楊云天，李小康，郭大偉，車(chē)碧軒，程謀森

(國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

近年來(lái)微納衛(wèi)星成為航天器設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，但是受微納衛(wèi)星平臺(tái)體積、質(zhì)量和電源功率等限制，只有極小部分微納衛(wèi)星具有推進(jìn)系統(tǒng)[1]，這極大限制了其任務(wù)范圍。冷氣和化學(xué)推進(jìn)比沖低，有效載荷比小，無(wú)法滿(mǎn)足微納衛(wèi)星長(zhǎng)壽命、精確控制任務(wù)需求；電推進(jìn)系統(tǒng)由于可實(shí)現(xiàn)比冷氣推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)更高的比沖，且能夠產(chǎn)生微小精確沖量，有效提高載荷比，被認(rèn)為更適合應(yīng)用于微納衛(wèi)星。

目前技術(shù)成熟的電推力器是以氣態(tài)氙或氪為推進(jìn)劑的離子推力器(Ion Thruster)和霍爾推力器(Hall Effect Thruster)。但將這兩種推力器微型化以匹配微納衛(wèi)星的尺寸和功率時(shí)，會(huì)顯著降低推力器的性能及壽命。其它如以脈沖等離子體推力器為代表的燒蝕固體型電推力器，存在著功推比高、束流污染和電磁兼容性等局限問(wèn)題，因此需要專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)符合微納衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)的新型微電推進(jìn)技術(shù)。

離子液體靜電噴霧推力器(Ionic liquid elect-rospray thruster, ILET)是一種新型靜電式電推力器，具有高比沖、低功推比、束流自中和以及工作電壓低(～1 kV)等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上易于小型化和模塊化，其產(chǎn)生的亞毫牛級(jí)推力適合用于微納衛(wèi)星的精確姿態(tài)和軌道控制，在微納衛(wèi)星可應(yīng)用的推進(jìn)系統(tǒng)方案中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

本文在前人階段性總結(jié)的基礎(chǔ)上通過(guò)梳理ILET工作過(guò)程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能測(cè)試及束流診斷三方面的研究進(jìn)展和關(guān)鍵研究成果，分析并總結(jié)了ILET系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸，為我國(guó)以后研發(fā)ILET工作提供參考。

1 ILET工作原理和特點(diǎn)

離子液體是一種由陰陽(yáng)離子組成的液態(tài)物質(zhì)，具有較高電導(dǎo)率(1～10 S/m)[2]、相對(duì)較低的表面張力(20～70 mN/m)[3]、極低的飽和蒸汽壓(<10-10Pa)[4]等優(yōu)良性質(zhì)。離子液體的高電導(dǎo)率可以大幅降低其靜電噴霧啟動(dòng)電壓；較低的表面張力能夠較容易產(chǎn)生以離子和離子簇為主的帶電粒子；極低的飽和蒸氣壓可以避免推進(jìn)劑在真空環(huán)境中的蒸發(fā)損耗。

ILET是一種以離子液體為推進(jìn)劑，以靜電噴霧為工作原理的靜電式電推力器。如圖1所示，ILET主要由發(fā)射極、提取極和貯箱等結(jié)構(gòu)組成。發(fā)射極和提取極之間通過(guò)施加高電壓形成極間電場(chǎng)，當(dāng)發(fā)射極尖端附近電場(chǎng)達(dá)到1V/nm的量級(jí)時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)將帶電粒子從離子液體中提取并加速，從而獲得推力。與傳統(tǒng)等離子體電推力器相比，ILET具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 離子液體靜電噴霧推力器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of ionic liquid electrospray thruster

1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕，推進(jìn)劑可通過(guò)毛細(xì)作用被動(dòng)供給，并且工作時(shí)無(wú)需復(fù)雜電磁場(chǎng)構(gòu)型；

2)無(wú)需中和器，離子液體由陰陽(yáng)離子組成，因此ILET通過(guò)施加不同極性的電壓能夠分別提取陰陽(yáng)離子，以完成束流的電荷自中和；

