2022 年 12 月

第 43 卷 第 12 期

Dec. 2022

Vol.43 No.12

推 进 技 术

JOURNA L O F PRO PU L S ION TECHNO LOGY

210269-1

脉冲羽流速度的双探针飞行时间测量模式对比 *

刘 洋 1

，王尚民 2

，袁凤宝 1

，张家良 1

（1. 大连理工大学 三束材料改性教育部重点实验室，辽宁 大连 116024；

2. 兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000）

摘 要：用于飞行时间 （TOF） 测量的双探针可以根据偏压不同而工作在导通和击穿模式。本文以

脉冲等离子体推力器 （PPT） 的火花塞羽流作为测量对象，研究双探针TOF方案不同模式的优缺点和功

能适用性。结果表明，导通模式的双探针信号微弱且易受干扰，导致羽流到达时刻 （PAT） 测量不可

靠。击穿模式可以正、负电压驱动，只要重复测量次数足够多，两种击穿模式测得的羽流平均速度一

致。然而两种击穿模式的测量离散性差别很大，正击穿模式的结果离散性很小，因为正电压探针的击穿

电压低，而且击穿时刻相对于火花塞点火时刻的延迟比较稳定。与之相反，负电压探针击穿电压高，击

穿不稳定，延迟起伏大，虽然提高驱动电压，可以使击穿延迟的起伏一定程度减小。因此，利用正击穿

模式，通过多次测量可估算击穿时刻延迟的离散分布，进而分析火花塞羽流飞行时间的离散。正击穿模

式的双探针TOF方案可以作为脉冲羽流速度随机性的一种评价手段。

关键词：双探针；脉冲等离子体推力器；羽流速度；飞行时间法；击穿模式

中图分类号：TL61+

2 文献标识码：A 文章编号：1001-4055（2022）12-210269-10

DOI：10.13675/j.cnki. tjjs. 210269

Measurement Modes of Time-of-Flight Method Using

Double Probe for Pulsed Plume Velocity

LIU Yang1

，WANG Shang-min2

，YUAN Feng-bao1

，ZHANG Jia-liang1

（1. Key Laboratory of Material Modification by Laser，Ion and Electron Beams （Ministry of Education），

Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；

2. Key Laboratory of Vacuum Technology and Physics，Lanzhou Institute of Space Technology Physics，

Lanzhou 730000，China）

Abstract：The double-probes for time of flight（TOF）measurement can be operated with conduction or

breakdown modes depending on bias. A spark plug，which usually triggers pulsed plasma thruster（PPT），is ap⁃

plied as a plasma plume generator to analyze the operation modes of a TOF double-probe and explore its function.

The results show that the double-probe signals in conduction mode are too weak to achieve reliable plume ar⁃

rival time（PAT）measurement. On the other hand，if the probes are driven to breakdown mode by either

positive or negative bias，the plume velocity measurement can be achieved and the resultant average veloci⁃

ty agrees to each other if enough measurements are repeated. However，the measured PAT scatters in very

different range because positive biased probes can breakdown at lower voltage and with more stable relative

* 收稿日期：2021-05-06；修订日期：2021-12-27。

基金项目：国家自然科学基金青年项目（12005087）。

作者简介：刘 洋，硕士生，研究领域为脉冲等离子体羽流诊断。

通讯作者：张家良，博士，教授，研究领域为低温等离子体物理与诊断。

引用格式：刘 洋，王尚民，袁凤宝，等 . 脉冲羽流速度的双探针飞行时间测量模式对比［J］. 推进技术，2022，43（12）：

210269. （LIU Yang，WANG Shang-min，YUAN Feng-bao，et al. Measurement Modes of Time-of-Flight Method

Using Double Probe for Pulsed Plume Velocity［J］. Journal of Propulsion Technology，2022，43（12）：210269.）

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delay to plug fire than negative biased probes. On the contrary，negative breakdown of probe needs much

higher voltage and goes more unsteadily，although bigger biases can make it stable in something. Via posi⁃

tive breakdown mode，the scattering of TOF can be analyzed by eliminating the delay scattering of probe

breakdown. In conclusion，the double probe TOF with positive breakdown mode can be a method to ap⁃

proach the velocity randomness of plasma plume pulses.

