劉子健，沈巖,*，耿金越，劉旭輝，秦宇

1. 北京控制工程研究所，北京 100190 2. 先進(jìn)空間推進(jìn)技術(shù)實驗室，北京 100190 3. 北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)研究中心，北京 100190

近年來，微納衛(wèi)星由于其微小尺寸、低成本、短研發(fā)周期等特點(diǎn)，在一系列空間應(yīng)用中得到快速發(fā)展，立方星是其中的一個典型應(yīng)用。單組元的立方星尺寸為10 cm ×10 cm ×10 cm，質(zhì)量在1 kg以內(nèi)[1]。隨著立方星的不斷發(fā)展，針對立方星的微推進(jìn)系統(tǒng)研究也相應(yīng)展開。場發(fā)射電推力器由于其微小化、高比沖、低功耗、精確推力可調(diào)等特點(diǎn)，非常適合用作微小衛(wèi)星，特別是立方星的高精度姿態(tài)控制，因此近年來得到廣泛的關(guān)注和研究。與此同時，場發(fā)射電推力器在空間引力波探測等先進(jìn)空間科學(xué)任務(wù)中也可以得到應(yīng)用。由于應(yīng)用前景良好，場發(fā)射電推力器逐漸成為近年來微推進(jìn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前國內(nèi)外針對場發(fā)射電推力器展開了廣泛的研究，通過對已報道出的推力器產(chǎn)品的性能進(jìn)行調(diào)研分析，可看出根據(jù)發(fā)射的帶電粒子的荷質(zhì)比不同，場發(fā)射電推力器具有不同的發(fā)射模式，可分為液滴模式、射流模式和離子模式。推力器的推力性能主要受其發(fā)射模式的影響。其中由液態(tài)金屬銦/鎵/銫等作為推進(jìn)劑的場發(fā)射電推力器被稱為FEEP，其發(fā)射粒子為金屬離子，處于純離子發(fā)射模式；由高電導(dǎo)率的電解質(zhì)溶液(如甲酰胺的鹽溶液)作為推進(jìn)劑的場發(fā)射電推力器被成為膠體推力器，發(fā)射粒子由帶電液滴組成，可工作在液滴模式或射流模式；由離子液體作為推進(jìn)劑的場發(fā)射電推力器被稱為離子液體電推力器，發(fā)射粒子中可存在帶電液滴或帶電離子，可工作在3種不同模式下。

典型的膠體推力器如美國Busek公司的CMNT產(chǎn)品，該推力器工作過程中產(chǎn)生體積較大的帶電液滴[2]，推力器的比沖只維持在較低范圍。典型FEEP推力器如奧地利Enpulsion公司的使用液態(tài)金屬銦作為推進(jìn)劑的IFM Nano Thruster。該推力器工作過程中產(chǎn)生的為帶電金屬離子，在最大推力工況下，推力器比沖可達(dá)2 000～2 500 s；當(dāng)推力相對較低時，可達(dá)到高于4 000 s的比沖值[3]。美國Accion公司研制了一種應(yīng)用于立方星的微小化/模塊化離子液體電推力器iEPS，采用離子液體EMI-BF4作為推進(jìn)劑，其發(fā)射粒子由帶電液滴和帶電離子組成，比沖在1 000 s上下[4]。其中離子液體由于其高電導(dǎo)率、低飽和蒸汽壓、可產(chǎn)生不同種類的發(fā)射粒子等優(yōu)勢，近年來得到廣泛的研究，目前北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京機(jī)械設(shè)備研究所等中國高校和單位均針對離子液體電推力器展開了相關(guān)試驗研究，并研制了相應(yīng)的推力器樣機(jī)[5-8]。

