体推力器能量流动图
各国研究机构对毛细管型脉冲等离子体推力器进行的电学特性分析主要通过测量主放电电压、电流波形，触发电压、电流波形计算回路等效参数，并据此分析弧道沉积能量及能量转化效率。
日本岐阜大学TakeshiMiyasaka等设计了“GOS-II”毛细管型脉冲等离子体推力器[42]，实验装置结构如图12a所示，并假设其主放电为典型的R-L-C放电，典型放电电流波形如图12b所示。
图12 岐阜大学GOS-II实验装置结构及典型放电电流波形
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