Key words：Double probe；Pulsed plasma thruster；Plume velocity；Time of flight （TOF）；Breakdown

mode

1 引 言

电推力器是先进航天推进技术的代表，在轨道

维持、姿态控制、甚至轨道转移等航天任务中具有明

显的潜在优势，尤其是在寿命和推重比等指标方面

明显优于化学推力器，多种类型的电推力器已经开

展了航天任务的在轨验证。电推进器的等离子体羽

流诊断，是改进推力器性能、提升推力器精密可控性

的 基 础［1-2］，人 们 使 用 多 种 手 段 ，如 ：朗 缪 尔（Lang⁃

muir）探针、压力探针、光谱、质谱与高速摄影等，对等

离子体羽流的电子温度、密度、羽流成分、羽流方向

性和羽流速度等开展了多方位广泛研究［3-5］

。羽流速

度是决定推进器比冲的关键，针对等离子体羽流的

复杂成分，速度测量方式也不尽相同。

对于羽流中的离子，其速度可利用各种不同的

带电粒子探测器进行测量，如：Mach 探针、法拉第杯、

Langmuir 探针等方法测得［6-7］。其中 Mach 探针是通

过测量两个反向放置的平面单探针收集到的离子流

强测量离子速度的马赫数［8］

。

飞行时间（TOF）技术最初是用于测量流场中微

小粒子速度［9］

，后来扩展应用于测量分子、离子等微

观 粒 子 的 速 度［10］，并 且 基 于 此 发 展 了 TOF 质 谱 技

术［11］

。TOF 技术应用于电推力器羽流诊断的基本目

的是通过测量羽流速度进而评估其推力或者元冲量

等性能指标［12-13］

，一般是将羽流速度测量与推力测量

同 时 进 行 ，并 互 相 对 比 验 证 ，以 保 证 测 量 精 度［14］。

TOF 技术中飞行时间传感器是保证速度测量精度的

关键，传感器需要准确、可靠、及时地响应到达的离

子或者等离子体脉冲。静电探针是测量等离子体密

度的最常用方法，所以也是等离子体羽流 TOF 技术

的常用传感器［15］，给不同位置的探针施加适当偏压

而收集到的探针电流脉冲可用来测量飞行时间［6，16］

。

也可以利用法拉第杯采集羽流脉冲经过不同位置时

形成的离子电流脉冲以计算飞行时间［17-19］

。羽流一

般是发光的，所以还可使用高速拍照、光敏元件等测

量羽流的发光脉冲经过探测位置的时刻以测量飞行

时间，但发光测量对探测器灵敏度和光电转换速度

要求很高，而且，为了实现高精度时间测量，需要设

计高空间分辨能力的光路。

虽然 TOF 技术具有原理简单的优点，可以直接

测量羽流速度，但是测量精度及适用性与时间传感

器的灵敏度及飞行时间计算方法密切相关。虽然可

用作 TOF 传感器的技术原理多种多样，但采用不同

原理和计算模型时，测量精度与适用范围差别很大。

为了确保 TOF 技术的测量准确性和实用性，需要针

对 TOF 传感器的原理、工作模式等特性开展详细探

索。静电探针作为等离子体羽流的 TOF 常用传感

器 ，尽 管 探 针 本 身 的 原 理 与 实 用 技 术 已 有 大 量 研

究［20］

，但作为 TOF 传感器，其功能不再是诊断等离子

体参数，而是用于感知等离子体羽流的到达与否，适

用性和精确性尚有待于深入研究予以明确，因为静

电探针包括多种类型和各种各样的适用条件［20］

.