不同發(fā)射模式下的場發(fā)射電推力器的工作參數(shù)相差甚遠(yuǎn)，例如離子液體電推力器的工作電壓可低于2 kV[9]，而FEEP推力器的工作電壓可能達(dá)到上萬伏[4]。在此基礎(chǔ)上，不同類型推力器的推力參數(shù)也大為不同，其發(fā)射電流/推力/比沖等可在較大范圍內(nèi)變化。針對不同的空間任務(wù)推力需求，需要場發(fā)射電推力器實現(xiàn)不同的推力效果。因此需要明確場發(fā)射電推力器的發(fā)射機(jī)理，明確不同模式的產(chǎn)生條件，并對不同模式下場發(fā)射電推力器的推力參數(shù)調(diào)控方法進(jìn)行分析。

本文首先闡述了不同模式下場發(fā)射電推力器發(fā)射過程的基礎(chǔ)物理機(jī)制，以此為基礎(chǔ)討論了多種形式的推力器參數(shù)選型與應(yīng)用方向。從對發(fā)射過程的物理機(jī)制的討論發(fā)現(xiàn)，由于離子液體電推力器在工作參數(shù)的調(diào)控下，可以工作在多種發(fā)射模式下，從而可以實現(xiàn)工作參數(shù)的大范圍調(diào)節(jié)。對此設(shè)想，我們進(jìn)行了初步的試驗驗證，通過試驗研究了一種離子液體電推力器的發(fā)射過程，對發(fā)射過程的液面形貌和發(fā)射電流進(jìn)行了采集，并對推力性能進(jìn)行了計算分析。試驗結(jié)果表明，通過改變外加電壓可以改變推力器的發(fā)射模式，進(jìn)而實現(xiàn)對推力參數(shù)的調(diào)控。本文的結(jié)論可為未來的推力器結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計提供參考。

1 場發(fā)射電推力器的基礎(chǔ)物理過程

1.1 場發(fā)射原理

場發(fā)射電推進(jìn)技術(shù)是靜電推進(jìn)技術(shù)的一種，其基本原理為在外加電場的作用下，從導(dǎo)電液體表面靜電抽取出帶電粒子，帶電粒子在電場中加速飛出從而產(chǎn)生推力。典型的場發(fā)射電推力器由發(fā)射極、抽取極、電源和推進(jìn)劑供給系統(tǒng)等組成，如圖1所示。隨著外加參數(shù)的不同，推力器會產(chǎn)生不同荷質(zhì)比的帶電液滴或帶電離子。

圖1 場發(fā)射電推力器原理示意Fig.1 Operation principle of field emission electric thrusters

圖2 不同發(fā)射模式電流曲線[10]Fig.2 Current curves in different emission modes [10]

圖2所示為文獻(xiàn)[10]研究的推力器發(fā)射模式隨電壓的變化關(guān)系。在場發(fā)射電推力器的發(fā)射過程中，存在液滴模式、射流模式和離子模式幾種不同的發(fā)射模式。以往的文章中對不同發(fā)射模式下的場發(fā)射推力器發(fā)射過程進(jìn)行了廣泛的研究?？梢钥闯鲈谳^低電壓條件下，即圖2(a)中左下角圈出的部分首先會出現(xiàn)液滴發(fā)射模式，在此模式下的發(fā)射電流值相對較低，且產(chǎn)生的帶電液滴尺寸與發(fā)射極孔徑在同一量級。液滴模式下的發(fā)射狀態(tài)如圖3(a)所示[11]。隨電壓的增大，發(fā)射模式會逐步變?yōu)樯淞髂Ｊ?，射流模式下形成的電流較液滴模式有明顯提升，且此模式下的電流與電壓有較好的線性相關(guān)性，如圖2(a)(b)所示。在射流模式下的液面會形成泰勒錐結(jié)構(gòu)，并在錐尖處形成細(xì)的射流，射流末端由于射流破碎形成帶電的液滴群，此時形成的帶電粒子尺寸顯著降低，如圖3(b)所示。隨著電壓的繼續(xù)增大，當(dāng)液面處電場強(qiáng)度足夠大時，會出現(xiàn)離子發(fā)射模式，在離子模式下能得到電流隨電壓的指數(shù)相關(guān)性，如圖2(c)所示[12]。

