劉欣宇，康小明，賀偉國(guó)，徐明明，郭登帥，杭觀榮，李 林

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2. 上?？臻g推進(jìn)研究所上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引 言

微納衛(wèi)星具有體積小、成本低、研制周期短、易發(fā)射、可編隊(duì)組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，受到了世界各國(guó)的普遍重視，被應(yīng)用于空間環(huán)境感知、空間科學(xué)試驗(yàn)、新技術(shù)空間演示驗(yàn)證、通信與數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)地或?qū)臻g目標(biāo)成像觀測(cè)等方面[2]，成為現(xiàn)代衛(wèi)星研制的主要趨勢(shì)之一。微納衛(wèi)星要實(shí)現(xiàn)大氣阻力補(bǔ)償、精確姿態(tài)控制、軌道機(jī)動(dòng)、組網(wǎng)和編隊(duì)飛行等任務(wù)目標(biāo)，必須要配備體積小、質(zhì)量輕、功率低的推進(jìn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)很難滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的要求，因此各國(guó)將研究轉(zhuǎn)向了電推進(jìn)系統(tǒng)。

電推進(jìn)是利用電能加熱、離解和加速工質(zhì)，使其形成高速射流而產(chǎn)生推力的技術(shù)[3]。和傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)相比，電推進(jìn)比沖高，可大幅減少推進(jìn)劑的攜帶量，從而提高衛(wèi)星有效載荷比、延長(zhǎng)在軌壽命和降低發(fā)射重量，在未來(lái)扮演重要角色[4-5]。其中，離子液體電噴推力器是一種具有比沖高、體積小、質(zhì)量輕、功率低等優(yōu)點(diǎn)的電推進(jìn)技術(shù)。離子液體電噴推力器產(chǎn)生的微牛級(jí)推力可用于微納衛(wèi)星或航天器的無(wú)拖曳控制、姿態(tài)精確控制、組網(wǎng)和編隊(duì)飛行等方面。例如，2016年1月，歐洲航天局的LISA Pathfinder飛船成功使用搭載的8個(gè)由Busek公司研制的離子液體電噴推力器進(jìn)行了無(wú)拖曳飛行驗(yàn)證[6]，中山大學(xué)用于引力波探測(cè)的“天琴計(jì)劃”也將其列為備選的推進(jìn)系統(tǒng)方案[7]。因此，離子液體電噴推力器是一種極富前景的微牛級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)。

1 離子液體電噴推力器的工作原理

離子液體電噴推力器是一種靜電式電推力器，根據(jù)靜電噴射原理研制。靜電噴射是在外加電場(chǎng)的作用下，帶電粒子引出并在同一電場(chǎng)下加速發(fā)射的現(xiàn)象。當(dāng)對(duì)導(dǎo)電液體表面施加一個(gè)向上的法向電場(chǎng)時(shí)，液體中相應(yīng)極性的自由離子，會(huì)被電場(chǎng)吸引聚集到液體表面，液體表面因此荷電。平坦的液面出現(xiàn)輕微的起伏，凸起處的電場(chǎng)增強(qiáng)，集聚更多的電荷，凸起進(jìn)一步被拉伸，但是由于液體表面張力的束縛，電場(chǎng)力與表面張力保持平衡，形成凸起的彎月面，也就是所謂的“泰勒錐”。實(shí)際中，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一閾值時(shí)，泰勒錐尖端會(huì)由于液體性質(zhì)以及其它條件的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的現(xiàn)象。一些情況下彎月面尖端失穩(wěn)，凸起不斷被拉長(zhǎng)，最終破裂形成射流，發(fā)射出一連串大小不同的帶電液滴；一些情況下彎月面保持封閉，在其表面蒸發(fā)出離子，在電場(chǎng)下加速噴出；還有一些情況下既有液滴發(fā)射，又有離子發(fā)射。

