班号 学号：1120160117 姓名：李春杰
脉冲等离子体推力器实验报告
一、 基本介绍
1.1 卫星发展概况
自上世纪八十年代以来，随着微小卫星的迅猛发展，目前已经有20多个国家和地区开展了对微小卫星的研究工作。随着微小卫星、行星探测器、深空探测及星际航行等新兴空间探测技术的发展，对航天器上的推进系统要求质量更轻、体积更小、效率更高，发展成本低、比冲高、结构简单、推进剂消耗少、体积小且对环境污染小的推进技术已经成为微小卫星发展的迫切要求。微小卫星为民用的通讯、导航、对地测绘、空间科学探测以及军用的侦察、指挥和决策提供了新的发展平台和契机。
1.2 电推进简介
1.2.1 概念与应用
电推进是使用加速推进剂形成高速射流而产生反作用推理的技术。电推进的主要特点是比冲高（因而推进剂消耗少）、结构紧凑、质量轻、体积小，但其推力小，需要消耗较大的电功率。它不适用于要求大推力的空间运载器，但适用于航天器的姿态控制和轨道控制的动力装置。自20世纪60年代以来，全世界已经有约200多颗地球轨道卫星和深空探测器使用过近500台空间电推力器。
1.2.2 电推进分类
根据推进剂加速机制，并结合实际应用，可将电推进分为三大类：电热推进、静电推进和电磁推进，每种推进形式又包括不同的电推力器种类。
= 1 \* GB2 ⑴ 电热式推力器利用电能加热推进剂，随后通过收缩扩张喷嘴，在气动热力加速作用下喷出产生推力（例如具有电加热的冷气推进器）；
= 2 \* GB2 ⑵ 静电式推进力器最开始将电能应用于电离推进剂，后来也将电能直接施加在电极上，通过产生的电场加速离子从而产生推力；
= 3 \* GB2 ⑶ 电磁式推力器的推进剂在电场力和磁场力共同的作用下被电离和加速。
表1-1 电推力器分类
电热式推力器
电阻加热式推力器（Resistojet）
电弧加热式推力器（Arcjet）
微波加热式推力器（MPT）
静电式推力器
霍尔效应推力器（HET）
稳态等离子体推力器（SPT）
阳极层推力器（TAL）
离子推力器（IT）
电子轰击式离子推力器（EBIT）
射频离子推力器（RIT）
电子回旋共振离子推力器（ECRIT）
胶质离子推力器（CIT）
场效应静电推力器（FEEP）
电磁式推力器
脉冲等离子体推力器（PPT）
自身场磁等离子体动力推力器（SF-MPD）
外加场磁等离子体动力推力器（AF-MPD）
高效率多级等离子体推力器（HEMP）
1.3 脉冲等离子体推力器(PPT)
1.3.1 推力器种类
= 1 \* ROMAN I. 平行板电极式
= 1 \* alphabetic a. 尾部馈送式 = 2 \* alphabetic b. 侧面馈送式
= 2 \* ROMAN II. 同轴式电极
= 3 \* alphabetic c. 尾部阴极式 = 4 \* alphabetic d. 同轴电极式
1.3.2 组成及工作原理
脉冲等离子体推力器包括推力器本体、推进剂、推进剂进给设备（进给弹簧）、电源处理单元（PPU）和点火系统等。其中，点火系统由点火电路和安装在阴极上的火花塞组成。图1-1为PPT简易的结构示意图。
图1-1 PPT结构示意图
= 1 \* alphabetic a．电容器充电 = 2 \* alphabetic b. 脉冲放电
= 3 \* alphabetic c. 工质喷出
PPT工作时，PPU首先将储能电容器充电至额定的高电压，从而在正负极板间产生一个强电场。随后，点火回路发出一个出发脉冲点燃火花塞，在固体推进剂表面形成电流场并烧蚀部分推进剂，产生少量带电粒子。这些带电粒子在电场的加速下与推进剂表面及粒子之间频繁碰撞，使表面的固体推进剂烧蚀、分解并电离，两极间逐渐形成为了等离子区。此时电容器、极板和等离子体区构成闭合回路，并产生感应磁场，等离子体受到洛伦兹力加速而向外喷出，从而产生与喷射方向相反的推力。图1-2为正在工作的固体烧蚀型脉冲等离子体推进器。