静 电 双 探 针 作 为 等 离 子 体 的 基 本 诊 断 工 具 之

一，具有结构简单、对等离子体干扰小和不易受电磁

干扰等优点，比静电单探针更多用于测量脉冲羽流

速度［21］。与双探针相比，单探针对等离子体的扰动

远大于双探针，而且单探针回路电流流经的等离子

体范围大（探针尖与接地壳体之间的区域），所以放

置间距不大的两个单探针的回路电流流经区域重

叠，因而无法保证所感知等离子体羽流位置的相互

独立性。目前通常利用双探针开展脉冲羽流速度测

量［22-23］

，具体方案是：将数组双探针放置在羽流路径

的不同位置，羽流到达探针时，探针回路中便有电流

发生，记录探针电流的出现时刻便可得到羽流到达

时刻，由此计算羽流飞行时间。如在双探针电路中

增加缓存电容，且电容充以足够高的电压，当羽流经

过探针间隙时，可使羽流气体发生击穿导致电容放

电，记录电容的放电开始时刻，也可计算飞行时间，

因此双探针 TOF 方案中，探针可以处于导通和击穿

两种模式。虽然有两种模式的使用报道［22-24］

，但是尚

未见专门关于适用性和优缺点的研究。

火花塞是脉冲等离子体推力器（PPT）的常用点

第 43 卷 第 12 期 脉冲羽流速度的双探针飞行时间测量模式对比 2022 年

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火装置，其放电等离子体是 PPT 放电的火种。火花塞

放电的羽流具有发光体积小、持续时间短和发光强

度衰减快等特点［25-26］，作为一种短脉冲等离子体羽

流，非常适合作为 TOF 技术的研究靶标。

为提高双探针 TOF 方案的适用性，本文开展 TOF

双探针不同工作模式的对比研究，以明确其适用性。

利用自行设计的 TOF 双探针，以 PPT 的火花塞放电产

生的羽流为测试对象，研究双探针 TOF 方案的不同

模式的运行特性以及用于飞行时间测量的优缺点，

对比分析测量结果的可靠性，探索提高准确性的方

法，拓展双探针 TOF 方法的功能。

2 方 法

本文所用实验装置包括放置于真空腔室中的火

花塞及其羽流下游的两组双探针、火花塞驱动电源、

探针驱动电路（各元件均置于金属屏蔽盒中，以屏蔽

火花塞放电脉冲的电磁干扰）和测量装置，如图 1 所

示，图中展示了火花塞与双探针的相对位置，以及双

探针驱动电路细节，没有显示真空腔体及火花塞电

源。探针的驱动电路包括可调直流电源、缓存电容

和充电电阻等构成，其中缓存电容 C1=C2=10nF，充电

电阻 R1=R2=100kΩ。探针 P1，P2的尖端为直径 0.4mm、

外露长度 10mm 的圆柱形钨丝，氧化铝陶瓷管为探针

尖提供支撑和电绝缘，探针尖间距为 1mm。

两组双探针于羽流路径上相隔一定距离置于火

花塞端面的中垂线上。离火花塞端面较近的探针

（以下称为 P1

）到火花塞的距离为 L1，较远的探针（以

下称为 P2

）到火花塞的距离为 L2，两组双探针便构成

了飞行时间探针（TOF 探针）。

TOF 双探针驱动电路需满足如下要求：（1）缓存

电容的特征放电时间不能远大于羽流持续时间，以

确保羽流持续期间电容能充分放电，放电曲线清晰。

（2）充电时间常数应远大于放电时间常数，同时应远

小于火花塞放电脉冲的间隔，以确保放电间隙可充

分对缓存电容充电。而探针的放置应尽量减小对火

花塞等离子体羽流的干扰，且应便于探针间隙的导

通。本文中根据火花塞羽流的范围，选择 L1=1cm，而

L2=2~3cm 可变，既避免 P1离火花塞端面太近，又避免

P2太远而导致信号信噪比太低。

驱动电路的直流电源经充电电阻对缓存电容充

电，当火花塞羽流流经探针时，缓存电容经探针间隙

放电，放电期间电源对电容的充电可以忽略。利用

示波器记录缓存电容放电波形，从中计算电容放电

的开始时刻，作为羽流到达探针的时刻，进而得到羽

流流经两组探针的时间差，根据探针间距 L2-L1可得

羽流飞行速度。火花塞放电的电流及电压波形分别

使用电流线圈（I coil）及高压探头（HV probe）予以监

测，并以火花塞击穿时刻作为测量计时零点。

3 结果与讨论

3.1 导通模式与击穿模式

缓存电容器施加于探针间隙的电压称为探针驱

动电压。一般双探针及其驱动电路均悬浮于等离子

体空间电位以下，以确保两个探针尖从等离子体收

集等量的电子流和离子流。TOF 双探针电路与一般

双探针回路不同，缓存电容的一个电极接地，使得探

针及其电路并非悬浮于羽流等离子体中。当探针驱

动电压较小时，缓存电容放电是由于等离子体羽流

的导通所致，探针间隙不发生额外电离，此为探针间

隙的导通模式。当探针驱动电压足够高时，羽流的

到达为探针间隙提供放电气体和种子电子，可诱发

探针间隙的气体击穿，使得缓存电容迅速放电，此即

探针间隙的击穿模式。本节研究探针间隙不同放电

模式的特点。

3.1.1 导通模式的基本特点

图 2 是导通模式 TOF 探针缓存电容典型放电电

压波形，实验条件为：火花塞点火能量为 60mJ 左右；

P1距离火花塞端面 1cm（L1=1cm），P2距离火花塞端面

3cm（L2=3cm），即飞行距离为 2cm；缓存电容充电电压

为 50V。图 2 中的黑色曲线是火花塞的放电电压波

形，红色曲线是 P1的电容放电波形，绿色曲线是 P2的

电容放电波形，时间零点设定为火花塞的击穿点火

时刻，即火花塞电压波形的峰值时刻。黑色波形显

Fig. 1 Schematic of the double probe TOF (spark plug and

their driving circuits)