離子液體電噴推力器以離子液體為推進(jìn)劑，通常發(fā)射離子或離子與液滴的混合物。離子液體不同于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑，是完全由離子組成的液體，實(shí)質(zhì)上為室溫或接近室溫下呈熔融態(tài)的鹽[8]。離子液體的飽和蒸氣壓很低可忽略不計(jì)，具有良好的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性[9]，可以作為離子源提供正負(fù)離子。常用作推進(jìn)劑的離子液體有1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(1-ethyl-3-ethylimidazolium tetrafluoroborate，EMI-BF4)和1-乙基-3-甲基咪唑啉雙(三氟甲基磺?；?亞胺(1-ethyl-3-ethylimidazolium bis (trifluorome-thylsulfonyl)imide，EMI-Im)。

在結(jié)構(gòu)上，離子液體電噴推力器由發(fā)射極、吸極、儲(chǔ)箱和殼體等幾部分組成，圖1是其原理圖。儲(chǔ)箱中有離子液體推進(jìn)劑，儲(chǔ)箱上游為發(fā)射極，發(fā)射極對(duì)應(yīng)的是吸極。發(fā)射極和吸極之間施加高壓形成強(qiáng)電場(chǎng)，儲(chǔ)箱中的離子液體在外部壓力或毛細(xì)作用下沿著發(fā)射極內(nèi)部的微小通道或發(fā)射極表面輸運(yùn)到發(fā)射極尖端，發(fā)射極尖端的離子液體在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，帶電粒子發(fā)射并在同一電場(chǎng)下加速噴出，產(chǎn)生反作用推力。由于單個(gè)發(fā)射點(diǎn)產(chǎn)生的推力較小，實(shí)際中往往將發(fā)射極設(shè)計(jì)為陣列狀，讓多個(gè)發(fā)射點(diǎn)并行工作，從而獲得較大的推力調(diào)節(jié)范圍。

圖1 離子液體電噴推力器原理圖Fig.1 Schematic diagram of ionic liquid electrospray thrusters

2 離子液體電噴推力器的分類和特點(diǎn)

2.1 離子液體電噴推力器的分類

根據(jù)推進(jìn)劑輸運(yùn)到發(fā)射極尖端的方式的不同，離子液體電噴推力器可以分為毛細(xì)管型、外部浸潤(rùn)型以及多孔介質(zhì)型，如圖2所示。

圖2 毛細(xì)管型、外部浸潤(rùn)型和多孔介質(zhì)型離子液體電噴推力器示意圖Fig.2 Schematic diagrams of capillary, externally wetted and porous ionic liquid electrospray thrusters

毛細(xì)管型離子液體電噴推力器可通過(guò)壓力系統(tǒng)將推進(jìn)劑主動(dòng)地輸運(yùn)到毛細(xì)管頂或通過(guò)自身的毛細(xì)作用被動(dòng)地進(jìn)行推進(jìn)劑供給。主動(dòng)供給式毛細(xì)管型電噴推力器需要配備專門的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的流量，增加了推進(jìn)系統(tǒng)的體積和重量。在工作時(shí)，較大的流量可以產(chǎn)生較大的推力，但流量過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致帶電液滴發(fā)射，降低了推力器的比沖和發(fā)射效率。外部浸潤(rùn)型離子液體電噴推力器通過(guò)毛細(xì)作用由浸潤(rùn)好的外部幾何輪廓將推進(jìn)劑輸運(yùn)到發(fā)射極尖端。這種方式既不需要壓力系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，又避免了輸運(yùn)道堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，并且推進(jìn)劑輸運(yùn)的流阻較大，有利于推力器發(fā)射純離子，但外部浸潤(rùn)型離子液體電噴推力器對(duì)發(fā)射極加工和浸潤(rùn)工藝提出了更高的要求。多孔介質(zhì)型離子液體電噴推力器使用多孔材料作為發(fā)射極，推進(jìn)劑在多孔材料內(nèi)部孔隙的毛細(xì)作用下被動(dòng)供給到發(fā)射極尖端。這種方式也不需要推進(jìn)劑供給壓力系統(tǒng)，發(fā)射極浸潤(rùn)方法簡(jiǎn)單，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。

2.2 離子液體電噴推力器的特點(diǎn)