图1-2 正在工作的固体烧蚀型脉冲等离子体推进器
1.3.3 优点
PPT具有以下优点： = 1 \* GB3 ①零预热时间，零待机功率； = 2 \* GB3 ②系统容错率高; 非工作状态下没有力和力矩； = 3 \* GB3 ③性能要求可扩展； = 4 \* GB3 ④元冲量小，能够实现精细的位置和姿态控制； = 5 \* GB3 ⑤可用于卫星的旋转或三轴稳定； = 6 \* GB3 ⑥固体推进剂的优点：无推进剂储存舱、供给管路、密封件、机械阀、无低温要求、推进剂无毒等； = 7 \* GB3 ⑦在一定的温度范围有良好的适应性； = 8 \* GB3 ⑧结构设计稳固。
二、 实验方法
2.1 推力器、真空系统及电控系统
PPT试验系统包括推力器、真空系统、电控系统和测试系统四个部分组成。在试验中，将PPT样机置于真空舱内，真空系统提供真空环境；电控系统放置于真空舱外，通过真空舱壁上的法兰盘接线柱与舱内设备连接；测试系统根据具体需要放置于舱内或者舱外；通过相应的采集系统以及观察窗对PPT试验进行观察与测试。
2.2.1 推力器
本研究所测试的样机为传统平行板尾馈式PPT负电极、工质、火花塞、进给装置、储能电容器及传输线组成。正负电极使用不锈钢材料，正极有一个1.5mm的台阶，用于固定工质前端位置；负极有一个螺纹孔用于安装火花塞。油浸纸介质同轴圆形电容器为所用电容，采用铜板作为传输线，以减小电感，降低损耗。PPT结构参数：
表2-1 PPT样机参数
参数
数值
放电电压/V
1720
电容容量/μF
10
电极长度/mm
14
电极宽度/mm
12
电极厚度/mm
4
正负电极间距/mm
25
PPT工作时，先通过外部电源将储能电容器充以1720V电压，此时电极板间存在高电压差，但是在真空条件下不会自行击穿。当火花塞点火时产生少量粒子，这些粒子会从工质端面烧蚀出少量粒子，主要包括电子、离子和中性粒子。这些粒子在电场作用下沿着工质端面分别向极板移动，在加速移动过程中又会不断的从工质端面烧蚀出更多的粒子；随着烧蚀出粒子的增加，两极板间逐渐形成等离子体区，由于等离子体的低电阻性，使得储能电容器、电极板、等离子体区构成放电闭环回路，并产生感应磁场，最后带电离子在洛伦兹力的作用下向外喷出，产生推力。
图2-1 PPT结构示意图
2.2.2 真空系统
真空系统，是由真空泵、PLC程序控制系统、储气罐、真空管道、真空阀门、境外过滤总成等组成的成套真空系统。
一般来说，组成真空系统的真空泵主要有下面几种：① 主泵：在真空系统中，用于获得所需要真空度来满足特定的工艺要求的真空泵；② 前级泵：用于维持某一真空泵前级压强低于其临界前级压强的真空泵；③ 粗抽泵：从大气压开始抽气，并将系统压力抽到另一真空泵开始工作的真空泵；④ 维持泵：在真空系统中，气量很小时，不能有效地利用前级泵，为此配置一种容量较小的辅助泵来维持主泵工作；⑤ 高真空泵：用于得到高度真空的真空泵。
在本次实验中，真空系统主要由真空舱体、真空机组、阀门以及相应控制柜所组成。其中，真空机组主要包含一台机械泵和一台分子泵；真空舱体呈圆柱状，卧式放置。
图2-2 双子舱实物图
2.2.3 电控系统
根据电控系统所起作用的不同，电控系统主要可分为充电模块、点火模块、控制模块三个部分。
