上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240

自20世紀電推進概念出現(xiàn)以來，電推進技術(shù)吸引了各國科學家們的廣泛關(guān)注。隨著航天技術(shù)高速發(fā)展，微小衛(wèi)星應用領(lǐng)域迅速擴展，微小衛(wèi)星對高精度編隊飛行、精確姿態(tài)控制、大氣阻力補償、軌道機動等能力的需求凸顯，對比沖高、功率小、質(zhì)量小、推力大范圍可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊的微型推進系統(tǒng)的需求越來越迫切[1-2]。

電推進技術(shù)是一種利用電能加熱、離解和加速推進劑工質(zhì)，最終使其形成高速羽流而產(chǎn)生推力的技術(shù)。電推進技術(shù)具有比沖高、質(zhì)量小、穩(wěn)定可靠、壽命長等優(yōu)勢，攜帶少量的推進劑即可長時間工作，增加了航天器的有效載荷，延長了航天器的壽命。電推進技術(shù)分為多個種類，如離子推力器(Ion Thruster)、霍爾推力器(Hall Effect Thruster)、電弧推力器(Arcjet Thruster)和場發(fā)射電推力器(Field Emission Electric Propulsion，F(xiàn)EEP)等。其中，場發(fā)射電推力器是一種推力小且調(diào)節(jié)精度高、效率高、比沖高(4 000～12 000 s)的推力器，適用于微納衛(wèi)星的超高精確姿態(tài)控制、編隊飛行和大氣阻力補償?shù)鹊取EEP的工作原理是：工作狀態(tài)下，經(jīng)過加熱后的液態(tài)金屬推進劑在毛細作用下，通過發(fā)射極表面的微細溝道持續(xù)不斷地輸送到發(fā)射極尖端；同時，利用高壓電源給吸極和發(fā)射極間施加6～13 kV的高壓電場，根據(jù)場發(fā)射和場蒸發(fā)的原理，金屬離子在表面張力和電場力作用下，形成泰勒錐，最終形成發(fā)射羽流，原理如圖1所示[3-5]。其發(fā)射極的形狀有針、毛細管和狹縫3種類型。

目前，國內(nèi)外都對FEEP展開了一系列研究。德國的德累斯頓工業(yè)大學研制出一種用于實現(xiàn)立方體小衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整和軌道控制的NanoFEEP。這種推力器采用多孔鎢針作為發(fā)射極，采用金屬鎵作為推進劑，體積小于3 cm3，質(zhì)量小于6 g，能夠持續(xù)產(chǎn)生從亞微牛到8 μN范圍的微推力，推力峰值可以達到22 μN[6]。奧地利研究中心與歐洲航天局致力于毫牛級FEEP的研究，結(jié)合針型和毛細管型發(fā)射極的優(yōu)點，研制出環(huán)狀分布的28針“皇冠發(fā)射極”。兩個“皇冠發(fā)射極”組合可測得功率推力比為80 W/mN，比沖高于6 000 s，最大推力為1.28 mN[7-8]。中國科學院力學研究所針對FEEP應用研究中的工程化等問題，對比了作為推進劑的鎵和銫的物性，分析其對熱蒸發(fā)、推力和比沖大小、發(fā)射尖端升溫等影響，證明了推進劑鎵對銫的良好替代性。并且，解決了狹縫潤濕問題，研制出狹縫式鎵場發(fā)射電推力器，進行了點火試驗[9]。上海交通大學研制出針式銦場發(fā)射電推力器，并成功實現(xiàn)點火，最大推力可達到30 μN；但存在點火特性不夠穩(wěn)定、壽命較短的問題[10]。

圖1 FEEP原理Fig.1 The principle of FEEP

銦是眾多研究機構(gòu)在針式FEEP推力器中選用的主流推進劑。銦的熔點較高(156.1 ℃)，導致FEEP推力器的加熱能耗和加熱裝置的尺寸都較大，限制了其在對功耗和尺寸具有嚴格要求的航天器上的使用。而與銦同族的鎵的熔點較低(29.76 ℃)，具有大幅降低FEEP推力器尺寸和功耗的潛力。