圖3 不同發(fā)射模式圖像[11]Fig.3 Emission images of the thrusters[11]

在實際的推力器工作過程中，通過在發(fā)射極與抽取極之間加載高電壓，可以使得發(fā)射極出口處的液面具有一定的電場強(qiáng)度，當(dāng)電壓足夠高，使得液面處電場強(qiáng)度值足夠大時，即會將液面拉伸成泰勒錐，進(jìn)而形成發(fā)射。Lozano給出了在場發(fā)射電推力器的電場構(gòu)型下，開始產(chǎn)生發(fā)射所需的起始電壓計算公式如下[13]：

(1)

式中：γ為表面張力系數(shù);Rc為毛細(xì)管內(nèi)徑;ε0為真空介電常數(shù);d為針-板間距。由式(1)可以看出，起始電壓的數(shù)值的影響參數(shù)包括推進(jìn)劑物性以及推力器的幾何構(gòu)型。

1.2 發(fā)射的不同機(jī)制

(1)液滴模式

在場發(fā)射電推力器的工作過程中，在外加電壓值較低的情況下，會出現(xiàn)液滴發(fā)射模式，在此模式下發(fā)射的帶電粒子為大尺寸的帶電液滴，液滴尺寸與發(fā)射極孔徑相當(dāng)。由于體積較大，其粒子的荷質(zhì)比較相應(yīng)較低，文獻(xiàn)中指出一種液滴模式的典型工況下，帶電粒子荷質(zhì)比為10-8C/g量級[14]，與之相對的，典型的射流模式下粒子荷質(zhì)比在1 C/g以上，而離子模式下的帶電粒子荷質(zhì)比可達(dá)到100 C/g量級[15]。由于液滴發(fā)射模式下過于微小的帶電粒子荷質(zhì)比，此模式難以在空間推進(jìn)中得到使用。

(2)射流模式

當(dāng)作用在液體表面的電場強(qiáng)度足夠大時，液面在表面張力和電場力的共同作用下會形成穩(wěn)定的錐形結(jié)構(gòu)，即泰勒錐[16]，如圖4所示。

圖4 內(nèi)角為α的泰勒錐的幾何模型Fig.4 Geometry of a Taylor cone with inner angle α

泰勒的模型是建立在表面張力和電場力平衡之上，即：

(2)

式中：En為電場強(qiáng)度；R1和R2為液體表面特定點(diǎn)的曲率半徑。對于設(shè)定內(nèi)半角的錐結(jié)構(gòu)，R1是無窮大，R2=rtanα,r為錐表面一點(diǎn)距錐尖的距離。由式(2)可得到法向電場力的表達(dá)式：

(3)

式中：α為泰勒錐半角。從式(3)可看出，在逐漸靠近錐尖的過程中，液體表面的電場強(qiáng)度會不斷增大。當(dāng)電場強(qiáng)度足夠大時，電場力將克服表面張力的作用，將錐尖變形成一個細(xì)的射流，射流在電場作用下以高速遠(yuǎn)離錐結(jié)構(gòu)。在射流的末端，由于流動的不穩(wěn)定性等原因，射流將破碎成帶電的液滴或離子，這被稱為場發(fā)射電推力器的射流模式。

射流模式的產(chǎn)生是液體流動與外電場作用的耦合過程。文獻(xiàn)[17]中指出，在射流形成處液體的流動弛豫時間與電荷弛豫時間相當(dāng)，這可用公式可表示為：

(4)

式中：tres為流動弛豫時間；trel為電荷弛豫時間；Q為流量；r′為錐尖處曲率半徑；K為電導(dǎo)率。整理式(4),可得出一個特征長度為：

(5)

式中：r*為電荷弛豫長度。通過電荷弛豫長度可進(jìn)而得到射流半徑的計算公式為：

(6)