充电模块的作用是将试验设定数值的电压输出至PPT储能电容的两端对储能电容进行充电，输出的直流电压在0～1800V范围内可手动连续调节。
点火模块的作用是接收控制模块的点火信号，为火花塞提供一个瞬时的高压脉冲信号，使其产生足够的电子、离子，并可靠的引发主放电。点火模块的工作方式可以分为两种，手动和自动。手动模式下，可通过面板上的按钮进行单次点火工作；自动模式下，点火模块有不同频率的点火方式。
控制模块的作用是控制和调节充电电压大小以及点火模块的工作状态。实际操作时，通过控制面板上的各种按钮、旋钮和开关来对充电和点火模块的工作状态进行控制。
图2-3 电控系统
2.2 测试实验系统
2.2.1 烧蚀质量测试系统
本研究单次烧蚀2～10μg，所以需要高精度的测量设备来满足试验要求。高精度电子天平测量烧蚀质量，如图2-4。在称量100g以下质量的物体时精度可达0.01mg。天平采用内部校准模式，内置电机驱动校准砝码确保只需按一下键即可获得最高的精确性，每次使用之前只简单的一键操作即可对天平进行标定。外部有防尘罩，可有效地防止在称量过程中外界的灰尘、湿度以及空气对流对测量结果造成影响，使结果偏离正确值。
图2-4 高精度电子天平
利用该天平进行烧蚀质量称量的基本程序如下：
(1) 接通电源后，预热至少半个小时，使电子天平达到所需的工作温度；
(2) 使用天平自动校准功能，等到示数为零时，校准结束，进行称量；
(3) 将推进剂放置在托盘上，关闭橱窗，等待示数稳定，记录后取出推进剂，重新校准，进行下一次称量。
2.2.2 电参数测试系统
电参数作为与PPT性能直接相关的过程参数，体现了PPT所处工况及动态过程，也是PPT性能测试的重要组成部分，主要包括放电电流和电压的测试。为了便于试验观察各种信号的幅值和周期变化的放电电压电流曲线，本研究采用Tektronix示波器来采集和测量数据。
图2-5 示波器
由于PPT工作放电时存在大电流和强磁场，且由于波形不稳定等原因，无法用普通的电流表进行大电流的测量。法拉第电磁感应原理揭示了电与磁的关系，为大电流的测量提供了一种新的思路，即使用电流传感器测量。
本实验中所使用的电流传感器主要包括罗氏线圈、积分器和线路。其中罗氏线圈为柔性线圈，积分器为S1积分器，采用5.12V直流电源供电，并配备示波器接口。当被测瞬态电流沿轴线通过罗氏线圈中心时,在环形绕组所包围的体积内产生相应的随时间变化的磁场。罗氏线圈输出感应电动势与电流变化率成正比，也就是其输出电压与电流的微分成正比。因此，采用积分计算可以将输出还原为与输入电流成线性关系的电压信号，通过测量该信号便可获得直观的PPT实验过程中的工作电流。
测量时将罗氏线圈放置于真空舱内，故需要对线圈电压信号线进行改装，使其能够适配上舱体航空插座接口上，以便于将信号输出至舱外积分器。与插座连接的延长线在方便安装操作的前提下应尽量控制其长度，并采用双绞线，将信号传输的损耗和干扰降低到最低。由于对电流传感器进行了改装，在正式测量之前需要进行标定实验。标定实验是用导线串联一个小电阻短接极板，使充好电的电容放电，用电压传感器测量电阻两端的电压变化曲线，用电流传感器测量经过电阻的电流曲线，分析对比两者的峰值及相位，从而确定电流传感器的测量特性和实际转换系数。标定实验时，为了使标定电流更加接近实际测量的电流大小，我们选用1Ω的电阻。
图2-6 电流测量电路原理图
PPT脉冲工作时，储能电容通常充电至1720V，工作时在10μs内完成放电。示波器高压探头对测量结果的准确性以及正确性至关重要，它是连接被测电路与示波器输入端的电子部件。高压探头一般分为有源和无源两种，无源探头是最坚固、最经济的探头，它们不仅使用简便，而且应用广泛。