3)比沖高(1000～8000 s)，有效提高載荷比，并且比沖和推力可以通過(guò)調(diào)整極間電壓靈活控制；

4)功推比低，帶電粒子的提取和加速在同一電場(chǎng)中進(jìn)行，無(wú)需消耗額外功率用于推進(jìn)劑的電離。

2 ILET的研究現(xiàn)狀

2.1 ILET工作過(guò)程數(shù)值分析研究

如圖1所示，ILET的工作過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：推進(jìn)劑通過(guò)發(fā)射極提供的流動(dòng)通道流動(dòng)到發(fā)射極尖端形成泰勒錐的帶電粒子提取過(guò)程和帶電粒子提取后通過(guò)極間電場(chǎng)加速的帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.1.1帶電粒子提取過(guò)程

帶電粒子提取過(guò)程主要從宏觀和微觀兩種尺度進(jìn)行分析：使用電流體動(dòng)力學(xué)(Electro-hydro dynamic, EHD)方法從宏觀尺度進(jìn)行分析；使用分子動(dòng)力學(xué)(Molecular dynamics, MD)方法從微觀尺度分析。

由于提取極對(duì)空間電荷的屏蔽作用，使得帶電粒子的提取過(guò)程主要受推進(jìn)劑性質(zhì)和發(fā)射極的影響。文獻(xiàn)[5]通過(guò)Taylor-Melcher模型分析了外部電場(chǎng)構(gòu)型、推進(jìn)劑流動(dòng)阻抗等因素對(duì)離子液體帶電粒子提取過(guò)程的影響，定性描述了外部電場(chǎng)對(duì)泰勒錐形態(tài)變化的影響、帶電粒子提取閾值電壓的存在以及推進(jìn)劑流動(dòng)阻抗對(duì)發(fā)射電流的影響[6]。

文獻(xiàn)[7]在Higuera的工作基礎(chǔ)之上對(duì)其數(shù)值模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，描述了離子液體提取帶電粒子時(shí)泰勒錐的平衡形態(tài)，并成功模擬出離子液體界面處相關(guān)電學(xué)參數(shù)分布(表面電荷、電流密度、電場(chǎng)分布等)，并且發(fā)現(xiàn)在先前研究中一直被忽略的介電常數(shù)在帶電粒子提取過(guò)程中存在不可忽視的作用。

雖然EHD方法對(duì)泰勒錐形成過(guò)程、帶電粒子提取閾值電壓的研究中提供了重要幫助，但是帶電粒子提取過(guò)程本質(zhì)上是在外部電場(chǎng)作用下發(fā)生的微觀化學(xué)反應(yīng)，要解釋內(nèi)在機(jī)理必須從微觀尺度出發(fā)。

文獻(xiàn)[8-9]使用AMBER勢(shì)函數(shù)描述EMI-BF4離子之間的相互作用，對(duì)離子和離子簇(溶劑化離子)狀態(tài)下EMI-BF4的帶電粒子提取過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)研究。但是由于MD方法計(jì)算量過(guò)大，限制了模擬的空間尺度。

為了降低MD方法的計(jì)算量，研究者們主要利用離子液體的粗粒度模型簡(jiǎn)化計(jì)算。文獻(xiàn)[10]利用EMI-BF4的兩種粗粒度模型分別對(duì)帶電粒子提取過(guò)程進(jìn)行研究：使用多尺度粗粒度模型研究帶電粒子提取及離子簇的裂解過(guò)程；使用有效粗粒度模型研究供給流量、工作電壓對(duì)離子液體帶電粒子提取的影響。

文獻(xiàn)[11]對(duì)EAN和EMI-BF4兩種離子液體的泰勒錐形成及帶電粒子提取過(guò)程進(jìn)行了MD模擬。Mehta發(fā)現(xiàn)由于EAN中的氫鍵數(shù)量更多，導(dǎo)致庫(kù)倫相互作用強(qiáng)度約為EMI-BF4的三倍，因此需要更高的電場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)帶電粒子的提取。模擬中獲得的帶電粒子成分信息不僅可以用于預(yù)測(cè)ILET的工作模式，而且可以給ILET推進(jìn)劑的選擇提供指導(dǎo)。