式中：Rjet為錐射流特征尺度；f(ε)為液體參數(shù)，由靜電常數(shù)決定。通過式(6)可以計算得到射流的特征尺寸參數(shù)。將射流半徑代入式(3)中，還可以計算出形成射流所需的電場強(qiáng)度值。此外，通過大量試驗得到了射流模式下的電流和式(7)很好的關(guān)聯(lián)性。此電流計算式能夠準(zhǔn)確預(yù)測液滴射流模式下的場發(fā)射電流值[17]：

(7)

(3) 離子模式

從式(3)可看出，法向電場隨靠近錐尖而逐步增大。最終，若電場足夠大，會直接從液體表面抽取出離子，這個過程被稱為場蒸發(fā)。場蒸發(fā)的發(fā)射條件和量化參數(shù)最早由Iribarne等提出[18]。場蒸發(fā)電流密度計算公式如下：

(8)

式中：j為離子電流密度；σ為液體表面電荷密度；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為系統(tǒng)溫度；h為普朗克常數(shù)；G0為蒸發(fā)自由能；E為外電場。由式(8)可知在場發(fā)射電推力器中，場蒸發(fā)的產(chǎn)生由外加電場強(qiáng)度控制，當(dāng)電場強(qiáng)度足夠克服液體蒸發(fā)自由能時，即可產(chǎn)生離子的場蒸發(fā)現(xiàn)象。由式(8)可得到產(chǎn)生大量離子發(fā)射所需滿足的電場強(qiáng)度條件為：

(9)

2 發(fā)射模式及推力參數(shù)的調(diào)控方法

2.1 發(fā)射模式的調(diào)控

在第1.2小節(jié)中闡述了場發(fā)射電推力器工作過程中可能出現(xiàn)的幾種不同發(fā)射模式以及各自的物理機(jī)制。由于外加電場的作用，發(fā)射極出口處的液面在電場力作用下拉伸突起，最終形成泰勒錐。隨著靠近錐尖，液面處的電場強(qiáng)度值會不斷增大，若電場強(qiáng)度滿足式(9)所示的條件，就會由場蒸發(fā)從液面上抽取出帶電離子，形成離子發(fā)射；在推進(jìn)劑物性和供給流量確定的條件下，射流的特征尺寸可通過式(6)進(jìn)行計算，進(jìn)而可以由式(3)計算得到產(chǎn)生射流所需滿足的電場強(qiáng)度條件。即通過對發(fā)射極液面尖端處電場強(qiáng)度的計算，可以對推力器所處的發(fā)射模式進(jìn)行判斷。

圖5(a)、圖6(a)、圖7(a)為分別使用液態(tài)銦/甲酰胺/離子液體EMI-BF4作為推進(jìn)劑計算得到的不同流量條件下射流產(chǎn)生所需場強(qiáng)和離子蒸發(fā)所需場強(qiáng)的量化關(guān)系。由于在確定的推進(jìn)劑下，場蒸發(fā)產(chǎn)生所需滿足的電場強(qiáng)度值為定值，不隨流量而變化，如圖中紅線所示；而射流產(chǎn)生所需場強(qiáng)如圖中綠線所示。而圖5(b)、圖6(b)、圖7(b)為不同流量下離子發(fā)射產(chǎn)生的電流值和射流產(chǎn)生的電流值的量化關(guān)系。圖中綠線所示為射流產(chǎn)生的電流；紅線所示為離子發(fā)射產(chǎn)生的電流。計算中采用的流量范圍為0.01～10 nL/s，采用的推進(jìn)劑物性參數(shù)如表1所示。