测量时高压探头通过舱体上的接线柱与舱内储能电容正负极相连，舱外连接到地面实验电源的正负极。高压探头和连接导线及真空舱接线柱的分布电容与主电容相比可以忽略不计。PPT放电期间，充电电路停止向储能电容充电。通过示波器内部触发采集放电电压。
2.3 实验过程
2.3.1 双子舱操作步骤
1、前期准备
①完成样机、测试设备的连线及其他准备工作，关闭舱门；
②将舱门紧闭旋钮拧紧，并检查充气阀、低真空阀（顺时针关闭，逆时针开启）、高真空阀是否关闭（注：高真空阀必须关闭）；
③将排气管道放到窗外。
2、抽真空阶段
①打开配电箱电源（箱体左端电闸），此时冷水机会直接开启，观察冷水机水位是否处于正常范围内，等待冷水机预热（倒计时归零即为结束，一般为180s），将电阻规连接头插到所需的舱体上方；
②开启粗抽泵P2，根据需要打开对应舱体的低真空阀（顺时针关闭，逆时针开启）；
③开启前级泵P1，当分子泵真空度（显示板右端示数）低于10Pa，开启分子泵电源，点击运行，等待分子泵达到最高转速（最高转速为24000r/min，不会超过10分钟）后进行下一步；
④当舱体真空度达到10Pa时（显示板左端示数）以下时，先关闭低真空阀，然后再打开高真空阀，此后可关闭粗抽阀P2。此时显示板左端示数归零，右端示数即为真空舱内的真空度示数，等待其示数达到实验要求（PPT实验通常要求真空度为5×10-3Pa）即可进行实验。
3、关闭真空舱阶段
①实验完毕后，先关闭高阀，关闭分子泵，等待分子泵转速示数归零（10分钟内可结束）；
②分子泵转速示数归零后，关闭前级泵P1，随后可根据需求决定是否打开舱门；
③收起排气管道，关闭电闸。
注：
（1）注意用电安全；
（2）禁止高气压情况下开启分子泵！禁止高气压情况下开高阀！
（3）若停电关闭高阀。
2.3.2 电参数实验（电压、电流实验）
1、实验设备
样机、电源、信号发生器、示波器、有源高压探头、罗氏线圈（带有积分器）
2、操作步骤
①将样机的阴、阳极板和火花塞通过导线连接到真空舱法兰盘舱内的接线柱上，并将法兰盘舱外相应的接线柱与电源相连，检查电源与信号发生器是否连接；
②将有源高压探头的正、负极分别与PPT样机的阳、阴极相连，并将高压探头与示波器的一个通道相连；
③将罗氏线圈置于如图1所示位置，积分器的输出端与示波器的另一个通道相连；
④关舱抽真空之前需要测试样机的火花塞是否能够正常点火（可在大气环境下观察到火花），阴阳极板两端是否能够正常加压（通常只加低压，通过高压探头测量，示波器上显示）。检查各个部分导线连接是否正确，若无连接问题，则可关舱、抽真空，等待当舱内真空度到达5×10-3Pa。
⑤观察示波器上电压的示数，通过调节电源上的旋钮，将电容两端电压加至实验所需的电压；
⑥设置示波器的触发方式为电压曲线下降沿触发，设置触发线略低于电容两端电压；
⑦开启信号发生器，PPT开始点火，示波器选择单次记录数据，则可记录电压、电流曲线。
2.3.3 烧蚀质量实验
1、实验设备
样机、电源、信号发生器、示波器、有源高压探头、高精度电子天平
2、操作步骤
①将样机的阴、阳极板和火花塞通过导线连接到真空舱法兰盘舱内的接线柱上，并将法兰盘舱外相应的接线柱与电源相连，检查电源与信号发生器是否连接；
②将有源高压探头的正、负极分别与PPT样机的阳、阴极相连，并将高压探头与示波器相连；
③用高精度电子天平测量实验前推进剂的质量，记为m1。测量后将推进剂小心放到样机内；
④关舱抽真空之前需要测试样机的火花塞是否能够正常点火（可在大气环境下观察到火花），阴阳极板两端是否能够正常加压（通常只加低压，通过高压探头测量，示波器上显示）。检查各个部分导线连接是否正确，若无连接问题，则可关舱、抽真空，等待当舱内真空度到达5×10-3Pa。