離子液體電噴推力器與其他幾種微牛量級(jí)電推力器典型參數(shù)[10-14]對(duì)比如表1所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，離子液體電噴推力器具有以下特點(diǎn)：

1)推進(jìn)劑可通過(guò)毛細(xì)作用被動(dòng)式供給，不需要泵、管路、閥門和壓力系統(tǒng)等輔助部件，結(jié)構(gòu)緊湊，特別適合應(yīng)用于微納衛(wèi)星。

2)應(yīng)用靜電噴射原理，不用為推進(jìn)劑離解增加電磁線圈、射頻源等輔助部件，減輕了系統(tǒng)質(zhì)量。

3)功推比高，整體推進(jìn)效率較高，適用于有功率限制的航天器。

4)比沖較高，可為航天器提供較大的速度增量。

5)與場(chǎng)發(fā)射電推力器相比，引出電壓低，不需要加熱。

6)離子液體中同時(shí)含有正負(fù)離子，推力器可通過(guò)以一定頻率交替發(fā)射正負(fù)離子的方式中和，不需要配置專門的中和器。

表1 幾種微牛量級(jí)電推力器典型參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of typical parameters of several micronewton grade electric thrusters

3 離子液體電噴推力器的研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

離子液體電噴推力器的研究始于21世紀(jì)初，經(jīng)過(guò)十余年的研究，獲得了蓬勃的發(fā)展。目前，國(guó)外從事離子液體電噴推力器研究的主要有美國(guó)的耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、Busek公司、瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和英國(guó)的瑪麗女王大學(xué)等。

美國(guó)耶魯大學(xué)于2003年最早將離子液體作為推進(jìn)劑進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用離子液體EMI-BF4作為推進(jìn)劑時(shí)，液滴的發(fā)射可以完全被抑制[15]。后面研制出毛細(xì)管數(shù)為7，19，37和91的電噴推力器[16-17]，成功讓毛細(xì)管型電噴推力器發(fā)射純離子。其中，毛細(xì)管數(shù)為37的離子液體電噴推力器比沖達(dá)到1870 s，推力可達(dá)31.1 μN(yùn)。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的Lozano等[18]在2004年首次進(jìn)行了外部浸潤(rùn)的單針式離子液體電噴試驗(yàn)。為了提高推力調(diào)節(jié)范圍，他們嘗試讓多個(gè)鎢針并行工作，設(shè)計(jì)了由31根鎢針并列的離子液體電噴推力器[19]，不過(guò)這種方案存在著發(fā)射極和吸極對(duì)中性差、推力器難以小型化的問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，2006年，Velásquez-García等[20]在一塊面積為0.64 cm2的硅片加工了1024個(gè)發(fā)射尖，設(shè)計(jì)了一種平面陣列型離子液體電噴推力器，并通過(guò)對(duì)發(fā)射極表面進(jìn)行黑硅化處理，提高了離子液體在硅表面的浸潤(rùn)性。2007年，Legge等[21]首次采用多孔材料加工發(fā)射極，設(shè)計(jì)了“鋸齒形”離子液體電噴推力器。為了進(jìn)一步將推力器小型化，2011年，Li等[22]在一塊面積為1 cm2多孔鎳片上加工出480個(gè)發(fā)射針尖，設(shè)計(jì)了一種平面陣列式多孔介質(zhì)型離子液體電噴推力器。在此基礎(chǔ)上，2013年Coffman等[23]將發(fā)射極材料替換為超細(xì)多孔硅酸鹽玻璃，經(jīng)過(guò)殼體與貯箱的優(yōu)化，形成目前美國(guó)麻省理工學(xué)院最為成熟的離子液體電噴推力器模塊，如圖3所示。它的工作電壓為1 kV，功率0.15 W，發(fā)射電流150 μA，推力約為12.5 μN(yùn)，比沖760 s[24]，目前已進(jìn)行300 h長(zhǎng)壽命測(cè)試[25]。

圖3 美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的離子液體電噴推力器Fig.3 Ionic liquid electrospray thrusters developed by MIT

