狄 輝， 車(chē)學(xué)科， 鐘 戰(zhàn)， 吳祥東， 朱少鵬

（航天工程大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)系， 北京 101400）

0 引言

姿控發(fā)動(dòng)機(jī)[1]是一種小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通常被應(yīng)用在衛(wèi)星、空間站等航天飛行器上。 過(guò)去，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)通常使用自燃推進(jìn)劑，現(xiàn)在推進(jìn)劑更多使用碳?xì)浠衔?，這就要求姿控發(fā)動(dòng)機(jī)擁有點(diǎn)火器，能夠長(zhǎng)期重復(fù)點(diǎn)火。目前常用的點(diǎn)火技術(shù)有電火花點(diǎn)火技術(shù)[2]、激光點(diǎn)火技術(shù)[3]、電加熱點(diǎn)火技術(shù)[4]和微波點(diǎn)火技術(shù)[5]，這對(duì)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)而言并不適用，因此，迫切需要研究開(kāi)發(fā)新型點(diǎn)火技術(shù)解決現(xiàn)有問(wèn)題。 最近幾年等離子體在點(diǎn)火助燃[6-8]方面有著重要發(fā)展，滑動(dòng)弧是一種局部熱平衡等離子體，同時(shí)具有熱平衡與非熱平衡等離子體的特點(diǎn)[9]，在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量活性自由基團(tuán)與高能電子，釋熱較大。 通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)弧等離子體可以實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火， 能夠拓寬點(diǎn)火極限[10]，因此對(duì)滑動(dòng)弧等離子進(jìn)行放電研究，并將其應(yīng)用在姿控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火上面，意義重大。

滑動(dòng)弧通常由兩種激勵(lì)器產(chǎn)生， 即平面滑動(dòng)弧激勵(lì)器[11]和旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧激勵(lì)器[12]。 對(duì)于姿控發(fā)動(dòng)機(jī)而言，平面滑動(dòng)弧激勵(lì)器不存在內(nèi)電極，不會(huì)堵塞燃料噴嘴，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響相對(duì)更小， 因此更適用于姿控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)平面滑動(dòng)弧均有研究，例如：保加利亞索菲亞大學(xué)的St Kolev 等[13]在研究滑動(dòng)弧在氬氣中的放電過(guò)程時(shí)，建立起了滑動(dòng)弧在氬氣中放電的三維模型，該模型可以計(jì)算出滑動(dòng)弧在不同位置的電弧長(zhǎng)度和滑動(dòng)速度；空軍工程大學(xué)何立明等[14]在研究平面滑動(dòng)弧放電過(guò)程中發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)弧在滑動(dòng)過(guò)程中具有穩(wěn)定電弧滑動(dòng)和擊穿伴隨滑動(dòng)兩種模式，這兩種模式與工質(zhì)氣體流量、放電電壓、電極結(jié)構(gòu)有關(guān)。 鄭州大學(xué)李卓凡[15]對(duì)微秒脈沖滑動(dòng)弧等離子體周期性進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)工質(zhì)氣體處于層流時(shí)，滑動(dòng)弧最大上升高度隨流速增加而增加，當(dāng)工質(zhì)氣體處于湍流時(shí)，滑動(dòng)弧最大上升高度隨流速增加而減小。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)平面滑動(dòng)弧均有研究， 但現(xiàn)有的研究工況并不適合姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作工況， 需要對(duì)放電過(guò)程做進(jìn)一步研究。 為研究平面滑動(dòng)弧等離子體在低工質(zhì)氣體流量下的放電過(guò)程，設(shè)計(jì)了平面滑動(dòng)弧等離子體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了工質(zhì)氣體在不同流量下對(duì)滑動(dòng)弧等離子體滑動(dòng)階段、放電功率和滑動(dòng)特性的影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了工質(zhì)氣體在不同流量下滑動(dòng)弧等離子體的變化規(guī)律，可為小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)弧點(diǎn)火器的研制提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 為滑動(dòng)弧等離子體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 主要包括高壓氣瓶、氣體質(zhì)量流量控制器、滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)器、交流電源、電壓調(diào)節(jié)器、高速攝像機(jī)、示波器、皮爾森線(xiàn)圈、高壓探頭等。 其中高壓氣瓶裝有高純空氣， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%； 質(zhì)量流量控制器采用SC100 氣體質(zhì)量流量控制器，控制精度0.01L/min；交流電源采用CTP-2000K 交流電源，電壓峰-峰值為0～30kV，電源頻率為5～25kHz；滑動(dòng)弧電弧形態(tài)由Phantom v9.1 高速攝像機(jī)拍攝； 采用高壓探頭和電流線(xiàn)圈對(duì)滑動(dòng)弧電壓電流進(jìn)行測(cè)量， 采用安捷倫DSOX3054A 示波器對(duì)電壓和電流波形進(jìn)行記錄。圖2 為交流滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)器結(jié)構(gòu)示意圖， 激勵(lì)器由絕緣石英基座、進(jìn)氣孔、陰極、陽(yáng)極等部件組成。兩電極均為棒型，兩電極夾角為40°，金屬陰極與金屬陽(yáng)極之間最小間隙為2mm，進(jìn)氣孔直徑為2mm。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，高壓氣瓶在流量控制器的控制下給激勵(lì)器供氣， 交流電源給電極兩端施加電壓， 當(dāng)電極兩端電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)超過(guò)臨界電場(chǎng)時(shí)，就會(huì)擊穿氣體，產(chǎn)生電弧，電弧在氣流的吹動(dòng)下，就會(huì)沿電極滑動(dòng)，產(chǎn)生滑動(dòng)弧。