⑤观察示波器上电压的示数，通过调节电源上的旋钮，将电容两端电压加至实验所需的电压；
⑥开启信号发生器，PPT开始点火，记录PPT点火次数为x（点火次数的选择视情况而定，通常超过1000次）；
⑦实验结束之后，关闭信号发生器和电源。舱门打开之后，将推进剂在大气环境中静置1小时后（使空气进入推进剂的缝隙中，保持此时推进剂的状态与最开始推进剂的状态相同），用高精度电子天平测量实验后推进剂的质量，记为m2。
⑧平均烧蚀质量 m
三、 实验结果
3.1 标定实验
图3-1 两次标定实验电压电流曲线
如图所示，橙红色曲线表示通过积分器得到的电流值；蓝色曲线表示通过外电路得到的电路中1Ω电阻两端的电压值即在数值上等于电路的电流值。由两次标定实验结果可知，实际电流值与示波器记录的电流值存在一定的线性关系。比值k=43.2/40.42=1.07。
3.2 放电参数
3.2.1 电压电流曲线
PPT放电实验设置工作电压为1720V，但由于设备原因电压处于波动状态。实验中共进行了四次实验数据的采集，其电压电流曲线十分相近。
图3-2 四次PPT放电实验的电压时间曲线
图3-3 PPT放电实验的电压时间曲线
图3-4 四次PPT放电实验的电流时间曲线
图3-5 PPT放电实验的电压时间曲线
3.2.2 瞬时功率曲线
瞬时脉冲功率Pt=I(t)×V(t)，将测得的电压电流对应相乘取绝对值即可得到
图3-6 PPT放电实验的瞬时脉冲功率间曲线
3.2.3 PPT电效率
脉冲能量：
E
输入能量：
E
电效率：
η
表3-2 PPT放电电效率
实验次数
输入能量Einput
脉冲能量Epulse
电效率η
1
18.05
15.52
85.97%
2
16.56
15.31
92.44%
3
15.84
14.72
92.91%
4
18.82
15.34
81.49%
平均值
17.32
15.22
88.20%
3.3 PPT性能参数
烧蚀质量参数如表3-1所示，点火次数为1000次。单次放电烧蚀质量m=(烧蚀前质量m1-烧蚀后质量m2）/1000；由表格数据得烧蚀质量m=9.95
表3-2 PPT放电1000次烧蚀质量
推进剂质量
称量次数
烧蚀前m1
烧蚀后m2
1
28.54760
28.53749
2
28.54750
28.53777
3
28.54756
28.53754
平均值/g
28.54755
28.53760
由于不能准确测量微牛级推力，需要对PPT的推力性能进行估算。过去PPT的试验研究中，在没有足够精度的推力台时，都是利用PPT的放电电流以及粒子排出速度来估算元冲量。对于PPT，元冲量与粒子的质量和排出速度有关，故本研究估算PPT元冲量时，采用等离子体和中性气体产生的冲量相加，故本次实验用下式估算元冲量：
(1)
其中Iem表示等离子体加速产生的冲量，Ig表示中性气体产生的冲量，它们的表达式分别如下：
(2)
(3)
其中m为烧蚀质量，α为电离率，Vem为等离子体排出速度，Vem假设为40000m/s，Vg为中性气体排出速度，Vg大小为3000m/s。
将（2）式、（3）式代入（1）式，可以得到如下的元冲量表达式。
(4)
其中等离子体加速产生的冲量与放电电流平方的积分成正比，故其表达式又可表示为：
(5)
其中μ0为真空磁导率，I(t)为t时刻电路中的电流，te为放电结束时刻，h和w分别为极板间的高度和极板宽度。由图3-6可知放电时间大概为10μs，因此
图3-7 PPT放电瞬时脉冲功率曲线放电区间
计算得到元冲量后，用下式计算比冲。
(6)