Busek是美國(guó)一家從事空間推進(jìn)研究的公司。該公司于1998年開(kāi)始從事第一代電噴推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)。經(jīng)過(guò)十余年的研究，于2008年將兩組共計(jì)8個(gè)離子液體電噴推力器交付LISA Pathfinder ST7任務(wù)用于抵消微牛級(jí)的擾動(dòng)力[26]，成功通過(guò)各種測(cè)試后，2009年夏集成到LISA Pathfinder飛船上，如圖4所示，最終在2016年1月成功投入運(yùn)行[6]。目前，Busek公司開(kāi)發(fā)出BET-1 mN、BET-100等小型化、高性能的電噴推進(jìn)系統(tǒng)用于微納衛(wèi)星的飛行任務(wù)。

圖4 LISA Pathfinder飛船上搭載的由美國(guó)Busek公司研制的離子液體電噴推力器Fig.4 Ionic liquid electrospray thrusters on the LISA Pathfinder developed by Busek Company

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)合倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院在2013年參加了歐洲“微推力”計(jì)劃，利用MEMS技術(shù)制造出毛細(xì)管型發(fā)射極[27]，并首次將吸極與加速極集成到一起[28]，提高了推力器的工作性能。后來(lái)，又于2015年研制出條狀陣列式多孔介質(zhì)型離子液體電噴推力器[29]。

總之，國(guó)外離子電噴推力器已經(jīng)完成了研制工作，一些已經(jīng)產(chǎn)品化用于航天器的搭載。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)早期曾對(duì)同樣基于靜電噴射原理的膠體推力器進(jìn)行了研究。近年來(lái)，隨著離子液體電噴推力器的興起，許多高校和科研院所投入到研究的行列中。上海交通大學(xué)與上海空間推進(jìn)研究所就多孔介質(zhì)型電噴推力器進(jìn)行了研究，研制了試驗(yàn)樣機(jī)(見(jiàn)圖5)，點(diǎn)火成功并進(jìn)行了飛行時(shí)間法比沖測(cè)試[30-31]；北京理工大學(xué)研制了毛細(xì)管型離子液體電噴推力器[32]；南京航空航天大學(xué)對(duì)毛細(xì)管型離子液體電噴推力器進(jìn)行了建模和分析[33]；西北工業(yè)大學(xué)搭建了離子液體電噴試驗(yàn)平臺(tái)，點(diǎn)火成功并對(duì)不同尺寸液滴在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下液滴及束流形態(tài)進(jìn)行了觀察研究[34]；北京機(jī)械設(shè)備研究所研制了平面陣列式離子液體電噴推力器，進(jìn)行了點(diǎn)火和推力調(diào)節(jié)[35]。

圖5 上海交通大學(xué)與上?？臻g推進(jìn)研究所聯(lián)合研制的離子液體電噴推力器及其點(diǎn)火狀態(tài)Fig.5 Ionic liquid electrospray thruster developed by Shanghai Jiao Tong University and Shanghai Institute of Space Propulsion and its operating states

總的來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)的研究主要集中在離子液體電噴推力器的研制上，對(duì)離子液體電噴推進(jìn)的理論研究還不充分，比沖和推力等性能測(cè)試剛剛起步，有的甚至尚未開(kāi)展，后續(xù)應(yīng)加大力度進(jìn)行攻關(guān)。

4 離子液體電噴推力器的關(guān)鍵技術(shù)

離子液體電噴推力器的研制首先從機(jī)理入手進(jìn)行推力器整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完畢后完成發(fā)射極制造、吸極加工、推進(jìn)劑貯存與供給等工作，然后經(jīng)裝配得到離子液體電噴推力器樣機(jī)，樣機(jī)與功率處理單元一起共同構(gòu)成離子液體電噴推進(jìn)系統(tǒng)，之后對(duì)推力器的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可反饋到推力器設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化迭代，得到性能優(yōu)良的離子液體電噴推力器產(chǎn)品，其過(guò)程如圖6所示。在推力器研制過(guò)程中，涉及以下幾種關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)行攻關(guān)。