對圖5分析可看出，在液態(tài)銦作為推進(jìn)劑的情況下，不同流量時的場蒸發(fā)所需場強(qiáng)均遠(yuǎn)低于射流所需場強(qiáng)，因此更易產(chǎn)生離子發(fā)射，反映在電流組成上即為離子電流占據(jù)主導(dǎo)，即推力器工作在離子模式；類似地，從圖6可看出在以甲酰胺作為推進(jìn)劑的情況下，不同流量時的射流所需場強(qiáng)均遠(yuǎn)低于場蒸發(fā)所需場強(qiáng)，因此更易產(chǎn)生射流發(fā)射，反映在電流組成上即為射流電流占據(jù)主導(dǎo)，即推力器工作在射流模式。

表1 推進(jìn)劑物性參數(shù)

圖5 液態(tài)銦不同模式下場強(qiáng)/電流對比Fig.5 Electric field and current in different mode of liquid In

圖6 甲酰胺不同模式下場強(qiáng)/電流對比Fig.6 Electric field and current in different mode of formamide

圖7 EMI-BF4不同模式下場強(qiáng)/電流對比Fig.7 Electric field and current in different mode of EMI-BF4

而圖7的結(jié)果說明，采用離子液體EMI-BF4作為推進(jìn)劑時，推力器可以工作在不同的模式下。由圖7(a)可看出，以離子液體EMI-BF4作為推進(jìn)劑時，在低流量條件下場蒸發(fā)場強(qiáng)低于射流場強(qiáng)，因此更易產(chǎn)生離子發(fā)射；而在較高流量條件下場蒸發(fā)場強(qiáng)高于射流場強(qiáng)，因此更易產(chǎn)生射流發(fā)射。由第2.2小節(jié)的結(jié)果可推導(dǎo)出離子電流密度隨流量的減小而增大；而射流電流隨流量減小而減小的結(jié)論，如圖7(b)所示。當(dāng)流量非常小時，電流由離子電流占主導(dǎo)，推力器工作在離子模式，而隨著流量的增大，離子電流逐漸減小，同時射流電流逐漸增大，在圖7(b)中流量為0.2 nL/s附近，可以看到射流電流與離子電流相當(dāng)?shù)那闆r，可認(rèn)為此時處于混合發(fā)射模式；而隨著流量進(jìn)一步增大，離子電流快速降低，逐漸進(jìn)入射流模式。

通過以上分析計算可看出，通過改變場發(fā)射電推力器中所使用的推進(jìn)劑種類，可以對發(fā)射模式進(jìn)行調(diào)控，其中離子液體EMI-BF4可以工作在多種發(fā)射模式下，具有更大的調(diào)控范圍。

2.2 推力參數(shù)的選擇與調(diào)控

在場發(fā)射電推力器中，推力和比沖的計算可以由能量守恒方程得到。場發(fā)射產(chǎn)生的帶電粒子會在電場中加速飛出，從而產(chǎn)生推力。最終，輸入推力器的電能幾乎全部轉(zhuǎn)化為帶電粒子的動能，則帶電粒子在電場中最終達(dá)到的速度為：

(10)

式中：m為帶電粒子質(zhì)量；v為帶電粒子速度；q為粒子帶電量；φB為束流電壓。整理式(10)可以得到粒子在電場中加速后最終獲得的速度為：

(11)

進(jìn)而可以得到場發(fā)射電推力器的推力和比沖的計算公式為：

(12)

(13)

從式(12)(13)可以看出，場發(fā)射電推力器的推力性能受到抽取出帶電粒子的荷質(zhì)比q/m的影響，此外還受到外加電壓/供給流量等參數(shù)的控制。由第2.1小節(jié)的內(nèi)容可知，在實際的推力器工作過程中，根據(jù)所使用推進(jìn)劑的種類的不同，會使得推力器工作在不同的發(fā)射模式。當(dāng)采用膠體作為推進(jìn)劑時，推力器工作在射流模式，產(chǎn)生的為荷質(zhì)比低的帶電液滴，因此推力器產(chǎn)生的比沖較低，但可達(dá)到更高的推力；而采用液態(tài)金屬作為推進(jìn)劑時，推力器工作在離子模式，產(chǎn)生的為荷質(zhì)比高的帶電金屬離子，可達(dá)到更高的比沖，而推力則會相對下降；對于離子液體電推力器而言，由于在工作參數(shù)的調(diào)控下，推力器可以處于多種發(fā)射模式，推力器既可產(chǎn)生荷質(zhì)比高的帶電離子，也可以產(chǎn)生荷質(zhì)比高的帶電液滴，因此可以實現(xiàn)推力參數(shù)的大范圍調(diào)節(jié)。