國外的德累斯頓工業(yè)大學已經(jīng)展開鎵FEEP推力器的研制；在國內(nèi)，中科院研制過狹縫式鎵FEEP推力器。但總體而言，國內(nèi)對針式鎵FEEP推力器的研究進度相對滯后，尤其是對針式微型鎵FEEP推力器的研究。目前，對電推力器的小型化和低功率等要求越來越高，成為各學者關(guān)注的熱點。在此背景下，本文對針式微型鎵FEEP推力器進行研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制加熱功率，研制出國內(nèi)首臺實驗樣機。本文針對潤濕問題和點火特性展開試驗和仿真，解決了潤濕不充分的問題，分析了潤濕溫度和幾何參數(shù)對點火特性的影響。推力器實驗樣機的研制對于微型鎵FEEP推力器的工程化具有一定的意義，試驗結(jié)果也有助于選擇合適的推力器參數(shù)，提高點火性能。微型鎵FEEP推力器在微納衛(wèi)星執(zhí)行空間探測任務(wù)等方面具有很好的應用前景，但是，目前研制出的推力器實驗樣機存在長時間工作后性能降低等問題，仍需要進一步優(yōu)化。

1 微型鎵場發(fā)射電推力器的研制

本文的研制工作主要分為發(fā)射針的制備、發(fā)射針的潤濕和推力器樣機研制3個部分，目標是設(shè)計出微小尺寸和功率的針式鎵場發(fā)射電推力器。推力器的尺寸對加熱功率的影響非常大，為了減少能量耗散，需要盡可能地縮小尺寸。但由于推力器是在高壓下工作，尺寸和各部件之間的間隙過小會很容易發(fā)生擊穿打火現(xiàn)象。因此，研制過程優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證各部分接觸良好，合理利用溝槽和筋板，避免發(fā)生打火。另外，為了提高推力器工作性能，應提高各部件的加工精度，控制形位公差，使發(fā)射針和吸極保持良好的同軸度。

1.1 發(fā)射針的制備

為了提高針尖處的尖端電壓，發(fā)射針針尖半徑一般只有數(shù)微米。常規(guī)的機械加工方法難以加工出滿足要求的錐形鎢針尖，所以采用電化學腐蝕的方法。

選用表面有微細溝槽的0.5 mm直徑的鎢桿作為陽極，不銹鋼圓環(huán)作為陰極，在一定濃度的NaOH溶液中發(fā)生反應[11-13]。另外，為了使鎵能夠潤濕發(fā)射針表面且流動良好，加深鎢桿表面的微細溝槽，采用交流電源供電，在NaOH溶液中反應進行粗化。制備完成的發(fā)射針的顯微圖片如圖2所示。發(fā)射針表面附著有很多的雜質(zhì)，需要清洗處理，否則會影響到鎵在表面的潤濕和流動性[13-14]。

圖2 制備完成的發(fā)射針顯微圖Fig.2 Prepared emitter micrograph

1.2 發(fā)射針的潤濕

在電推力器的工作過程中，推進劑鎵通過發(fā)射針表面源源不斷地流向針尖形成羽流。為了保證發(fā)射的穩(wěn)定性，金屬鎵需要在發(fā)射針表面保持良好的流動性。因此，在電推力器工作前，需要對發(fā)射針表面進行潤濕處理，形成金屬鎵的液膜。

對于FEEP來說，潤濕一直都是核心環(huán)節(jié)和技術(shù)難點。美國的桑迪亞國家實驗室在解決銦在鎢毛細管中的潤濕問題時就遇到了難題，并最終放棄FEEP的研究[15]。鎢針表面存在的氧化層，油污等雜質(zhì)難以徹底去除，與銦同族的鎵在鎢針表面的潤濕性很差。

Thomas Young在1804年提出的楊氏方程是研究潤濕性的經(jīng)典理論[16]：

σsg-σlgcosθ-σls=0

即：

cosθ=(σsg-σls)/σlg

式中：θ為接觸角；σsg為固-氣界面張力；σlg為液-氣界面表面張力；σls為固-液界面表面張力。楊氏方程給出了固-液-氣三相體系中接觸角與各界面間表面張力的關(guān)系。潤濕理論指出，固體的表面能越高，或者液體的表面張力越小，潤濕性越好。但通常來說，固體的表面能難以改變，應嘗試改變液體的表面張力。溫度越高，液-氣界面表面張力越小(即液體表面張力越小)，σls也就越小，接觸角θ越小。接觸角θ用來表征潤濕性的好壞，如圖3所示，接觸角越小，潤濕性越好。所以，嘗試通過提高溫度來改善鎵在發(fā)射針表面的潤濕性[17-18]。