圖1 滑動(dòng)弧等離子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)器

為研究不同流量的工質(zhì)氣體對(duì)滑動(dòng)弧滑動(dòng)階段、放電功率與滑動(dòng)特性的影響，實(shí)驗(yàn)在大氣壓下進(jìn)行，溫度為293K，交流電源頻率為5kHz，高速攝像機(jī)拍攝頻率1000 幀/秒，工質(zhì)氣體為高純空氣，氮?dú)馀c氧氣體積比為79：21，工質(zhì)氣體流量分別為3.0L/min、3.5L/min、4.0L/min、4.5L/min 和5.0L/min。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)與數(shù)字示波器，使它們都處于外部觸發(fā)模式，需要記錄時(shí)，使用外部觸發(fā)器同時(shí)給高速攝像機(jī)與數(shù)字示波器觸發(fā)信號(hào)，使它們能夠同時(shí)對(duì)滑動(dòng)弧等離子體進(jìn)行記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流量對(duì)滑動(dòng)階段的影響

依據(jù)文獻(xiàn)[14]可知本實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)弧放電為電弧穩(wěn)定擊穿模式，電弧沿氣流方向滑動(dòng)較大。圖3 為不同滑動(dòng)階段電壓波形圖，圖4 為不同滑動(dòng)階段電弧形態(tài)圖。根據(jù)示波器測(cè)得滑動(dòng)弧電壓波形與高速攝像機(jī)拍攝的電弧形態(tài)，可將電弧穩(wěn)定擊穿模式下的一個(gè)滑動(dòng)過(guò)程可以分為3 個(gè)階段：擊穿滑動(dòng)階段（Breakdown sliding stage，B-S）、穩(wěn)定滑動(dòng)階段 （Stable sliding stage，S-S） 和不穩(wěn)定滑動(dòng)階段（Unstable sliding stage，U-S）。

圖3 不同滑動(dòng)階段電壓波形圖

圖4 不同滑動(dòng)階段電弧形態(tài)圖

B-S 階段通常發(fā)生在滑動(dòng)弧擊穿空氣開(kāi)始放電時(shí)，從電弧形態(tài)上來(lái)看，此時(shí)滑動(dòng)弧處于擊穿狀態(tài)，電弧處在電極的下端，電弧對(duì)稱(chēng)，從電壓波形上來(lái)看，在每個(gè)放電周期內(nèi)電壓波形會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較明顯的正向峰和負(fù)向峰；S-S 階段通常發(fā)生在滑動(dòng)弧滑動(dòng)的中期， 從電弧形態(tài)上來(lái)看，此時(shí)滑動(dòng)弧沿著工質(zhì)氣體流動(dòng)方向滑動(dòng)，電弧較為對(duì)稱(chēng)，從電壓波形上來(lái)看，每個(gè)放電周期內(nèi)電壓波形與方波較為相似， 電壓波形正向與負(fù)向沒(méi)有出現(xiàn)較明顯的波峰；U-S 階段通常發(fā)生在滑動(dòng)弧滑動(dòng)的后期，從電弧形態(tài)上來(lái)看，滑動(dòng)弧左右不對(duì)稱(chēng)，電弧不穩(wěn)定，隨時(shí)可能發(fā)生斷裂，從電壓波形上來(lái)看，在每個(gè)放電周期內(nèi)電壓波形在正向與負(fù)向上均會(huì)出現(xiàn)一高一低兩個(gè)波峰。