3 試驗研究及結(jié)果分析

由于發(fā)射模式的不同，場發(fā)射電推力器的推力性能可以產(chǎn)生顯著的差異。特別是對于離子液體電推力器而言，在適當(dāng)?shù)耐屏ζ鹘Y(jié)構(gòu)下，僅僅調(diào)節(jié)工作電壓或流量，就可以使得推力器工作在不同的發(fā)射模式，進(jìn)而可以大范圍的調(diào)節(jié)推力器性能。因此我們設(shè)計了相應(yīng)的原理實驗，對離子液體電推力器的推力性能調(diào)節(jié)方法進(jìn)行驗證。為此設(shè)計了一種主動流量供給型的場發(fā)射電推力器，采用離子液體EMI-BF4作為推進(jìn)劑，通過改變外加電壓/流量/極板間距，進(jìn)行了大氣下發(fā)射試驗，對不同情況下的發(fā)射電流進(jìn)行采集，并通過計算得出相應(yīng)的推力和比沖。

3.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由離子液體電推力器、高壓及交變電源、電流采集系統(tǒng)、推進(jìn)劑供給系統(tǒng)、顯微攝像系統(tǒng)組成，如圖8所示。工作電源為一臺直流高壓電源，電源具有正負(fù)兩路輸出，可實現(xiàn)0～±10 000 V的電壓調(diào)控。高壓電源輸出的高壓由一臺電源交替開關(guān)控制，電源交替開關(guān)將直流高壓電源的正偏壓和負(fù)偏壓信號以1 Hz的頻率交替輸出。采用抽取極接高壓，發(fā)射極接地的電路連接方式，發(fā)射電流通過電流放大器進(jìn)行采集，采集到的電流信號可經(jīng)示波器輸出顯示電流波形并計算平均電流值。離子液體EMI-BF4通過注射泵進(jìn)行供給。為了對試驗中的場發(fā)射現(xiàn)象有更直觀的認(rèn)識，采用一臺CCD相機(jī)及相應(yīng)的遠(yuǎn)心鏡頭對發(fā)射極尖端的液面形貌進(jìn)行實時觀測。離子液體電推力器采用單個的石英材質(zhì)毛細(xì)管作為發(fā)射極，發(fā)射極內(nèi)徑0.3 mm，外徑0.5 mm。抽取極為一個直徑40 mm的不銹鋼圓板，中間開有1 mm的孔。發(fā)射極-抽取極之間的距離可以通過與抽取極相連的位移滑臺進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整精度為1 mm。

圖8 離子液體電推力器實驗系統(tǒng)原理Fig.8 Schematic of ionic liquid thruster experimental setup

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 大氣下場發(fā)射試驗

(1)發(fā)射模式隨電壓的變化

在大氣環(huán)境下，通過改變外加電壓值，對不同電壓時發(fā)射過程的電流信號進(jìn)行采集，得到了如圖9所示的不同電壓下發(fā)射電流波形曲線。通過圖9(a)(b)(c)的結(jié)果可看出，在較低電壓(3 160～3 580 V)時，推力器處于液滴發(fā)射模式，采集到的電流波形呈現(xiàn)周期性發(fā)射現(xiàn)象，并且發(fā)射頻率隨電壓的增大而增大。圖9(a)中的發(fā)射頻率約為100 Hz，而到圖9(c)時發(fā)射頻率則增大為約400 Hz。頻率隨電壓的正相關(guān)性與文獻(xiàn)[12]中的現(xiàn)象一致。隨著電壓的繼續(xù)增大，發(fā)射模式由液滴模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞髂Ｊ?，電流波形也由之前的周期性發(fā)射變?yōu)閳D9(d)所示的穩(wěn)態(tài)波形。