圖3 接觸角示意Fig.3 Contact angle diagram

鎵是淡藍色金屬，其熔點很低，在29.76 ℃時變?yōu)殂y白色液體。推進劑鎵在加熱熔化至液態(tài)時，進行在發(fā)射針表面的潤濕實驗。根據(jù)金屬鎵的理化性質(zhì)，鎵在潮濕空氣中會發(fā)生氧化，因此，在真空環(huán)境下進行潤濕試驗。潤濕采用螺旋進給裝置，讓發(fā)射針在熔化的金屬鎵中上下往復運動。試驗對比了發(fā)射針在不同溫度下的潤濕效果，其中，300 ℃和360 ℃下的潤濕效果如圖4所示。

由圖4可知，300 ℃時發(fā)射針表面覆蓋了薄層的鎵；而在360 ℃時，發(fā)射針表面的鎵層較厚，已經(jīng)完全包覆了針尖，潤濕效果大大提升。同時，試驗中發(fā)現(xiàn)，當溫度較低時(低于300 ℃)，潤濕效果會變差，發(fā)射針表面僅附著有少量的鎵。由此得到，溫度對潤濕效果的影響非常明顯。隨著溫度的提高，潤濕效果越來越好。總體而言，當溫度高于300 ℃時，鎵在發(fā)射針表面潤濕效果良好，發(fā)射針表面呈現(xiàn)銀白色。

國內(nèi)外學者在研究金屬離子源的過程中，對鎵的潤濕也采取了多種方法。比如，清華大學的董桂芳采用電子轟擊去除發(fā)射針表面氧化鎢的方法提高潤濕性，國外大多采用在真空中反復掛鎵的方法，但過程復雜或難以保證效果[19-21]。本文提出的通過提高溫度改變潤濕性的方法取得了良好的潤濕效果，且簡便易行。

因此，本試驗解決了鎵在發(fā)射針表面難以充分潤濕的難題；對比了不同溫度下的鎵在發(fā)射針表面潤濕效果，確定了溫度對潤濕效果的影響；并得到了能使?jié)櫇裥Ч己玫臏囟确秶?>300 ℃)。

1.3 推力器樣機研制

本文研制出的推力器樣機的優(yōu)勢主要有3點：首先，體積小，質(zhì)量小，外廓尺寸僅為Φ18.5 mm × 27 mm，可以有效降低微納衛(wèi)星的載荷。其次，加熱功率低，推力器工作時僅需要0.32 W的加熱功率，大大降低了能源消耗，在保證發(fā)射功率的基礎(chǔ)上降低總功率。最后，該推力器可以很方便地實現(xiàn)極間距(發(fā)射針頂點和吸極之間的間距)和吸極內(nèi)孔直徑的調(diào)節(jié)，有助于研究推力器在不同幾何參數(shù)下的性能。

本文研制的推力器樣機在設(shè)計時尤其注重在加熱部分的設(shè)計。采用定制的微型陶瓷加熱棒，外廓尺寸為Φ4 mm × 8 mm，陶瓷粉填充密實，外壁可以與10 kV以上的高壓直接接觸而不產(chǎn)生擊穿。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，保證存儲室與加熱棒的接觸緊密，減小其余零件與加熱棒接觸面積，提高了傳熱效率。上海交通大學研制的銦FEEP推力器的加熱功率約為6 W，相比之下，本文研制的推力器的加熱功率大大降低。

在進行推力器樣機設(shè)計時，綜合考慮發(fā)射針、電場強度、場發(fā)射電推力器壽命等各方面因素，得出微型鎵場發(fā)射電推力器的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 NanoFEEP主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