推力器效率计算公式如下。
(7)
上式中中m为实验得到的单次烧蚀质量数据；E0为推力器能量，其表达式如下。
(8)
其中C为储能电容器的电容量，U为工作电压。由上述公式可以计算得四次实验得到的性能参数如表3-3。由于第三组数据较为异常，取平均值时只使用其他三组数据。
表3-3 PPT放电性能参数
实验次数
元冲量Ibit/μ
等离子体冲量Iem/μ
比冲Isp
效率η
1
517
527
5332
91.37%
2
515
524
5304
90.43%
3
480
486
4944
78.55%
4
522
532
5377
92.91%
平均值
518
528
5338
92.00%
3.4 电路参数
图3-8 PPT放电等效电路图J
图3-8 PPT放电等效电路图
由两方程联立可以解得电感L方程：
4
J0=UωL 常数；L：电感；C：电容；R：等效电阻；ω：阻尼共振频率；U：工作电压；I：峰值电流
PPT的放电电流峰值和周期可以从电流的波形中获取，电容C=10μF，工作电压U=1720V，用Matlab可以解得等效电感L，根据方程解得：
R=
图3-9 四次实验放电电流曲线
图3-8 由左到右由上到下分别是第一次、第二次、第三次、第四次的电流曲线，由图即获得电流峰值和周期。将数值代入解得电感L，根据电阻的公式即可解得等效电阻R。表3-2为四次实验通过计算获得的等效电感与电阻数值。
表3-2 四次实验的等效电感与等效电阻
实验次数
1
2
3
4
峰值电流I/kA
15.48
15.65
15.31
15.65
振荡周期T/μ
5.28
5.23
5.57
5.22
等效电感L/nH
67.68
66.44
76.50
66.23
等效电阻R/mΩ
32.94
32.44
29.04
32.56
四、 问题讨论
4.1 放电参数
问题：1、PPT放电电压和电流的阻尼波形形成的原因是什么，对推进器有哪些影响？2、 脉冲功率的大小处于什么量级？为什么它与推力器能量相比如此大（或小）？
振荡波形是由LCR电路和推进器之间的阻抗不匹配引起的，放电振荡会缩短电容器的寿命。
PPT瞬态脉冲功率很大（MW级别），但消耗的平均功率不大（小于100W）。主要原因在于放电时间特别短放电电流特别大，使得瞬时功率具有很大的量级。
4.2 PPT系统比较及优化
4.2.1 PPT与其他推力系统
相比于传统的化学推力器和其它电推进系统，PPT的应用优势主要体现在下面几个方面：
= 1 \* GB2 ⑴ 结构简单
PPT只有储能电容器充电和点火启动两套电路，与卫星的输入输出接口较少，便于总装集成；推进剂供应装置采用恒力弹簧等弹性元件；无需储箱、管路、阀门、压力传感器等。
= 2 \* GB2 ⑵ 推进剂性能稳定；
PPT通常采用的是固体无毒推进剂，稳定可靠，造价低廉，便于储备。
= 3 \* GB2 ⑶ 以脉冲方式工作；
根据任务需求，可通过调整PPT储能电容器的充电电压和推力器的工作频率，再不改变比冲和工作效率的前提下，灵活地控制推力和总冲输出。
= 4 \* GB2 ⑷ 元冲量较小，使精确控制总冲成为可能；
PPT单次工作产生的冲量较小，可以通过控制点火放电次数，精确控制总冲。
= 5 \* GB2 ⑸ 功耗小，对卫星电源系统的要求不高；
PPT瞬态脉冲功率很大，但是消耗的平均功率不大（小于100W），较小的功率需求降低了对卫星电源分系统和地面模拟实验设备的要求。
虽然PPT的应用优势较为突出，但是仍然存在一些明显的性能缺陷，主要体现在：
= 1 \* GB2 ⑴ 推进剂利用率不高，工作效率较低。