第 43 卷 第 12 期 推 进 技 术 2022 年

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示 ：火 花 塞 的 击 穿 电 压 约 600V，放 电 持 续 时 间 为

13.7μs，维 持 电 压 在 30～80V。 对 比 红 色 与 绿 色 曲

线，P1的电容放电速度比下游快，其电压自 50V 放电

至 32V。而 P2 的电容却仅放电降至 45V。无论 P1 还

是 P2，探针间隙导通对电容放电都不彻底，放电压降

值小（P1，P2分别为 18V 及 5V）。而图 2 中两条电容放

电曲线的噪音幅度约 2V，与放电降幅相比，噪音幅度

过大。而且火花塞点火对电容放电曲线也形成强烈

干扰信号，所以导通放电曲线的信噪比较差。

由于导通模式下电容放电曲线信噪比差，很难

直接可靠测得羽流到达时刻。对放电曲线进行数值

平滑运算是一种常用的改善信噪比的处理方法。图 3

是对图 2 的两条放电曲线进行多项式拟合平滑处理

的结果以及根据式（1）计算得到的导通电流波形。

电容放电电流计算公式为

I (t) = C (dU/dt) （1）

式中 C 是电容量，U 是电容电压。

图 3 中红、绿线仍然对应 P1，P2。电流波形峰值

时刻即为羽流等离子体团到达探针的时刻。图 3（b）

显示羽流到达 P2的时刻 t2反而早于到达 P1的时刻 t1，

显然不合理，其原因是探针电容的原始放电曲线信

噪比较低，尤其是 P2的放电曲线信噪比太低。可见，

TOF 探针的导通模式，由于信噪比问题，无法保证测

量到合理可靠的羽流飞行时间。

3.1.2 击穿模式的基本特点

当探针间隙施加足够大的驱动电压时，羽流到

达探针将导致探针间隙的气体击穿。根据图 1 所示

的驱动电路，如果直流电源输出电压对地为正，那么

双探针间隙的电势均为对地正电位，称为探针的正

电压击穿模式。若直流电源电压对地为负，则构成

探针的负电压击穿模式。本节以正电压击穿模式为

例，阐述击穿模式的基本特点。采用与图 2 相同的火

花塞放电条件和探针参数，探针驱动电压为+900V，

图 4（a）是缓存电容的击穿放电曲线，与图 2 相同，黑

色波形是火花塞放电电压，红色波形是 P1电容放电

曲线，绿色波形是 P2 电容放电曲线。对比图 2，图 4

（a）中的火花塞电压波形，二者一致，说明探针的较大

驱动电压没有对火花塞放电产生影响。而两条电容

放电曲线表明，击穿模式下电容放电迅速充分，电压

降至火花塞羽流维持电位。对比图 4（a）中的两条电

容放电曲线，可发现电容的放电速率不一致，P1放电

速率明显快于 P2，这是因为下游羽流密度较低，电容

放电速率随之减缓。在几乎所有实验测量条件下，

上下游探针的击穿放电速率都不一致。为了得到羽

流到达时刻，本文采用与导通模式同样的数据处理

方法。根据式（1）对电容放电曲线求导以计算击穿

电流波形，如图 4（b）所示，可见 P1的放电电流峰具有

较小的时间宽度但较大峰值，而且峰值时刻位于 P2

之前，根据两个电流波形的峰值时刻（视为羽流到达

时刻），可计算羽流飞行时间。

3.2 正电压击穿模式

当探针分别施加正、负驱动电压时，探针相对于

Fig. 3 Deduction of probe current from voltage waveform of buffer capacitors