目前廣泛使用的各種粗粒度模型雖然可以極大降低運(yùn)算量，但是忽略了原子之間的相互作用，在計(jì)算離子液體屬性(電導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)等)時(shí)存在偏差，尤其是在外界環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)難以正確反映離子液體性質(zhì)的變化。相比之下全原子模型計(jì)算量雖然大，但是能夠精確反應(yīng)離子液體性質(zhì)。

綜上所述，對(duì)發(fā)射界面處的電學(xué)參數(shù)分布以及帶電粒子之間、帶電粒子和場(chǎng)之間的相互作用進(jìn)行詳細(xì)描述是帶電粒子提取過(guò)程研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.1.2帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程

帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)值研究主要通過(guò)MD方法和粒子方法對(duì)帶電粒子(離子、離子簇、帶電液滴)在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[12]使用MD方法對(duì)3～5 nm直徑的EMI-BF4液滴帶電粒子發(fā)射行為進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)帶電粒子發(fā)射主要集中在電場(chǎng)強(qiáng)度為1.2～2 V/nm范圍內(nèi)的區(qū)域，并通過(guò)發(fā)射的帶電粒子數(shù)來(lái)計(jì)算發(fā)射電流，獲得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

采用電荷殘留機(jī)理(Charged residue mechan-ism, CRM)和離子蒸發(fā)機(jī)理(Ion evaporation mecha-nism, IEM)這些經(jīng)典理論在分析較高電導(dǎo)率離子液體的帶電液滴加速過(guò)程發(fā)現(xiàn)，較大液滴中的粒子將以帶電粒子發(fā)射的方式完全蒸發(fā)。但是文獻(xiàn)[13]采用MD方法針對(duì)離子液體液滴加速過(guò)程的模擬結(jié)果顯示液滴質(zhì)量和體積降低到某一值后帶電粒子停止發(fā)射，并且液滴的最終質(zhì)量和體積依賴(lài)于電場(chǎng)強(qiáng)度。文獻(xiàn)[13]的結(jié)果表明，關(guān)于離子液體帶電粒子在靜電場(chǎng)中的行為理論還需要進(jìn)一步完善。

ILET工作時(shí)會(huì)發(fā)射由離子和分子組成的離子簇，如果這些離子簇在發(fā)射極與提取極之間裂解為離子或更小的離子簇，裂解后產(chǎn)生的未帶電成分無(wú)法繼續(xù)加速會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)效率和比沖顯著降低[14-15]。如圖2(a)所示，以[EMI-BF4]EMI+為例，根據(jù)動(dòng)能定理可以得到裂解后各粒子離開(kāi)提取極的速度為：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:c為粒子離開(kāi)提取極的速度;g為重力加速度。

文獻(xiàn)[16]使用MD方法模擬EMI-BF4帶電粒子提取過(guò)程，并將結(jié)果作為PIC模擬中的入口邊界條件，實(shí)現(xiàn)MD方法和PIC方法的耦合求解。通過(guò)計(jì)算ILET的推力、比沖和粒子數(shù)密度等信息，以準(zhǔn)確量化束流對(duì)航天器造成的腐蝕和電荷積累問(wèn)題。

由于離子簇在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生裂解進(jìn)而改變束流成分，如果對(duì)單一種類(lèi)帶電粒子進(jìn)行模擬難以準(zhǔn)確描述束流狀態(tài)。文獻(xiàn)[17]通過(guò)PIC方法建立了一種考慮帶電粒子加速過(guò)程中離子簇裂解現(xiàn)象的數(shù)值模型。通過(guò)引入溫度、局部電場(chǎng)對(duì)離子簇裂解速率的影響，以提高對(duì)束流發(fā)散角、能量分布和帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算精度。