電弧穩(wěn)定擊穿模式下的滑動(dòng)弧在一個(gè)滑動(dòng)過(guò)程內(nèi)會(huì)經(jīng)歷3 個(gè)滑動(dòng)階段， 即B-S 階段、S-S 階段和U-S 階段。從示波器測(cè)得的電壓波形與高速攝像拍出的滑動(dòng)弧形態(tài)來(lái)看， 滑動(dòng)弧從擊穿空氣開(kāi)始進(jìn)入B-S 階段， 而后進(jìn)入S-S 階段，最后進(jìn)入U(xiǎn)-S 階段，直到電弧斷裂，隨后進(jìn)入下一個(gè)滑動(dòng)過(guò)程。

根據(jù)滑動(dòng)弧在一個(gè)周期內(nèi)滑動(dòng)階段的劃分， 通過(guò)多次測(cè)量求平均值的方法，測(cè)量出滑動(dòng)弧在不同流量下BS、S-S 和U-S 階段下平均滑動(dòng)時(shí)間，結(jié)果如圖5 所示。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：向激勵(lì)器通入的工質(zhì)氣體，流量從3.0L/min 增加到5.0L/min 的過(guò)程中，B-S 階段的滑動(dòng)時(shí)間增加，S-S 階段與U-S 階段的滑動(dòng)時(shí)間減小，并且S-S 階段時(shí)間減小程度較大，U-S 階段減小程度較小。

圖5 不同流量下各滑動(dòng)階段所用時(shí)間

2.2 流量對(duì)放電功率的影響

滑動(dòng)弧等離子體電弧放電功率是衡量滑動(dòng)弧電學(xué)特性的重要參數(shù)。 通過(guò)示波器可以測(cè)出滑動(dòng)弧放電時(shí)的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流值，通過(guò)式（1）可以計(jì)算出滑動(dòng)弧瞬時(shí)功率，通過(guò)式（2）可以計(jì)算出滑動(dòng)弧平均功率，滑動(dòng)弧瞬時(shí)功率與平均功率計(jì)算結(jié)果如圖6 圖7 所示。

通過(guò)圖6 可以看出，隨著工質(zhì)氣體流量的增加，滑動(dòng)弧平均放電功率會(huì)降低，分析認(rèn)為：當(dāng)工質(zhì)氣體流量增加時(shí)，滑動(dòng)弧沿工質(zhì)氣體流動(dòng)方向上的滑動(dòng)距離減小，進(jìn)而使得滑動(dòng)弧電弧長(zhǎng)度減小， 而滑動(dòng)弧電弧放電功率與電弧長(zhǎng)度成正比，導(dǎo)致平均功率減小。

圖6 不同流量下滑動(dòng)弧平均功率

通過(guò)圖7 可以看出，在一個(gè)滑動(dòng)周期內(nèi)，滑動(dòng)弧瞬時(shí)功率先減小后增大。 分析認(rèn)為：而在一個(gè)滑動(dòng)周期內(nèi)，當(dāng)處于B-S 階段時(shí)，因?yàn)榧?lì)器要擊穿空氣產(chǎn)生滑動(dòng)弧，需要電源提供的能量足以擊穿空氣， 所以此刻需要的能量較大， 此刻電弧功率較大， 擊穿完畢后電弧功率隨之減??；當(dāng)處于S-S 與U-S 階段時(shí)，電弧功率與電弧長(zhǎng)度成正比，滑動(dòng)弧在工質(zhì)氣體的吹動(dòng)下弧長(zhǎng)逐漸增加，因此需要提供的功率也逐漸增加， 當(dāng)提供的電功率不能滿(mǎn)足電弧滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)弧就發(fā)生斷裂，隨后進(jìn)入下一個(gè)滑動(dòng)周期。

圖7 不同流量下電弧功率變化曲線(xiàn)