Fig. 2 Typical discharge voltage waveforms of the spark

plug and buffer capacitors

第 43 卷 第 12 期 脉冲羽流速度的双探针飞行时间测量模式对比 2022 年

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羽流等离子体空间电位呈现不同的偏置状态，影响

羽流电子在探针间隙的空间分布，因此探针的击穿

行为有所不同，本节讨论 TOF 双探针正击穿模式。

如图 4（a）中的火花塞电压曲线所示，在火花塞

羽流等离子体维持期间，其维持电压为 30～80V，可

见羽流空间电位对地电位而言为正，因此当 TOF 探

针被较大正电压（>100V）驱动发生击穿时，探针间隙

相对于羽流是正偏置的，因此羽流中的电子便在探

针间隙内富集，成为探针击穿的种子电子。

3.2.1 击穿条件

探针间隙的气体击穿是由种子电子辅助的击穿

过程，因此击穿电压与种子电子密度有关。维持火

花塞放电能量为 60mJ 不变，为探针施加不同的正电

压，根据探针击穿与否，统计击穿次数，可以分析探

针击穿可靠性和与施加电压的关系。为此，两组双

探针放置于 L1=1cm，L2=3cm 处，施加相同驱动电压，

电压为 100～900V。对于每个驱动电压，统计两组探

针在 30 次火花塞点火中发生的击穿次数，发现两组

探针的击穿行为几乎相同，统计结果如图 5 所示，探

针击穿电压均处于 100～200V，而大于 200V 的电压

可保证探针间隙可靠击穿。可见，放置于不同位置

的探针，探针间隙都可以在较低正电压下实现稳定

击穿。即正驱动探针的击穿稳定，随机性不大。

3.2.2 击穿时刻的随机性

探针间隙的击穿是在火花塞羽流等离子体的诱

导下发生的，因此击穿发生时刻（击穿时刻）相对于

火花塞点火有一定延迟，延迟时长存在随机性。为

了分析延迟随机性，根据 3.2.1 节的结果，施加确定的

400V 电压，可保证探针可靠击穿。图 6 是 P1，P2 的 8

次击穿放电波形，火花塞放电条件与图 2 相同。图 6

中也展示了同步测量的火花塞放电波形，黑、红色分

别代表火花塞电压和电流，其余彩色波形是 8 次电容

放电的波形。仍以火花塞点火时刻为计时零点，8 条

电容放电曲线几乎重合，表明探针击穿时刻重复性

较好，P1击穿发生于火花塞击穿后约 0.5μs。

为了抑制击穿时刻起伏，需要分析影响击穿时

间的因素。图 7 是 P1，P2击穿时刻的多次测量值的统

计分布（L1=1cm，L2=3cm），驱动电压在 200～900V 选

择，间隔为 100V，每个电压测量 30 次，共 240 次。对

Fig. 6 Positive biased probe discharge waveform for 8 plug

fires

Fig. 4 Discharge waveforms of spark plug and probes with positive breakdown mode

Fig. 5 Dependence of breakdown counts of P1 on positive

bias voltage

第 43 卷 第 12 期 推 进 技 术 2022 年

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P1而言（图 7（a）），电压为 600V 时击穿时刻起伏最小，