在ILET工作時(shí)，束流如果處在非電中性狀態(tài)會(huì)影響航天器表面電勢(shì)，進(jìn)而影響航天器正常工作。

圖2 離子簇裂解對(duì)ILET性能的影響Fig.2 The effect of ion cluster fragmentation on the performance of ILET

文獻(xiàn)[18]為了研究ILET束流自中和效果，建立二維全粒子(Fully particle)PIC模型對(duì)束流自中和效果進(jìn)行研究。相較于傳統(tǒng)混合PIC方法，該方法追蹤所有宏粒子的運(yùn)動(dòng)，可以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，并對(duì)束流中的帶電粒子振蕩行為和相反極性束流間距對(duì)中和效果的影響進(jìn)行研究。

近年來(lái)北京航空航天大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開(kāi)展關(guān)于ILET的靜電噴霧數(shù)值研究，并且取得了一系列的研究成果[19-22]，初步建立了ILET的數(shù)值研究體系。

但是目前ILET工作過(guò)程的數(shù)值研究基本上為使用單種方法對(duì)單個(gè)工作階段進(jìn)行模擬，在全過(guò)程數(shù)值模擬研究方面較為缺乏。EHD方法、MD方法和粒子方法在ILET各個(gè)工作階段的模擬都有各自的優(yōu)勢(shì)，使用EHD方法確定發(fā)射界面形態(tài)和電場(chǎng)構(gòu)型，使用MD方法模擬帶電粒子提取過(guò)程確定束流的組成，使用粒子方法對(duì)束流的空間演化過(guò)程進(jìn)行模擬，將各個(gè)過(guò)程耦合，對(duì)ILET性能進(jìn)行綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)推力器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 ILET結(jié)構(gòu)研究

發(fā)射極結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)和推進(jìn)劑貯供結(jié)構(gòu)對(duì)ILET性能有著重要影響，因此ILET的結(jié)構(gòu)研究主要集中在這三方面。

2.2.1發(fā)射極結(jié)構(gòu)研究

ILET的發(fā)射極由發(fā)射體組成，但是單個(gè)發(fā)射體的推力較小(～100 nN)，無(wú)法滿(mǎn)足微納衛(wèi)星任務(wù)需求，必須采用發(fā)射體陣列提高推力。如圖3所示，根據(jù)推進(jìn)劑輸運(yùn)到發(fā)射體尖端的方式不同，ILET的發(fā)射體可以分為毛細(xì)管型、外部浸潤(rùn)型和多孔介質(zhì)型。同時(shí)，根據(jù)ILET束流中帶電粒子成分不同，可以將ILET的工作模式分為液滴模式、離子-液滴混合模式、純離子模式。在同一工作條件下，ILET工作在純離子模式時(shí)比沖和推進(jìn)效率最高，推力最?。还ぷ髟谝旱文Ｊ綍r(shí)比沖和推進(jìn)效率最低，推力最大。

圖3 毛細(xì)管型、外部浸潤(rùn)型和多孔介質(zhì)型離子液體靜電噴霧推力器Fig.3 Schematic of capillary, externally wetted and porous ionic liquid electrospray thrusters

Romero-Sanz等最早將離子液體EMI-BF4作為推進(jìn)劑進(jìn)行ILET的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[23]，并采用反應(yīng)離子蝕刻(Reactive ion etching, RIE)技術(shù)制造出陣列式的毛細(xì)管型發(fā)射體。毛細(xì)管型ILET可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的主動(dòng)供給以產(chǎn)生較大推力，但是束流中帶電粒子的荷質(zhì)比存在較大分散性，推進(jìn)效率和比沖較低。雖然可以通過(guò)對(duì)流動(dòng)管路填充阻塞物以增大流動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)在極低流量供給下的純離子模式發(fā)射[24]，但工作時(shí)產(chǎn)生的電化學(xué)沉積容易造成流動(dòng)通道堵塞。