圖6 離子液體電噴推力器研制流程圖Fig.6 Flow chart of the development process of ionic liquid electrospray thrusters

4.1 微尺度下帶電粒子的產(chǎn)生與加速技術(shù)

離子液體電噴推力器帶電粒子的產(chǎn)生與加速是一個(gè)涉及電場(chǎng)和流場(chǎng)的復(fù)雜物理過(guò)程。這一過(guò)程中，極間電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的產(chǎn)生與加速至關(guān)重要。粒子蒸發(fā)遵循動(dòng)能定理[36]，其單位面積上的發(fā)射電流為：

(1)

(2)

(3)

蒸發(fā)出的粒子在同一電場(chǎng)下加速發(fā)射，其大小由極間電壓決定，方向由極間電場(chǎng)分布決定。然而極間電場(chǎng)的分布較為復(fù)雜，對(duì)于導(dǎo)電液體并忽略空間電荷效應(yīng)，可表示為[37]：

E=f-1V

(4)

式中:E為極間電場(chǎng)強(qiáng)度，f為系統(tǒng)幾何形貌函數(shù)，V為極間電壓。這表明極間電場(chǎng)與極間電壓和系統(tǒng)幾何形貌有關(guān)。發(fā)射極尖端曲率半徑、極間距離等參數(shù)都會(huì)影響系統(tǒng)幾何形貌進(jìn)而影響極間電場(chǎng)。這些參數(shù)如何選取成為離子液體電噴推力器設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)與關(guān)鍵。推力器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各參數(shù)取值，通過(guò)數(shù)值計(jì)算或仿真的手段確定發(fā)射極尖端電場(chǎng)高于粒子發(fā)射的閾值電場(chǎng)。其次要盡量減少推力器壁面和吸極對(duì)粒子的阻擋，避免打火和短路現(xiàn)象發(fā)生。

粒子在大量發(fā)射的同時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)給，彎月面發(fā)射的粒子將由液體內(nèi)部的電荷流補(bǔ)充，該電荷流由傳導(dǎo)部分和對(duì)流部分組成，即：

je=jcond+jconv

(5)

其中,jcond為傳導(dǎo)電流，jconv為對(duì)流電流。傳導(dǎo)電流jcond的大小為：

(6)

4.2 微細(xì)制造與精密裝配技術(shù)

發(fā)射極是離子液體電噴推力器的關(guān)鍵部件，起到增強(qiáng)發(fā)射電場(chǎng)和為推進(jìn)劑提供輸運(yùn)通道的作用，發(fā)射極頭部尺寸僅為微米量級(jí)；此外，為了獲得較大的推力調(diào)節(jié)范圍，需要加工出發(fā)射極陣列。因此，離子液體電噴推力器發(fā)射極的微細(xì)制造技術(shù)是其研制的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)之一。表2總結(jié)了國(guó)內(nèi)外離子液體電噴推力器發(fā)射極所采用的材料與加工方法。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，為解決發(fā)射極陣列中各個(gè)發(fā)射針尖之間形貌差異導(dǎo)致的各針尖發(fā)射特性不一致的問(wèn)題[40]，發(fā)射極加工所選擇的方法應(yīng)從加工可重復(fù)性較難控制的電化學(xué)加工方法向機(jī)械加工、激光加工等加工可重復(fù)性更好的方法轉(zhuǎn)變。

離子液體電噴推力器的裝配主要體現(xiàn)在發(fā)射極尖端與吸極之間對(duì)中性以及極間距調(diào)節(jié)這兩個(gè)方面。如果發(fā)射極尖端與吸極之間沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，會(huì)影響極間電場(chǎng)分布，粒子發(fā)射軌跡偏移，降低發(fā)射出的粒子通過(guò)吸極的比例，使推力和比沖下降。發(fā)射極與吸極之間的距離也會(huì)影響推力器的工作性能，極間距過(guò)大會(huì)增加發(fā)射的起始電壓，過(guò)小則容易引起打火和短路。因此為了讓推力器良好運(yùn)行，不但要保證發(fā)射極尖端與吸極之間有良好的對(duì)中性，還要保證發(fā)射極與吸極之間達(dá)到設(shè)計(jì)的距離。但是，由于發(fā)射極的尺寸僅為微米級(jí)，且發(fā)射極和吸極間的距離通常僅數(shù)十到數(shù)百微米，因而發(fā)射極的裝配調(diào)節(jié)仍是影響離子液體電噴推力器技術(shù)成熟度的難點(diǎn)。