约为 0.10μs，击穿时刻分布范围为 0.41～0.51μs，平

均值为 0.46μs；而驱动电压为 300V 的起伏最大，为

0.20μs，击穿时刻分布范围为 0.39～0.59μs，平均值

0.48μs。在 200～900V 的击穿电压范围内，P1的击穿

时刻随机性随电压变化不大，尤其是电压大于 300V

时，击穿时刻更为稳定，平均值为 0.48μs，起伏平均值

仅为 0.15μs。

图 7（b）是 P2的击穿时刻随电压的变化，可见各

种电压下击穿时刻平均值随电压增加逐渐减小，从

1.76μs 降低至 1.38μs，减小约 22%，这是由于较大的

正电压对羽流电子有更大吸引，导致羽流速度有所

加速。击穿时刻的起伏范围随驱动电压的变化不

大 ，电 压 为 200V 时 击 穿 时 刻 起 伏 约 为 0.26μs，至

700V 略增为 0.40μs。综合考虑探针电压对击穿时刻

及其起伏的影响，探针偏压在 400V 左右较为恰当，既

保证 P1的击穿时刻起伏最小，又保证对 P2的击穿时

刻均值影响不大。

综上，选择合适驱动正电压可以使得 P1，P2击穿

时刻都比较稳定，只要正驱动双探针击穿时刻的起

伏小于羽流飞行时间，便可以用于直接测量羽流飞

行速度。

不过，需要指出：虽然两组探针的击穿时刻起伏

差别不大，但 P2的起伏明显大于 P1，这是因为羽流自

P1到达 P2途中，火花塞的不同放电羽流的速度也有一

定差异，所以 P2击穿时刻的起伏包含了羽流飞行时

间起伏的影响。

3.3 负电压击穿模式

与正驱动探针不同，如果电源输出电压对地为

负，则探针间隙的电位相对于羽流是负偏置，因为火

花塞羽流空间电位为正，所以羽流到达探针附近时，

其电子被探针排斥，而探针间隙内富集离子充当探针

间隙击穿的种子，负偏置探针的击穿电压明显较高。

3.3.1 击穿条件

采用与图 5 相同的火花塞放电条件与测量方法，

针对 P1 开展负驱动击穿次数统计，得到结果见图 8。

可见，探针电压处于 0~-500V 时，击穿不可靠，即火

花塞的有些放电能够导致探针击穿，其他的则不能，

但探针击穿的发生概率随着驱动电压升高而增加。

具体来说，驱动电压为-300V 时，30 次放电中击穿 7

次，-400V 时，30 次放电中击穿 23 次，而当驱动电压

提升至-600V 时，探针间隙能可靠击穿，即探针的最

低完全击穿电压为 600V，明显高于图 5 显示的正击

穿电压（100～200V）。

3.3.2 击穿的随机性

当探针偏压低于-600V，探针间隙的放电具有随

机性，随机发生导通或击穿模式。采用与图 6 相同的

火花塞放电条件，且 P1，P2同样放置于 L1=1cm，L2=3cm

处，当施加-400V 电压时，如图 9 显示了两个双探针

的放电波形，其中的蓝色波形为 P1击穿放电波形，可

见 P1发生了击穿，而绿色的 P2波形仅显示为导通模

式。图中，黑、红色波形是火花塞的电压波形和电流

Fig. 7 Dependence of probe breakdown delay on positive bias voltage

Fig. 8 Dependence of breakdown counts of P1 on negative

bias voltage

第 43 卷 第 12 期 脉冲羽流速度的双探针飞行时间测量模式对比 2022 年

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波形。P1的放电过程可分为前后两个阶段：（1）第一

阶段中，羽流前段到达探针仅导致间隙导通，此过程

大约持续 4μs。（2）第二阶段中，随着羽流主体的到

达，探针间隙发生击穿，缓存电容电压迅速降至羽流

的维持电压。

图 10 中除了火花塞的放电电压和电流（黑色与

红色波形）外，还显示了 P1 的 8 次电容放电波形，即

图中的 8 条彩色波形，与图 9 相比，探针偏压略减小

为-380V。可以看出，即使保持火花塞的放电条件不

变，火花塞的不同点火脉冲诱导的探针击穿时刻也

有明显差别。图 10 的 8 次电容放电曲线中，有 5 次击

穿发生在火花塞放电脉冲持续期间，击穿时刻分布

于 5～8μs，对比图 6 可知，负偏压探针的击穿时刻随

机性明显增大。另外，还有 2 次击穿发生于火花塞放

电脉冲之后，此时火花塞放电已结束，这种击穿不属

于羽流诱导的击穿，与羽流到达时刻无关联。同时

还有 1 次火花塞放电没有诱导探针击穿。可见，负偏

压探针的放电呈现三种形态，三种形态的发生具有

随机性。

3.3.3 击穿随机性的抑制

图 8 结果显示：随着负偏压的提高，探针放电模

式 的 随 机 性 可 完 全 抑 制 。 对 于 P1 而 言 ，当 偏 压 超