Lozano等首次進(jìn)行了外部浸潤(rùn)的單針離子液體靜電噴霧實(shí)驗(yàn)[25]，隨后設(shè)計(jì)了陣列式外部浸潤(rùn)型ILET并對(duì)其性能進(jìn)行了相關(guān)研究[26]。外部浸潤(rùn)型ILET由于流動(dòng)阻力較大，容易工作在純離子模式下，因此比沖和推進(jìn)效率較高。但是由于外部浸潤(rùn)型發(fā)射體表面積較小，推進(jìn)劑供給能力有限，導(dǎo)致離子發(fā)射電流小，當(dāng)發(fā)射體尖端半徑在10～30 μm時(shí)，最大離子發(fā)射電流不超過(guò)1 μA[27]，單個(gè)發(fā)射體難以獲得較大推力，并且難以保持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)均勻發(fā)射。

Legge等首先通過(guò)掩膜電化學(xué)加工制造了鎢材質(zhì)的多孔介質(zhì)型發(fā)射體并證實(shí)了其能夠工作在純離子模式下[28]，并且單發(fā)射體能夠產(chǎn)生超過(guò)1 μN(yùn)的推力。在多孔介質(zhì)型發(fā)射體的加工工藝探索上，Legge曾嘗試將鎢材質(zhì)的外部浸潤(rùn)型發(fā)射體的刻蝕加工方法直接用于鎢多孔材料的加工，但是缺少能夠與材料本體和化學(xué)刻蝕溶液相容的高精度掩膜[28]，因此難以加工出理想的發(fā)射體陣列。為了解決這一問(wèn)題，研究人員在材料選擇上轉(zhuǎn)向具有良好化學(xué)刻蝕加工特性的多孔鎳，雖然高精度掩膜的相容性問(wèn)題得以解決，但是加工精度也僅在10 μm量級(jí)[29]。

針對(duì)金屬多孔材料的發(fā)射體加工技術(shù)探索表明，濕式加工技術(shù)無(wú)法加工出由數(shù)百個(gè)發(fā)射體單元構(gòu)成的高精度發(fā)射陣列，因此必須采用精度更高、一致性更好的干式加工技術(shù)。文獻(xiàn)[30]發(fā)現(xiàn)發(fā)射極中離子液體的阻抗僅為10歐姆量級(jí)，由此導(dǎo)致的電勢(shì)降僅為mV量級(jí)，因此導(dǎo)體并不是發(fā)射體材料的唯一選擇，理論上任何親離子液體的多孔材料都可以作為ILET的發(fā)射體材料。因此，文獻(xiàn)[31]采用粉末/顆粒燒結(jié)硼硅酸鹽作為發(fā)射體基材，探索了基于納秒脈寬激光的加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有微米級(jí)精度的480個(gè)發(fā)射體單元的二維陣列加工。

多孔介質(zhì)型發(fā)射體具有較多的毛細(xì)通道，避免了毛細(xì)管型發(fā)射體存在的流動(dòng)通道易堵塞問(wèn)題，同時(shí)相對(duì)于外部浸潤(rùn)型發(fā)射體可以提供較大的供給流量以獲得較大發(fā)射電流。鑒于多孔介質(zhì)型發(fā)射體表現(xiàn)出的明顯優(yōu)勢(shì)，目前ILET發(fā)射極的研究主要集中在以多孔材料為基材的發(fā)射體設(shè)計(jì)與制造方面。

2.2.2電極結(jié)構(gòu)研究

ILET在工作時(shí)僅需一個(gè)高壓電極和接地電極即可構(gòu)建出所需極間電場(chǎng)。早期的ILET直接將發(fā)射極作為高壓電極，提取極作為接地電極。但是發(fā)射體尖端與離子液體界面處的雙電層電壓超過(guò)電化學(xué)窗口限制將引起發(fā)射體或離子液體的電化學(xué)反應(yīng)，造成發(fā)射體尖端變性或者推進(jìn)劑分解產(chǎn)物在發(fā)射體尖端沉積，對(duì)推力器壽命造成嚴(yán)重影響。