= 2 \* GB2 ⑵ 电源处理单元和能量储存单元的质量和体积较大，导致PPT的推重比较小。
= 3 \* GB2 ⑶ 推进器工作时，电磁干扰以及污染、腐蚀较为严重，可能对推力器和卫星的正常工作造成影响。
= 4 \* GB2 ⑷ 推力器点火放电存在一定的随机性，影响到PPT工作性能的稳定性。
4.2.2 PPT性能优化
4.2.2.1 推力器几何优化
推力器参数会显著影响影响推力器性能。主要包括：电极间距、电极长度、电极倾角。每个推力器都有各自的优化参数，理想参数不是通用的。
通常来说，随着极板间距的增加，推力功率比下降，比冲增加。推力效率不是单调增加，而是在某处有峰值。
图4-1 比冲、推力功率比、比冲随板间距变化曲线
一些之前的研究设计了一些较长的电极，目的是进一步加速电极间的等离子体。然而，已经有研究发现等离子体在非常接近推进剂表面的时候就基本已经获得了最大的速度，而下游段速度增加的较少。同时，最近研究还发现短阳极能够增加推力功率比。然而，短阳极容易受到更多的侵蚀。
推力功率比和比冲先随电极倾角的增加而增加，随后达到最大值，最后随电极倾角的增加而减少。推力功率比和比冲先随电极倾角的增加而增加，随后达到最大值，最后随电极倾角的增加而减少
图4-2 比冲、推力功率比、比冲随电极倾角变化曲线
在电极外增加一个陶瓷尾罩，实验表明这种结构减小了放电电流，对电磁加速产生的推力造成了轻微的减小，但由于提高了电热加速过程产生的推力，推力器整体推进性能得到了提高。
4.2.2.2 推进剂的影响
PTFE是唯一在轨使用过的PPT推进剂，通常是PPT设计中默认的推进剂
优点：易于存储；不需要阀门和进气管道。缺点：不均匀的推进剂消耗；滞后烧蚀；碳沉积。
推进剂（固态）：
聚乙烯能够产生较高的比冲；聚四氟乙烯烧结、掺杂或浸入其它推进剂，在相同能量下，掺碳推进剂的比冲高。
推进剂（气态）：
缺点：推力器结构复杂度提升；缺乏高速供给阀门 (推进剂过量喷出，导致推进剂损失)；优点：推进剂选用范围更广；冲量能量比适用范围更广；点火重复性更好；减少滞后烧蚀和大颗粒物；比冲和推力效率都有所提升。
氩：容易获得较高的比冲；在良好的工作状态下能够实现极高的脉冲频率。氙：高比冲，高推力功率比。
推进剂（液态）：
优点：精确的推进剂控制（质量流率）；比冲和推力效率可能更高；如果与精确的推进剂供给系统一起使用，能够消除滞后烧蚀；消除碳和氟的沉积（与PTFE相比）；消除推进剂的不均匀烧蚀；可能减少电极侵蚀；缺点:结构、系统复杂度增加。
4.2.2.3 电路优化
通常，为了提高推力效率我们应该降低总电阻，初始电感和单次烧蚀质量，同时我们应该增加电容。
在实验研究中，由于所有参数都是相互关联的，因此无法隔离每个变量以进行优化。总电阻和初始电感由电容器的属性和推进器的几何参数决定。电容器和电极之间的电感起着重要作用。通过更改几何参数可以降低初始电感。
振荡波形是由LCR电路和推进器之间的阻抗不匹配引起的，同时这也表明其电传输效率差。通过优化推进器的电路可以优化阻抗匹配。脉冲网络可以使放电与推进器相匹配。不过需要注意的是脉冲网络仅适用于几百焦耳高能量水平的PPT。
放电振荡会缩短电容器的寿命。可以使用固态二极管来防止电流反转。但是，这将减少推力器的元冲量。电容器寿命的改善，需要牺牲推力器电路效率等其他因素。
4.3 其他
PPT放电过程可以测的参数还有推力大小，放电通道内磁场分布，推进剂表面温度，推力器组件表面温度等物理量。
4.3.1 推力测量