过-600V 时，探针能够可靠击穿，其他两种形态可被

抑制。然而，即使能够确保探针击穿，也还需要抑制

击穿时刻的随机。

为此，在与图 7 相同的火花塞放电条件下，对两

组探针施加-100～-1400V 的不同电压，多次测量探

针的击穿时刻，结果见图 11。图中显示了 14 个不同

驱动电压的结果，电压间隔为 100V，每个电压下进行

30 次测量，共 420 次。左右两图中分别包括了 420 个

黑色数据点，展示 P1与 P2的 420 次击穿时刻测量值的

离散情况，而红色数据点为每个电压下 30 次测量的

平均值。可以看出，图 11 与图 7 中的数据离散程度

不同，无论 P1还是 P2，负探针击穿时刻的起伏范围明

显大于正探针，而且击穿时刻平均值与探针偏压的

相关性也明显大于正探针。以 P1 为例，偏压超过600V 直到-1400V，击穿时刻起伏范围在 2.0～3.0μs，

与图 7 左图相比，负探针的击穿时刻起伏值比正探针

的典型起伏值大一个量级以上（10～15 倍）。另一方

面，无论 P1还是 P2，图 11 显示的负探针击穿时刻均值

明显滞后于图 7 所示的正探针，这是由于羽流提供给

探针间隙的种子电荷种类不同所致。对于负探针，

Fig. 11 Dependence of probe breakdown delay on negative bias voltage

Fig. 9 Negative probe discharge waveform for conduction

and breakdown modes

Fig. 10 Negative biased probe discharge waveform for 8

plug fires

第 43 卷 第 12 期 推 进 技 术 2022 年

210269-8

探针种子电荷为羽流中的离子，而离子的雪崩电离

能力弱于电子，负探针击穿需要更高浓度的种子电

荷，所以需要更高密度的羽流阶段到达探针尖间隙

才能触发击穿。对比图 11（a），（b）两图，与图 7（a），

（b）类似，负电压驱动下，P2的击穿时刻平均值仍比 P1

滞后，反映了羽流自 P1~P2的飞行过程。另外，P2的击

穿时刻离散范围明显大于 P1的，这仍是由于羽流飞

行速度的随机离散所致。负探针击穿时刻与驱动

电 压 的 显 著 相 关 意 味 着 提 高 驱 动 电 压 可 以 有 效

抑 制 击 穿 时 刻 随 机 性 。 对 于 P1 而 言 ，偏 压 超 过 -

800V 直 到 -1400V，击穿时刻的起伏范围由 6.0μs 降

至在 2.0～3.0μs。对于 P2而言，高驱动电压对击穿时

刻随机性的抑制效果更明显。例如：驱动电压为100V 时，P2的击穿时刻起伏范围达到 13.30μs（分布

范围为 1.1～14.4μs），远大于该电压下的平均击穿时

刻 7.5μs。当驱动电压增至-1400V 时，P2的击穿时刻

分布于 2.1～4.5μs，起伏范围减小为 2.4μs，起伏范围

已经小于击穿时刻平均值 3.6μs。

虽然提高电压可以有效抑制负驱动探针击穿时

刻的随机性，但是较高的负偏压还导致探针击穿时

刻的平均值显著减小，这表明探针偏压对羽流有明

显加速作用，所以过高探针负偏压会使羽流飞行速

度偏离其初生速度。综合对比探针的正击穿和负击

穿模式，无论是探针偏压对羽流的干扰程度，还是探

针击穿时刻的稳定性，需要更高驱动电压的负电压

探针不如正电压探针更具优势。

3.4 正、负击穿模式评估羽流速度

根据 3.2，3.3 节的结果，TOF 探针的正、负击穿模

式用于飞行时间测量时，测量结果的精度以及准确

性都有明显差别。本节将对比正、负击穿模式评估

羽流速度离散性方面的优劣。

图 12 是针对火花塞的同一点火工况（与图 7 和

图 11 的火花塞放电条件相同），设置不同飞行距离，

分别开展 30 次火花塞放电，测量计算得到的羽流速

度结果。图中数据自左往右分别为：左侧第一组点是

飞行距离 1cm（L1=1cm，L2=2cm）、+900V 电压的结果，

测量速度分布于 13.5～22.0km/s（离散幅度 8.5km/s），

其中红点显示平均速度 15.6km/s；第三组为飞行距离

1cm，-1400V 电压的数据，速度分布在 7.4～42.4km/s

（离散幅度 35.0km/s），平均速度为 16.0km/s。第二组

是飞行距离 2cm（L1=1cm，L2=3cm）、+900V 电压下的

数据，速度分布于 19.0～26.7km/s（离散幅度 7.7km/s），

平均速度为 23.2km/s；第四组是飞行距离 2cm，-1400V

电压的结果，速度范围为 15.4～38.6km/s（离散幅度

23.3km/s），平均速度为 24.5km/s。可见，当 TOF 探针