文獻(xiàn)[25]在研究外部浸潤(rùn)型金屬單發(fā)射體的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)以一定頻率交替改變發(fā)射體與提取極間的電場(chǎng)極性，可以抑制電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。但是該方法在多孔介質(zhì)型發(fā)射極上應(yīng)用時(shí)受到了限制。文獻(xiàn)[32]發(fā)現(xiàn)在發(fā)射電流產(chǎn)生的幾分鐘內(nèi)，發(fā)射體尖端就存在明顯的推進(jìn)劑分解產(chǎn)物沉積。其原因可能是改變電壓極性無(wú)法使雙電層中電荷擴(kuò)散到發(fā)射體的主體區(qū)域，并且較大的發(fā)射電流加劇了電化學(xué)腐蝕。

文獻(xiàn)[33]采用雙電層理論分析多孔介質(zhì)型發(fā)射體的電荷擴(kuò)散過(guò)程發(fā)現(xiàn)：電壓極性的切換頻率需要大于1 kHz才能抑制發(fā)射體尖端的電化學(xué)腐蝕。電壓極性在高頻切換下發(fā)射體難以穩(wěn)定工作，因此需要其他方法抑制電化學(xué)腐蝕。Brikner等在發(fā)射體上游加入片狀金屬遠(yuǎn)端電極[33]，將產(chǎn)生雙電層的位置由發(fā)射體尖端轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)端電極，同時(shí)增大電極與推進(jìn)劑的接觸面積，通過(guò)低頻的電壓極性切換即可消除電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的對(duì)推力器壽命的嚴(yán)重限制。

帶電粒子對(duì)提取極的侵蝕，是限制ILET壽命的另一個(gè)重要因素。如圖4所示，目前提取極主要有兩種結(jié)構(gòu)：一種是單層的提取極結(jié)構(gòu)，另外一種是雙層的提取-加速極結(jié)構(gòu)。提取-加速極結(jié)構(gòu)能夠?qū)щ娏Ｗ拥奶崛『图铀龠^(guò)程解耦，實(shí)現(xiàn)推力大范圍調(diào)節(jié)時(shí)有效避免發(fā)射極和提取極發(fā)生短路。但是難以實(shí)現(xiàn)發(fā)射體陣列、提取極和加速極之間的對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)，所以單層提取極依舊是目前ILET的主流結(jié)構(gòu)。

圖4 提取極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of extractor structures

ILET工作時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)在較低電壓(～1 kV)下的穩(wěn)定工作，發(fā)射極和提取極的間距一般在控制在百微米量級(jí)，以保證發(fā)射體尖端電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1 V/nm量級(jí)，提取極與發(fā)射體尖端的距離發(fā)生微小的變化都會(huì)引起發(fā)射體尖端電場(chǎng)強(qiáng)度的巨大變化，因此平面度是提取極首先要保證的結(jié)構(gòu)參數(shù)。提取極一般為微孔陣列結(jié)構(gòu)，微孔的形狀和定位精度是提取極另外兩個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)射極一般由數(shù)百個(gè)發(fā)射體組成，如果微孔和發(fā)射體的相對(duì)位置發(fā)生偏移，會(huì)加劇帶電粒子對(duì)提取極的侵蝕，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射電流的大幅下降和推力器壽命的降低[34]。

2.2.3推進(jìn)劑貯供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ILET的發(fā)射電流密度與推進(jìn)劑的供給狀態(tài)有關(guān)，尤其是推進(jìn)劑的流動(dòng)阻力。在發(fā)射極中，各個(gè)發(fā)射體的流動(dòng)阻力是相同的，所以貯箱至發(fā)射體底面的流動(dòng)阻力是影響發(fā)射電流密度的重要因素。