(2)外加電壓對發(fā)射電流的影響

通過對不同電壓下采集到的電流曲線進(jìn)行分析計算，得到發(fā)射電流隨外加電壓的變化規(guī)律如圖10所示。試驗中發(fā)射極與抽取極間距為4 mm，供給流量為6 μL/h。分別采用抽取極接正高壓和負(fù)高壓的加電方式進(jìn)行相應(yīng)試驗，推力器分別產(chǎn)生負(fù)電荷和正電荷，得到如圖10所示的兩種模式下推力器的電壓-電流曲線。從圖10可以看出，不同的發(fā)射模式下，開始采集到電流時的起始電壓值都在3 000 V上下，高于此起始電壓時，發(fā)射電流隨電壓的增大而增大。此外，相同電壓值下，當(dāng)液面處分別聚集正極性和負(fù)極性的帶電粒子時，液面的狀態(tài)不同，這導(dǎo)致了發(fā)射電流值的不同，發(fā)射負(fù)粒子情況下的電流值大于正粒子情況下的電流值。在試驗中改變發(fā)射極-抽取極間距，研究了不同間距下的電壓-電流關(guān)系，供給流量為3 μL/h，結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，在不同間距下，推力器發(fā)射電流值均隨電壓增大而增大。而在相同電壓值下，發(fā)射電流隨間距的增大而減小。

圖9 不同電壓下的發(fā)射電流曲線Fig.9 Current curves in different applied voltages

圖10 發(fā)射電流隨外加電壓的變化過程Fig.10 I-V curves of the emission process

圖11 不同針板間距下的電流-電壓曲線Fig.11 I-V curves in differentemitter-extractor distances

(3)大氣下發(fā)射電流的組成

通過分析圖10的大氣發(fā)射電流發(fā)現(xiàn)，此發(fā)射電流中除場發(fā)射電流之外，還包括大氣電暈放電的電流。這是由于在大氣環(huán)境下存在大氣電暈放電現(xiàn)象，而在此推力器尺寸下，大氣電暈放電產(chǎn)生所需達(dá)到的電場強(qiáng)度值低于離子液體EMI-BF4產(chǎn)生場發(fā)射現(xiàn)象的電場強(qiáng)度值，因此在測量到的電流值中，大氣電暈放電電流占據(jù)了一定比例[19]。通過以上分析可知當(dāng)前大氣下得到的電流組成為場發(fā)射電流和大氣電暈放電所產(chǎn)生的電流。除了影響電流組成，大氣電暈放電的形成會改變液面處電場構(gòu)型，進(jìn)而改變液面形狀，圖12為在發(fā)射過程中實時采集的大氣下發(fā)射極液面形貌。從液面形貌可看出液體在電場力作用下拉伸成錐狀，并形成發(fā)射，但液面形貌與錐射流仍有區(qū)別。為了去除大氣電暈放電現(xiàn)象對發(fā)射過程的影響，將推力器放入真空艙內(nèi)進(jìn)行了相應(yīng)的真空發(fā)射試驗。