2.3 流量對(duì)滑動(dòng)特性的影響

電弧的滑動(dòng)特性可以從最大滑動(dòng)高度、 最大弧長(zhǎng)和滑動(dòng)速率進(jìn)行研究， 為研究工質(zhì)氣體流量對(duì)最大滑動(dòng)高度、最大弧長(zhǎng)和滑動(dòng)速率的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用高速攝像機(jī)拍攝滑動(dòng)弧等離子體，將拍到電弧圖片每10ms 進(jìn)行一次疊加并對(duì)電弧顏色進(jìn)行處理，結(jié)果如圖8 所示，每張圖中最低點(diǎn)處的滑動(dòng)弧發(fā)生在工質(zhì)氣體剛被擊穿時(shí)， 最高點(diǎn)處的滑動(dòng)弧發(fā)生在電弧剛要斷裂時(shí)。 從圖8 中可以看出，不同工質(zhì)氣體流量下的滑動(dòng)弧在滑動(dòng)前中期電弧形態(tài)較為對(duì)稱(chēng)，在滑動(dòng)后期電弧形態(tài)的不對(duì)稱(chēng)性增加。

圖8 不同流量下滑動(dòng)弧等離子體形態(tài)圖

將滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)器的對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)視為滑動(dòng)弧滑動(dòng)高度線(xiàn)， 經(jīng)測(cè)量可以得到滑動(dòng)弧的最大滑動(dòng)高度以及滑動(dòng)弧將要斷裂時(shí)的最大弧長(zhǎng)， 經(jīng)過(guò)測(cè)量計(jì)算可以得出滑動(dòng)弧在不同工質(zhì)氣體流量下的滑動(dòng)時(shí)間、 平均滑動(dòng)速率、最大滑動(dòng)高度和最大弧長(zhǎng)，結(jié)果如圖9、圖10 所示。

從圖9 圖10 中可以看出，滑動(dòng)弧滑動(dòng)速率在5～12m/s內(nèi)， 滑動(dòng)時(shí)間在40～150ms 內(nèi)， 最大滑動(dòng)高度在50～75mm內(nèi)，最大弧長(zhǎng)在25～40mm 內(nèi)，滑動(dòng)弧平均滑動(dòng)速率隨著工質(zhì)氣體流量增加而增加，滑動(dòng)時(shí)間、最大弧長(zhǎng)和最大滑動(dòng)高度均隨工質(zhì)氣體流量增加而減小。 經(jīng)過(guò)計(jì)算，噴嘴出口處流速超過(guò)4m/s，工質(zhì)氣體流動(dòng)為湍流，根據(jù)文獻(xiàn)15，當(dāng)工質(zhì)氣體流動(dòng)為湍流時(shí)， 滑動(dòng)弧滑動(dòng)高度隨流量增加而減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)相一致，故滑動(dòng)弧最大弧長(zhǎng)與滑動(dòng)時(shí)間均減小。

圖9 不同流量下滑動(dòng)弧滑動(dòng)速率與滑動(dòng)時(shí)間示意圖

圖10 不同流量下最大滑動(dòng)高度與最大弧長(zhǎng)示意圖

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了滑動(dòng)弧放電實(shí)驗(yàn)， 通過(guò)改變工質(zhì)氣體流量大小的方法，分析了工質(zhì)氣體流量對(duì)滑動(dòng)弧放電階段、瞬時(shí)功率和電弧形態(tài)的影響，具體結(jié)論如下：

滑動(dòng)弧在一個(gè)滑動(dòng)周期內(nèi)有3 個(gè)比較顯著的階段，即B-S、S-S 和U-S 階段，隨著流量的增加，滑動(dòng)弧滑動(dòng)周期時(shí)間減小，其中B-S 階段的放電時(shí)間增加，S-S 和U-S 階段放電時(shí)間減小。

滑動(dòng)弧的放電功率與放電階段和弧長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)處于BS 階段下，放電功率隨時(shí)間增加而減小，此時(shí)滑動(dòng)弧放電功率與弧長(zhǎng)成反比，當(dāng)處于S-S 和U-S 階段下，放電功率隨時(shí)間增加而增加，此時(shí)滑動(dòng)弧放電功率與弧長(zhǎng)成正比。

工質(zhì)氣體流量從3L/min 增加到5L/min 時(shí)，氣體狀態(tài)為湍流，滑動(dòng)弧滑動(dòng)時(shí)間、最大滑動(dòng)高度、最大弧長(zhǎng)隨著工質(zhì)氣體流量的增加逐漸減小。