文獻(xiàn)[35]分析了多孔材料貯箱內(nèi)的Laplace壓力對(duì)帶電粒子提取模式的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)減小多孔貯箱孔隙直徑增大內(nèi)部Laplace壓力有利于實(shí)現(xiàn)純離子模式，據(jù)此設(shè)計(jì)了基于多孔材料貯箱的推進(jìn)劑供給系統(tǒng)，但是由于推進(jìn)劑貯存受材料孔隙率影響，導(dǎo)致多孔材料貯箱空間利用率較低。因此，Krejci等提出了組合式被動(dòng)供給貯箱的概念[36]，推進(jìn)劑的主供給由位于中間的纖維芯實(shí)現(xiàn)，貯箱外緣的多孔材料進(jìn)行輔助供給。長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)表明，組合式被動(dòng)供給貯箱相對(duì)于多孔材料貯箱表現(xiàn)出良好的發(fā)射穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[37]對(duì)多孔介質(zhì)型ILET發(fā)射電流密度進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)射極中間區(qū)域的發(fā)射電流密度明顯高于邊緣區(qū)域。對(duì)單個(gè)發(fā)射體的測(cè)量結(jié)果顯示，單個(gè)發(fā)射體的發(fā)射電流密度與推進(jìn)劑到達(dá)發(fā)射體尖端的流動(dòng)阻力相關(guān)。因此可以通過(guò)改變被動(dòng)供給方案和使用孔徑更加均勻的多孔材料來(lái)改善陣列式發(fā)射體的發(fā)射電流均勻性。

此外，貯箱的密封性也是貯供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要因素。如果發(fā)射極與貯箱始終處于連通狀態(tài)，在衛(wèi)星隨運(yùn)載火箭升空時(shí)大量噪聲引起的隨機(jī)振動(dòng)作用下將不可避免導(dǎo)致推進(jìn)劑從發(fā)射極泄露，極易引起發(fā)射極與提取極短路。因此需要設(shè)計(jì)微型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的閥門(mén)組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)貯箱和發(fā)射極之間連接通道的通斷控制。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高校和研究所的主要精力集中在多孔介質(zhì)型ILET的設(shè)計(jì)制造上。西北工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)[38-39]都制造了條形發(fā)射體的多孔介質(zhì)型ILET，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

綜上所述，目前ILET結(jié)構(gòu)主要采用發(fā)射性能較為優(yōu)異的多孔介質(zhì)型發(fā)射極，提取極采用對(duì)中性較好的單層提取極結(jié)構(gòu)，推進(jìn)劑貯供上采用簡(jiǎn)單可靠的多孔貯箱。但是在發(fā)射極的材料和加工技術(shù)、提取極的裝配調(diào)節(jié)以及推進(jìn)劑供給穩(wěn)定性和均勻性等方面還有較大的提升空間。

2.3 ILET性能測(cè)試及束流診斷

如圖5所示，ILET的性能測(cè)試可以分為直接方法和間接方法，直接方法一般通過(guò)精密質(zhì)量天平或推力臺(tái)架直接測(cè)量推力進(jìn)而獲得比沖；間接方法一般使用飛行時(shí)間(Time of flight, TOF)質(zhì)譜儀和阻滯勢(shì)分析儀(Retarding potential analyzer, RPA)間接獲得推力器推力和比沖等性能參數(shù)。同時(shí)借助電流探針等手段對(duì)束流的空間分布特性進(jìn)行測(cè)量。

圖5 ILET性能和束流測(cè)試方法Fig.5 ILET performance and beam test methods

2.3.1直接測(cè)試方法

由于ILET的推力只有亞毫牛量級(jí)，采用推力臺(tái)架測(cè)量信號(hào)較弱并且易受機(jī)械振動(dòng)、電磁環(huán)境干擾，因此在直接測(cè)量推力上存在困難。麻省理工學(xué)院的Hicks等設(shè)計(jì)制造了一種磁懸浮推力臺(tái)架通過(guò)創(chuàng)造無(wú)摩擦環(huán)境以提高測(cè)量精度[40]。用推力臺(tái)架將CubeSat懸浮在真空艙內(nèi)，ILET工作推動(dòng)CubeSat旋轉(zhuǎn)，通過(guò)分析衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)角度以計(jì)算推力。