圖12 發(fā)射極出口處液面的泰勒錐形貌Fig.12 Taylor cone structure at the end of the emitter

3.2.2 真空下場發(fā)射試驗

在大氣試驗之后，將離子液體電推力器放入真空艙內(nèi)進(jìn)行了真空下試驗，用于與大氣試驗進(jìn)行對比。真空試驗中采用的發(fā)射極為電噴針，其外徑為360 μm，內(nèi)徑50 μm，針尖處內(nèi)徑逐漸收縮至30 μm。以此作為推力器結(jié)構(gòu)，在流量為6 μL/h下采集得到的真空下場發(fā)射電流數(shù)據(jù)如圖13所示。圖13還給出了相同參數(shù)下的大氣發(fā)射電流結(jié)果。由圖13的結(jié)果可以看出，相同工況下的真空發(fā)射電流數(shù)值遠(yuǎn)高于大氣電流數(shù)值，且通過真空電流曲線可看出與離子發(fā)射電流公式所描述的電流隨電壓的指數(shù)變化關(guān)系有較好的吻合，因而認(rèn)為在真空條件下達(dá)到了離子發(fā)射模式。而相同工況下的大氣電流較小，則是由于大氣放電的產(chǎn)生使得液體表面場強(qiáng)下降，使得液面處的電場強(qiáng)度值在大氣下無法達(dá)到場蒸發(fā)所需的數(shù)值。而真空下由于沒有大氣放電現(xiàn)象，因而隨著電壓的不斷增大液面處可以達(dá)到很高的電場強(qiáng)度，由場蒸發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生了大量離子發(fā)射，進(jìn)而產(chǎn)生了如圖13所示的高電流值。

圖13 真空下與大氣下發(fā)射電流對比Fig.13 Currents in vacuum and atmosphere environment

3.2.3 推力參數(shù)

以第3.2.2小節(jié)中的真空下試驗結(jié)果，通過式(12)(13)可以分別計算得出不同電壓下推力器產(chǎn)生的推力及比沖值。結(jié)果如圖14所示，可看出，隨著電壓的增大，推力器的推力和比沖都不斷增大，實現(xiàn)了通過改變電壓對推力參數(shù)進(jìn)行調(diào)控的目的。其中推力范圍為1.6～10 μN(yùn)，比沖范圍為154～978 s。

圖14 真空實驗下計算得到的推力和比沖Fig.14 Calculated thrust and specific impluse based on the experimental results in vacuum

4 結(jié)束語

本文以場發(fā)射電推力器推力性能的調(diào)控作為出發(fā)點(diǎn)，對場發(fā)射電推力器發(fā)射過程中的基礎(chǔ)物理機(jī)制進(jìn)行了分析，對推力性能的影響因素和其調(diào)控方法進(jìn)行了說明，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的實驗研究，得到的結(jié)論如下：

1)場發(fā)射電推力器的發(fā)射過程是電場力與液體表面張力共同作用的結(jié)果，存在液滴模式、射流模式和離子模式等不同發(fā)射模式。且決定每種發(fā)射模式的物理基礎(chǔ)不盡相同，導(dǎo)致在不同的推進(jìn)劑種類、推力器參數(shù)中，場發(fā)射電推力器存在不同的發(fā)射狀態(tài)。

2)本文針對場發(fā)射電推力器的推力參數(shù)的選擇與調(diào)控方法，從理論分析和試驗研究兩方面入手，對決定推力性能的推力器發(fā)射模式及其物理基礎(chǔ)做出了解釋。場發(fā)射電推力器的推力性能主要由推力器所處的發(fā)射模式?jīng)Q定，由于不同發(fā)射模式下產(chǎn)生的帶電粒子荷質(zhì)比不同，會導(dǎo)致推力器的推力參數(shù)范圍產(chǎn)生明顯不同。場發(fā)射電推力器的發(fā)射過程受到推進(jìn)劑種類/供給流量/外加電壓/推力器結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，可以產(chǎn)生不同的推力效果。

3)本文中設(shè)計了一種主動供給型離子液體電推力器進(jìn)行試驗，實現(xiàn)了推力器在大氣和真空條件下的不同發(fā)射模式。通過對真空下發(fā)射電流等數(shù)據(jù)的采集和計算，得到相應(yīng)的推力/比沖值，結(jié)果表明，本試驗實現(xiàn)了通過改變外加電壓的方法對推力參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，推力器達(dá)到的推力范圍為1.6 ～10 μN(yùn)；比沖范圍為154～978 s，此結(jié)果可為后續(xù)的場發(fā)射電推力器設(shè)計提供參考。