研制得到的微型鎵場發(fā)射電推力器實物如圖5所示。其主要組成部分有吸極、發(fā)射針、刻度盤、存儲室、加熱棒及附屬部件等。其中，刻度盤用來精確調(diào)節(jié)極間距。用來存放推進劑鎵的存儲室使用難加工的鉬材料。附屬部件選用聚醚醚酮(PEEK)，它具有極好的絕緣絕熱性能、良好的可加工性以及極好的化學穩(wěn)定性，完全滿足NanoFEEP樣機運行在高壓條件下的要求。

圖5 微型鎵場發(fā)射電推力器Fig.5 NanoFEEP thruster

2 性能測試和分析

微型鎵場發(fā)射電推力器的發(fā)射性能受到多方面因素的影響，如潤濕溫度、幾何參數(shù)、傳熱性、電場力大小和分布等。為測試和分析各因素對推力器性能的影響，在真空環(huán)境下進行點火試驗。

2.1 點火試驗

利用真空艙進行抽真空，在一臺羅茨泵，兩臺旋片泵，兩臺分子泵的工作下，真空度能夠達到5.4×10-4Pa。在真空環(huán)境下，首先對推力器存儲室中的鎵和發(fā)射針進行加熱，讓推進劑鎵和發(fā)射針針尖的溫度超過鎵的熔點29.76 ℃。在點火之前，對發(fā)射針針尖在真空環(huán)境下的加熱溫度進行了標定。根據(jù)金屬導體的熱電效應，在室溫25 ℃的條件下采用K型熱電偶進行標定，發(fā)射針針尖的溫度標定情況如圖6所示。為了提高鎵在發(fā)射針表面的流動性，試驗中將溫度加熱到50℃左右。由圖6可得，在真空中0.32 W的加熱功率可以讓發(fā)射針的針尖溫度達到這一溫度[22-23]。

圖6 針尖溫度標定Fig.6 Tip temperature calibration chart

從0 kV開始緩慢提高電壓，在剛開始時，無電流產(chǎn)生，發(fā)射針針尖處無亮光；當電壓繼續(xù)提高到某一數(shù)值時，瞬間產(chǎn)生了電流(可將此時的電壓稱為起始點火電壓)，但依然觀察不到亮光；隨著電壓進一步升高，電流逐漸增大，觀察到發(fā)射針針尖處發(fā)出的紫色亮光，且亮度隨著電流的增大而提高。當電流達到300 μA以上時，金屬離子發(fā)射產(chǎn)生的紫色亮光十分明顯，如圖7所示。

圖7 點火現(xiàn)象Fig.7 Ignition phenomenon

2.2 不同潤濕溫度下的點火特性

使用360 ℃和300 ℃兩種溫度下潤濕完成的發(fā)射針進行點火試驗，觀察潤濕溫度對點火特性的影響。選取內(nèi)孔直徑為4 mm的吸極，調(diào)節(jié)極間距為250 μm，觀察點火現(xiàn)象并測量發(fā)射電流，得到不同潤濕溫度下的I-V曲線，如圖8所示。

圖8 不同潤濕溫度的點火I-V曲線Fig.8 Ignition I-V curves under different wetting temperatures

由圖8可知，同等電壓下，潤濕溫度的提高會使發(fā)射電流增大，改善點火性能；起始點火電壓隨著潤濕溫度的提高而降低。這是因為潤濕溫度越高，鎵的潤濕性越好，越能促使推力器的發(fā)射。馬向國等在研制鎵離子源的過程中也發(fā)現(xiàn)了潤濕性對發(fā)射性能的重要影響，潤濕性越好，發(fā)射性能越好[24]。需要說明的是，如果潤濕溫度過高，會加速潤濕實驗裝置的耗損，應該盡量控制溫度低于380 ℃。

2.3 不同幾何參數(shù)下的點火特性

除了潤濕溫度以外，幾何參數(shù)的改變也會影響推力器性能。本文針對吸極內(nèi)孔直徑和極間距這兩個主要的幾何參數(shù)進行了試驗分析。選取300 ℃下潤濕的發(fā)射針，分別改變這兩個參數(shù)進行試驗。首先，控制極間距為250 μm不變，分