表2 發(fā)射極材料及加工方法Table 2 Material and fabrication methods of ionic liquid electrospray emitters

4.3 推進(jìn)劑貯存和供給技術(shù)

離子液體電噴推力器的推進(jìn)劑存儲(chǔ)在貯箱中，在加注推進(jìn)劑的過(guò)程中難免會(huì)摻雜進(jìn)一些空氣。在真空環(huán)境下，推進(jìn)劑中的氣體形成氣泡爆裂，容易引起貯箱內(nèi)推進(jìn)劑濺射和泄漏[41]。離子液體具有電導(dǎo)率高、黏度較低的性質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏可能造成吸極與發(fā)射極之間短路，推力器無(wú)法正常工作；如果泄漏的離子液體濺射到衛(wèi)星的控制電路板上會(huì)損壞星體，產(chǎn)生不良后果。因此，需要研發(fā)可靠的貯存技術(shù)解決這一問(wèn)題。

離子液體電噴推力器推進(jìn)劑供給方式主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式供給需要配備泵、閥和管路等部件，推進(jìn)劑通過(guò)泵由貯箱壓入到發(fā)射極尖端。毛細(xì)管式離子液體電噴推力器一般采用這種供給方式。考慮到星體或航天器在體積和質(zhì)量方面的限制，泵、閥等部件需要進(jìn)行小型化，具有較大的技術(shù)難度。而被動(dòng)式供給靠毛細(xì)作用力將推進(jìn)劑由貯箱輸運(yùn)到發(fā)射極尖端。外部浸潤(rùn)型和多孔介質(zhì)型離子液體電噴推力器大多采用這種供給方式。目前被動(dòng)式供給在一些關(guān)鍵參數(shù)(比如發(fā)射極孔徑大小、發(fā)射極高度)的選擇上缺乏系統(tǒng)的理論研究，需要進(jìn)一步加以探索。

4.4 高升壓比微功率電源處理單元

電源處理單元是將星體或航天器母線電壓轉(zhuǎn)換成電推力器工作電壓的二次電源變換設(shè)備，是電推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分?？紤]到離子液體電噴推力器工作特性，其電源處理單元應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

一是結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕。離子液體電噴推力器通常用于體積和質(zhì)量都很小的航天器或微納衛(wèi)星上，因此其電源處理單元必須結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，這樣才能保證與航天器或星體有較好的相容性。

二是具備高升壓比。離子液體電噴推力器的工作電壓一般為上千伏，而推力器所在的星體或航天器的母線電壓沒(méi)有這么高。以立方星為例，立方星的母線電壓一般為3.3 V可調(diào)或5 V可調(diào)，因此電源處理單元需要具有幾百到上千的升壓比。

三是能夠以一定頻率切換正負(fù)極性。研究表明，離子液體電噴推力器噴射某種極性的粒子一段時(shí)間后，推進(jìn)劑中剩余的相反極性粒子會(huì)引起推進(jìn)劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)射電流變小[42]。如果電源處理單元向推力器輸入的高壓以一定頻率進(jìn)行正負(fù)極性切換，正負(fù)粒子就可以交替發(fā)射，避免電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。電源處理單元極性周期性切換的另一好處是可以實(shí)現(xiàn)羽流的自中和，推力器不再需要中和器。

在國(guó)外，離子液體電噴推力器經(jīng)過(guò)了十余年的發(fā)展，已經(jīng)研制出相應(yīng)的電源處理單元，而國(guó)內(nèi)目前的研究集中在推力器本體的研制上，推力器工作測(cè)試中采用地面高壓電源，在電源處理單元的研制上有所欠缺，亟需攻克這方面的關(guān)鍵技術(shù)。