国内比较典型的是电磁天平法，由航天科技集团公司102所设计并制造，在国内许多研究部门得到应用。其工作原理如下：在重力场中，根据重力对物体的作用特性，调节到随遇平衡状态，消除自重对推力测量的影响；利用负恢复力矩系数补偿正恢复力矩系数，消除供电系统、供气系统对测量的影响，从而精确测量微小推力。有关文章表明，能够达到的测量准确度为5mN，±2.6％；100mN，±0.18％，6h漂移误差最大不超过2％。该设备已经在多家科研单位得到应用。
另一种较常见的方法为吊摆法，分为直接测量法和间接测量法。直接测量法是将推力器吊起，在推力器工作后测量推力器的后冲位移，再根据推力器的质量，计算出推力。这种方案的优点是直接测量推力器的位移，根据力平衡原理，推力器所受到的反作用力即等于推力器的推力，简单直观。部分大型推力器的推力测量就是采用这种方法。然而，对于微推力器，推力器系统的质量比较大(约5kg)，而推力又比较小，只有mN量级。因此工作时推力器产生的位移非常小，在摆长为lm的情况下，每次的位移约为几个gm至几十个gm，与测量系统的本体噪声、机械泵引起的真空舱的振动、吊摆的残留摆动等信号属于同一个数量级，从而使测量信号淹没在噪声中，造成无法准确测量。标靶间接测量方法与直接测量法相反，推力器固定不动，利用推力来推动标靶偏移，根据标靶的偏移量测出标靶受到的冲击力，再根据冲击力计算出推力器产生的推力。这种方法的优点是可以有效地减小测量系统的本体噪声对测量结果的影响。缺点是由燃气对标靶产生的冲击力来反推推力是一个复杂的射流问题，难以得到很精确的测量结果，因此精度较低。
4.3.2 放电通道内的磁场分布
为获取电磁场时间和空间分布的准确信息，需要对近场电磁场特性进行实验测量。由于放电通道内瞬态电场强度高达数千V/m，无法采用直接测量的方法，但电场分布趋势与磁场近似一致。因此可采用对放电通道内不同位置处的磁场强度进行测量，进而分析获取放电电磁场分布的相关信息。
4.3.3 推进剂表面温度测量
在PPT推进剂表明温度测量实验中，为不影响到的正常放电，测量热电偶布置在推进剂棒两侧，采取工作的同时进行温度数据的采集方式。结合PPT的装配，将推进剂侧面绝缘片卸除，推进剂棒2个侧面各安置3个热电偶，分别距推进剂放电端面3mm，距推力器阳极6mm、12mm和18mm。
五、 实验结论
本次实验通过测量PPT放电烧蚀质量，放电过程中的电压电流变化结合PPT性能计算公式得到了该PPT样机在1720V的工作电压下的性能参数包括电效率、比冲、效率等参数。通过此次实验进一步认识到PPT工作的一些特点比如：放电时间短、放电电流大等。在实际计算中发现计算得到的性能参数比冲、效率与相关资料显示的有较大差异，分析原因主要在于元冲量计算结果较大。
元冲量理论分析公式之所以计算结果较大，分析其主要原因可能如下所设计存在推进剂绝缘板等附加装置，使得实际磁压作用的端面的宽度要大于电极宽度，即高宽比小于计算值。同时，在公式的推导过程中，假设电极间的等离子体导电薄片都具有相同的单位宽度电流，且电导率为无穷大。这一假设使得公式中的放电电流要大于真实值。因此，电磁元冲量估算值要大于实际值。
气动元冲量公式的推导，假设了推进剂气流扩散是一个等熵过程，且发生在一个固定的平面内。同时还假设电容器中所有能量在推进剂电离前全部转化为放电电弧能量，放电通道中的电流片非常薄，而这一假设只在放电脉冲长度不大于1μs时才近似成立。否则，
PPT作为一种高可靠性的电磁式推力器，是最早应用于航天器上的电推进技术，它拥有高比冲、体积小、结构简单、质量轻等优点，成为诸多国家各研究单位的热研项目。其发展前景十分可观，必将在未来的航天器中应用更加广泛并发挥重要作用。
参考文献
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