別使用內(nèi)孔直徑為2 mm、4 mm、6 mm的吸極，測得點火的I-V曲線，如圖9所示。其次，控制吸極內(nèi)孔直徑為4 mm不變，分別調(diào)節(jié)極間距為250 μm、500 μm、750 μm，測得點火的I-V曲線，如圖10所示。

圖9 不同吸極內(nèi)孔直徑的點火I-V曲線Fig.9 Ignition I-V curves under different inner hole diameters of absorbing pole

圖10 不同極間距的點火I-V曲線Fig.10 Ignition I-V curves under different pole spacing

由圖9、圖10可得，發(fā)射電流隨著電壓的增大而增大；而在同等電壓下，吸極內(nèi)孔直徑越小，極間距越小，發(fā)射電流越大，點火性能越好，起始點火電壓也會降低。在吸極內(nèi)孔直徑為2 mm，極間距為250 mm時，最大發(fā)射電流可以達到350 μA左右。德國德累斯頓大學研制的鎵NanoFEEP推力器的最大發(fā)射電流可達到250 μA[6]；段君毅通過計算得到，極間距越大，發(fā)射針尖端電場強度越小[10]。但二者缺少對不同幾何參數(shù)下的點火特性的試驗驗證。

因此，本文的試驗有利于選擇出合適的幾何參數(shù)來提高發(fā)射電流，可以為推力器實驗樣機工程化過程中的參數(shù)選擇提供參考。應選擇極間距為250 mm，吸極內(nèi)孔直徑為2 mm，此時，同等電壓下的發(fā)射電流將得到明顯提高。吸極內(nèi)孔直徑和極間距不能過小，否則會在極間產(chǎn)生擊穿打火現(xiàn)象，影響發(fā)射電流的穩(wěn)定性。

2.4 理論推力

微型推力器工作時產(chǎn)生的微推力是評估推力器性能的重要指標。微推力測量過程中的影響因素很多，如環(huán)境噪聲和振動帶來的影響，測量系統(tǒng)的誤差，氣動力和電磁力之間的相互作用等[25-26]。目前，針對毫牛級別的微推力測量的技術(shù)較為成熟，精度很高；但針對微牛級別的微推力測量對試驗環(huán)境和測量系統(tǒng)的要求極高。本文中研究的微型鎵場發(fā)射電推力器的推力大小為在數(shù)微牛到數(shù)十微牛之間，普通的微推力測量裝置難以準確測量，測量難度極高，精度往往難以保證。但根據(jù)能量守恒和動量守恒理論可以推導場發(fā)射電推力器的理論推力公式，國外文獻中通過試驗比對給出了修正系數(shù)，可以推出[27]：

式中：F為微推力(μN)；I為發(fā)射電流；m為單個的鎵離子質(zhì)量(取值1.161×10-25kg)；e為元電荷(取值1.6×10-19C)；c為修正系數(shù)(取值0.8)；U為極間電壓。根據(jù)理論公式，選取極間距為250 μm，吸極內(nèi)孔直徑為2 mm，300 ℃潤濕條件下測得的電流數(shù)據(jù)，得到理論推力如圖11所示。理論推力隨電流的變化基本上保持線性，與國外的實測數(shù)據(jù)相近[6]。

圖11 理論推力Fig.11 Theoretical thrust

3 電場仿真

微型鎵場發(fā)射電推力器工作過程中受到電場、熱場和流場的耦合作用，機理較為復雜。發(fā)射針表面的鎵推進劑主要受到液體表面張力和靜電力的綜合作用，當兩個力達到平衡時，液態(tài)鎵在發(fā)射針針尖形成泰勒錐，有如下關(guān)系[27]：

式中：γ為液體的表面張力系數(shù)；E為電場強度；r1和r2分別為發(fā)射極頂部曲面任意點處的曲率半徑。

在高壓真空工作狀態(tài)下，場發(fā)射極間電場強度的計算十分復雜，利用Comsol軟件進行仿真[28-29]。顯微鏡下觀察得到：發(fā)射針經(jīng)過酸洗后桿部直徑為300 μm，針尖錐角為直角；充分潤濕之后，發(fā)射針桿部均勻附著一層厚度為50 μm的推進劑鎵，針尖處形成的液體半徑約為15 μm。鎵離子的發(fā)射是個復雜的動態(tài)過程，伴隨著針尖處泰勒錐的形成，液態(tài)鎵在錐頂形成拉伸的球冠狀。段君毅在對銦FEEP推力器極間電場的研究過程中，對泰勒錐錐頂半徑在1～10 nm時的電場強度進行了計算[10]。本文主要是為了分析不同極間距和吸極內(nèi)孔直徑對發(fā)射針尖端電場強度的影響，取泰勒錐錐頂半徑為1 nm，簡化處理為圓角，建模如圖12所示。