4.5 推力器比沖和推力測(cè)試技術(shù)

比沖是指推進(jìn)系統(tǒng)推力與每秒消耗推進(jìn)劑重量的比值，它是電推力器一個(gè)重要的性能指標(biāo)。離子液體電噴推力器比沖測(cè)試多采用飛行時(shí)間法(Time of flight，ToF)進(jìn)行。它的原理是測(cè)量電推力器發(fā)射的粒子通過(guò)某一距離的時(shí)間，計(jì)算出粒子噴射速度，進(jìn)而求出比沖。具體操作上，可在離子液體電噴推力器下游設(shè)置一個(gè)“靜電門”，在門開(kāi)關(guān)下游一定距離設(shè)置一塊收集板。測(cè)量時(shí)，讓電噴推力器處在持續(xù)穩(wěn)定工作狀態(tài)，通過(guò)分析“靜電門”快速關(guān)閉后收集板上電流信號(hào)的變化得到通過(guò)這一距離的時(shí)間。但在實(shí)際中，由于離子通過(guò)時(shí)間只有微秒量級(jí)，需要能高速開(kāi)關(guān)的“靜電門”，此外還要避免噪聲干擾，因此技術(shù)難度較大，國(guó)外經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)積累，飛行時(shí)間法測(cè)量技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但國(guó)內(nèi)處于起步階段，僅有少數(shù)單位進(jìn)行了飛行時(shí)間法測(cè)試[31]，仍需要進(jìn)一步攻關(guān)。

推力是評(píng)估推力器性能的最重要的指標(biāo)之一。離子液體電噴推力器的推力只有微牛量級(jí)，推力的信號(hào)較弱；此外，推力器工作時(shí)的高電壓易導(dǎo)致靜電干擾，因此推力測(cè)量難度大，需要設(shè)計(jì)專門的推力測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。在國(guó)外，美國(guó)麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一種磁懸浮推力測(cè)試架以創(chuàng)造無(wú)摩擦環(huán)境，提高測(cè)量精度[43]；瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院采用高精度天平稱重法對(duì)離子液體電噴推力器的推力進(jìn)行了測(cè)量[44]。而國(guó)內(nèi)一些單位設(shè)計(jì)了微推力測(cè)量裝置[45-47]，但針對(duì)離子液體電噴推力器的推力測(cè)試剛剛開(kāi)始，需要與推力器的研制工作同步加快進(jìn)行。

5 離子液體電噴推力器的發(fā)展趨勢(shì)與構(gòu)想

5.1 離子液體電噴推力器的發(fā)展趨勢(shì)

目前，許多國(guó)家已經(jīng)研制出了離子液體電噴推力器的試驗(yàn)樣機(jī)，在不斷攻克關(guān)鍵技術(shù)、提高工作穩(wěn)定性的同時(shí)，離子液體電噴推力器正朝著小型化、模塊化、推力密度提升的方向發(fā)展，值得引起我國(guó)研究人員的關(guān)注。

1)離子液體電噴推力器的小型化是其發(fā)展過(guò)程中永恒的課題。為了實(shí)現(xiàn)小型化，人們采用了多種技術(shù)手段。比如在推進(jìn)劑的供給上，被動(dòng)式推進(jìn)劑供給方式由于省去了泵閥管路等部件，越來(lái)越多地應(yīng)用到離子液體電噴推力器中；在推力器結(jié)構(gòu)上，使用MEMS技術(shù)將推力器的幾個(gè)部件結(jié)合到一起[36]。

2)離子液體電噴推力器模塊化是指將推力器設(shè)計(jì)加工成規(guī)格統(tǒng)一的模塊，搭載時(shí)根據(jù)飛行任務(wù)選取合適數(shù)量的推力器按照一定的方式排布。模塊化的設(shè)計(jì)提高了推力器與飛行器或星體之間的兼容性，有利于適應(yīng)不同的飛行任務(wù)，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。例如，美國(guó)麻省理工學(xué)院將其研制的多個(gè)推力器模塊進(jìn)行不同方式排布，形成單側(cè)軸向推力模式和姿態(tài)調(diào)控模式[48]，如圖7所示。