飞行距离相同，火花塞羽流工况也相同时，正、负击

穿 模 式 测 得 的 羽 流 平 均 速 度 很 接 近（偏 差 不 大 于

5%），这表明，使用正、负驱动探针，只要测量次数足

够多，均能可靠测量脉冲羽流平均速度。尤其是正

探针，虽然多次测量的速度结果也存在离散性，但离

散幅度明显小于平均值，远小于负探针结果的离散

幅度。当飞行距离更大时，测得的羽流速度更高，这

表明羽流的飞行不是匀速的，飞过不同距离的平均

速度有所不同。

考虑到正击穿模式测量结果的离散性很小，而

且飞行时间的测量离散可以视为探针击穿时刻的离

散与飞行速度离散两部分的叠加，探针击穿时刻的

离散可认为就是 P1击穿时刻的离散范围。图 13 是对

30 次火花塞放电使用+900V 驱动的 P1测得的击穿时

刻统计分布。经查，P1 击穿时刻位于 0.39～0.53μs，

按照 0.010μs 的间隔，统计位于各间隔内的次数，即

图 13 中的 10 个黑色数据点，红色曲线则是对 10 个数

据点的拟合，即 P1的击穿时刻分布曲线。该曲线半

高 宽 约 为 0.055μs，此 即 P1 探 针 击 穿 时 刻 的 离 散

范围。

Fig. 12 Plume average velocity and velocity scattering

using different measurement modes

Fig. 13 Statistics of 30 measured breakdown delay of

probe P1

第 43 卷 第 12 期 脉冲羽流速度的双探针飞行时间测量模式对比 2022 年

210269-9

对于任一次 TOF 测量，若 P1 击穿时刻记为 t1，P2

击穿时刻记为 t2，则此次测量的飞行时间为 t=t2-t1。

对于图 12 中最左侧的 30 个黑色数据点（L1=1cm，L2=

2cm，+900V 电压）对应的飞行时间测量值，采用图 13

同样的统计方法，可以得到飞行时间的测量分布曲

线、平均值（0.66μs）及其半高宽（约 0.18μs），即飞行

时间的测量离散范围 Δ=0.18μs，而羽流速度起伏导

致的飞行时间起伏 δt 只是其中一部分，即 Δ=δt+δt1+

δt2，所以 δt=Δ-δt1-δt2，δt1和 δt2分别是 P1，P2的击穿时

刻离散范围。考虑两组探针的一致性，可以认为 δt1

=δt2=0.055μs，所以可以计算 δt=0.07μs。结合该 30 次

测 量 采 用 的 飞 行 距 离（1cm）和 平 均 飞 行 时 间

（0.66μs），可以计算出此 30 次火花塞放电的羽流速

度离散范围为 δv=1.65km/s。如果忽略探针击穿时刻

离散的影响，直接利用飞行时间测量离散 Δ=0.18μs，

则估算飞行速度的离散范围则为 4.25km/s。可见探

针击穿时刻的随机性能够明显影响羽流速度随机性

的评价。考虑到 P2处于羽流的更下游，P2的击穿时刻

离散 δt2有可能大于 δt1，所以探针击穿离散的影响可

能比上述估算结果更大。不过，对于正驱动探针而

言，相对于飞行时间（如：0.66μs），探针击穿时刻的离

散很小（约为 0.055μs），因此估算其影响时，忽略 P1与

P2击穿时刻离散的差别，对估算结果影响不大，所以

正驱动 TOF 双探针可以用于评估羽流速度的起伏

程度。

4 结 论

本 文 以 火 花 塞 放 电 产 生 的 脉 冲 羽 流 为 测 量 对

象，实验研究了 TOF 双探针方案的不同工作模式，对

比了探针的导通与击穿模式以及正负电压驱动方案

的优缺点，得到如下结论：

（1）导 通 模 式 TOF 探 针 电 流 信 号 微 弱 ，信 噪 比

差，飞行时间测量不可靠，而击穿模式信号信噪比

高，只要测量次数足够多，无论正、负驱动电压，均可

测得羽流平均飞行速度，且结果一致。相同工况下，

探针的正击穿电压远低于负击穿电压。

（2）与导通模式不同，击穿模式的 TOF 探针电流

信号持续时间远小于羽流持续时间，因此探针击穿

发生于羽流持续的某个时刻，而不是羽流全程。正

探针的击穿时刻更为集中，离散性小。负探针的击

穿时刻离散性大，为了羽流平均速度可靠测量，负探

针需要更多次数的测量统计平均才行。

（3）通过分析 TOF 探针正击穿时刻的分布，可定

量评估探针的击穿离散在飞行时间测量离散中的占

比，从而可对羽流飞行速度的随机性进行估算，即正

击穿模式 TOF 探针可作为脉冲羽流飞行速度随机性

的评价手段。

致 谢：感谢国家自然科学基金青年项目资助，感谢兰

州空间技术物理研究所电推进事业部的试验条件支持。

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（编辑：朱立影）