圖12 仿真建模圖Fig.12 Simulation modeling diagram

在20 mm×20 mm的真空區(qū)域中，給發(fā)射針的電勢為10 kV，吸極接地，發(fā)射針尖端電場強度的仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。圖13是極間距為250 μm，吸極內(nèi)孔直徑在1～6 mm范圍時的電場模，圖14是吸極內(nèi)孔直徑為2 mm，極間距在125～750 μm范圍時的電場模。

結(jié)果說明，發(fā)射針尖端的電場強度隨著吸極內(nèi)孔直徑和極間距的增大而減小。一般來說，F(xiàn)EEP在尖端電場強度達到109V/m以上才能正常工作，仿真結(jié)果與國內(nèi)外研究情況相符[10,30]。這一仿真結(jié)果也解釋了幾何參數(shù)對點火特性的影響：不同幾何參數(shù)下的發(fā)射針尖端電場強度發(fā)生改變，電場強度才是影響點火特性的根本，電場強度越大，發(fā)射電流越大。

圖13 不同吸極內(nèi)孔直徑的電場模Fig.13 Electric field norm under different inner hole diameters of absorbing pole

圖14 不同極間距的電場模Fig.14 Electric field norm under different pole spacing

4 結(jié)束語

本文解決了真空環(huán)境下鎵難以充分潤濕等問題，研制出了低功率的微型鎵場發(fā)射電推力器，完成一系列的試驗和分析。但是，推力器存在長時間工作后穩(wěn)定性降低的問題，另外，實驗樣機的工程化，微推力的精確測量等問題仍需要進一步研究。下面列出具體的研究結(jié)論和成果：

1)注重對結(jié)構(gòu)的絕緣絕熱設(shè)計，采用定制的微型陶瓷加熱棒給推力器加熱，減小熱功率。研制出了國內(nèi)首臺針式微型鎵場發(fā)射電推力器實驗樣機，該樣機體積小，質(zhì)量小，幾何參數(shù)(吸極內(nèi)孔直徑和極間距)可調(diào)。

2)用提高潤濕溫度的方法解決了鎵在鎢針表面難以充分潤濕的難題；試驗對比了溫度對潤濕效果的影響，溫度越高，潤濕效果越好，溫度大于300 ℃時潤濕效果良好。

3)成功實現(xiàn)微型鎵場發(fā)射電推力器的點火，當發(fā)射電流較大時(>300 μA)，發(fā)射針針尖處有紫色亮光，點火現(xiàn)象明顯，推力器點火存在起始點火電壓，低于此電壓時無發(fā)射電流。

4)潤濕溫度的提高，吸極內(nèi)孔直徑和極間距的減小，有利于提高發(fā)射電流，提升點火性能，起始點火電壓也會變小，更容易實現(xiàn)點火。發(fā)射電流隨著極間電壓的增大而增大，最大可達到350 μA。通過試驗對比，選擇出能使發(fā)射電流明顯提高的幾何參數(shù)：極間距為250 mm，吸極內(nèi)孔直徑為2 mm。因此，試驗結(jié)果可以為推力器實驗樣機工程化過程中的參數(shù)選擇提供參考。另外，根據(jù)發(fā)射電流，給出了由公式計算得到的理論推力。

5)仿真得到不同幾何參數(shù)(吸極內(nèi)孔直徑和極間距)下的發(fā)射針尖端電場強度，也即發(fā)射針尖端電場模，電場模在109V/m量級。同等電壓下，吸極內(nèi)孔直徑越小，極間距越小，尖端電場強度越大，發(fā)射電流越大。仿真結(jié)果也解釋了為什么幾何參數(shù)的改變會改變發(fā)射電流。