圖7 美國(guó)麻省理工學(xué)院推力器工程化模塊Fig.7 Engineering propulsion modules developed by MIT

3)離子液體電噴推力器推力密度的提升也是其今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。離子液體電噴推力器理論上最大推力密度為107N/m2，而目前研制出的離子液體電噴推力器的推力密度為0.5 N/m2，推力密度難以達(dá)到最大值主要受離子液體導(dǎo)電性、發(fā)射極陣列相鄰針尖之間的距離的影響。其中通過(guò)減小相鄰針尖之間的距離有利于提高推力密度；此外還可以選用性能更優(yōu)的離子液體，美國(guó)麻省理工學(xué)院目前在測(cè)試使用離子液體EMI-(HF)2.3F[49]作為推進(jìn)劑，其電導(dǎo)率高達(dá)10 S/m，為EMI-BF4的7倍多，測(cè)試結(jié)果表明離子液體電噴推力器的推力密度獲得了較大的提升。

5.2 離子液體電噴推力器的發(fā)展構(gòu)想

離子液體電噴推力器作為一種微型電推力器，可為微納衛(wèi)星和航天器提供微牛級(jí)推力，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制、軌道變換和編隊(duì)飛行，不僅能解決目前大多數(shù)微納衛(wèi)星未能配備推進(jìn)系統(tǒng)的問(wèn)題，帶動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還能在引力波探測(cè)等科學(xué)前沿領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，促進(jìn)科技的進(jìn)步。因此，要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上大力發(fā)展離子液體電噴推進(jìn)技術(shù)。

1)優(yōu)先探索研發(fā)推進(jìn)劑被動(dòng)式供給型離子液體電噴推力器。推進(jìn)劑被動(dòng)式供給型離子液體電噴推力器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，無(wú)需泵、閥和管路，降低了研發(fā)的技術(shù)門檻，后期也更有利于小型化與工程化，發(fā)展前景良好。

2)加大離子液體電噴推力器關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究力度。對(duì)涉及的離子液體場(chǎng)蒸發(fā)機(jī)理、推進(jìn)劑供給機(jī)理和帶電粒子加速機(jī)理等基礎(chǔ)理論加快研究步伐，努力提高推力密度，縮小同國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平的差距。

3)在原理樣機(jī)正常工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高推力器工作的可靠性和穩(wěn)定性；優(yōu)化推力器結(jié)構(gòu)，將原理樣機(jī)小型化、工程化、模塊化。

4)加強(qiáng)離子液體電噴推進(jìn)測(cè)試技術(shù)的研究，研制微推力測(cè)試平臺(tái)、比沖測(cè)試平臺(tái)等測(cè)試設(shè)備，對(duì)離子液體電噴推力器的性能開(kāi)展測(cè)試。

5)從系統(tǒng)層面統(tǒng)籌電噴推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)，加強(qiáng)與推力器兼容的具有高升壓比的微功率電源處理單元的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)在星體或航天器的搭載。

6 結(jié)束語(yǔ)

離子液體電噴推力器基于靜電噴射原理研制，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、功率低、比沖高，是一種極富前景的微牛級(jí)推力器。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，國(guó)外在離子液體電噴推力器上已經(jīng)擁有較為成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，目前正朝著小型化、模塊化的方向發(fā)展。我國(guó)離子液體電噴推力器的研制上起步較晚，雖然近年來(lái)在樣機(jī)研制方面取得了一些進(jìn)展，但與國(guó)外相比還存在著一定差距，需要進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)迎頭趕上。當(dāng)前，我國(guó)航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，電推進(jìn)技術(shù)也獲得了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，相信在廣大科研人員的不懈奮斗和刻苦攻關(guān)下，我國(guó)離子液體電噴推進(jìn)技術(shù)一定會(huì)取得更大突破。