作为一种微电推进装置,脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)已在多次太空飞行任务中获得应用。但PPT的放电作为一种脉冲弧放电,重复性不高,在有限点火次数的姿态调整与轨道控制任务中,脉冲元冲量的随机性带来的影响不可忽略。火花塞作为PPT的点火启动装置,其放电随机性是影响PPT放电重复性的重要因素,提高火花塞等离子体羽流的稳定性是改善PPT主放电重复性的重要技术途径。火花塞放电羽流的速度是火花塞的重要状态参数,是羽流放电和演化的结果。因此羽流速度的测量是表征火花塞放电特性的重要手段,羽流速度的变化可以体现放电过程的变化,羽流速度的重复性可以反映火花塞的脉冲重复性。同样地,PPT羽流特性也可以作为PPT放电脉冲重复性的重要指标,目前,针对PPT羽流的诊断研究比较广泛,包括了羽流形态、时间演化、羽流飞行速度和等离子体特性等,但是针对火花塞放电羽流的研究不多,原因在于火花塞作为PPT的触发器件,其放电被认为对PPT放电的引燃很重要,但对于PPT放电进程影响不明显。相较于PPT放电,火花塞放电的体积小、持续时间短、等离子体密度低。但是作为点火器件,PPT放电起始阶段的毫厘之差,有可能导致PPT羽流状态的千里之失,所以很有必要研究火花塞放电的脉冲重复性及其影响。本文发展了一种测量火花塞羽流速度的双探针飞行时间(TOF)方法。火花塞放电脉冲仅为微秒量级,可以基于飞行时间测量原理进行羽流速度的测量。本文采用两组双探针作为传感器,利用等离子体羽流的导电性,设计了羽流TOF系统。研究了该系统的多种测量模式以及其优缺点,确定了适应于火花塞羽流测量的测量模式,该模式也可以适用于PPT羽流的诊断。测速系统由探针及其驱动电路组成,其中,探针部分包括两组典型的双探针,分别放置于羽流路径上的两个不同位置,驱动电路则为两个独立的阻容放电电路,探针分别串联其中。电路的直流电源在放电脉冲的无放电间隔对驱动电容完成充电,在羽流脉冲持续并流经探针期间,电容经探针间羽流导电而放电。通过测量两组探针的放电时段,并计算二者的时间差便可得到羽流飞行速度。相对于羽流的空间电位,探针回路可采用正、负电压驱动。研究了正负电压驱动下测速系统的基本性能。结果表明:(1)正电压驱动时,由于探针间隙电位较羽流空间电位高,羽流中电子被探针吸引形成干扰电流,致使测速回路电流信号畸变严重,无法合理确定探针放电开始时刻。相反,负电压驱动时,探针间隙电位低于羽流空间电位,羽流中电子被排斥,因此探针回路电流几乎不受影响,负电压驱动测速探针具有明显优势。(2)随负驱动电压增加,探针间隙的放电呈现两种模式,即导通和击穿。两种模式均可用于测量羽流速度,测量结果相近。但是,导通模式对驱动电压要求严苛,而击穿模式更容易实现。利用负电压驱动的测速探针开展了火花塞羽流速度的测量并初步研究了火花塞放电参数与羽流速度的相关性。充电电压与放电脉宽是火花塞放电的两个关键参数,改变两个参数均能有效调节火花塞放电能量。首先研究了火花塞放电能量维持不变时羽流速度的随机性和离散性,结果表明:维持放电能量不变,重复多次放电时羽流通过测速探针的飞行速度不是一致的,具有离散性,放电能量为31 mJ时,飞行距离为2 cm,测得飞行速度分布于4.10 km/s-13.55 km/s之间,平均值为8.37 km/s,这表明火花塞羽流的飞行速度具有一定的随机性,即火花塞放电具有随机性。火花塞放电能量为2 mJ-31 mJ的范围内,产生的羽流平均速度分布范围为8.37 km/s-11.76 km/s,羽流速度的离散范围为4.04 km/s-24.21 km/s,几乎与放电能量无关。为了分析离散性的起因,利用探针导通模式对比研究了羽流的飞行时间,确认了探针击穿模式下的飞行时间离散是由于羽流速度离散和探针间隙击穿随机共同导致的,其中,击穿随机可通过提高探针驱动电压以及缩短探针到火花塞的距离加以抑制。