文獻(xiàn)[41]設(shè)計(jì)了一種非等長(zhǎng)扭臂的推力臺(tái)架，并且提出了推力平衡關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)利用臺(tái)架兩臂的不對(duì)稱(chēng)性，可以在限制臂長(zhǎng)的情況下獲得較高的推力分辨率。Wang等使用一種新型的印刷電路板靜電梳用于推力標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明推力臺(tái)架在1 μN(yùn)·s范圍內(nèi)總不確定度約為3.33%[41]。

除了設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的微牛級(jí)推力臺(tái)架外，也可以通過(guò)技術(shù)難度較低的天平稱(chēng)重法對(duì)ILET的推力進(jìn)行測(cè)量[42]。

2.3.2間接測(cè)試方法

TOF質(zhì)譜儀與RPA均為多層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，其工作原理均是通過(guò)施加電場(chǎng)改變帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使收集極上電流信號(hào)發(fā)生變化，從而獲得束流中帶電粒子的質(zhì)量和能量分布信息。對(duì)束流的質(zhì)量和能量分布信息進(jìn)行相應(yīng)處理，即可獲得ILET的推力和比沖等性能參數(shù)。

文獻(xiàn)[42]通過(guò)精密質(zhì)量天平和TOF質(zhì)譜儀分別對(duì)推力進(jìn)行直接和間接測(cè)量，兩種方式測(cè)量出的推力峰值相差約5 μN(yùn)。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，Daniel等認(rèn)為造成這種差異的原因主要有兩方面，一方面是精密質(zhì)量天平固有的響應(yīng)時(shí)間和高頻噪聲的影響，另一方面是由于束流發(fā)散和離子簇的裂解給TOF質(zhì)譜儀引入了測(cè)量誤差。多層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)的低透過(guò)率是影響TOF質(zhì)譜儀信號(hào)強(qiáng)度的重要因素，為了提高TOF質(zhì)譜儀的信噪比，文獻(xiàn)[43]采用一種鎢絲編織成的柵極，單層透過(guò)率可達(dá)95%，有效提高了信號(hào)強(qiáng)度。

由于ILET的束流存在發(fā)散角，當(dāng)使用RPA對(duì)ILET束流進(jìn)行測(cè)量時(shí)，RPA中的阻滯電勢(shì)沿軸向分布與束流邊緣的帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度存在夾角，造成位于束流邊緣的帶電粒子停止軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)的電勢(shì)小于其全部動(dòng)能對(duì)應(yīng)的電勢(shì)，導(dǎo)致RPA測(cè)量信號(hào)的變化趨勢(shì)變平緩，難以區(qū)分離子能量分布特征。針對(duì)該問(wèn)題，Miller等設(shè)計(jì)了一種曲面構(gòu)型RPA[14]，通過(guò)不銹鋼框架點(diǎn)焊高透過(guò)率鎢網(wǎng)構(gòu)成曲面的導(dǎo)電柵極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于平面構(gòu)型，曲面構(gòu)型RPA能夠有效提高對(duì)離子能量分布的分辨率。

間接測(cè)試方法僅通過(guò)收集電流的信號(hào)曲線進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算就可得到所需信息，并且測(cè)量結(jié)果除了推力和比沖之外，還能夠獲得束流的能量和質(zhì)量分布。

2.3.3束流空間分布特性測(cè)量

ILET的束流空間分布直接影響束流發(fā)散角以及推力矢量偏角，對(duì)其性能有重要影響。

文獻(xiàn)[37]采用微型電流探針對(duì)多孔介質(zhì)型ILET發(fā)射電流密度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)極間電壓達(dá)到帶電粒子提取閾值電壓時(shí)，在發(fā)射體尖端先出現(xiàn)單發(fā)射點(diǎn)，隨著極間電壓的升高，出現(xiàn)另外一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，并且兩個(gè)發(fā)射點(diǎn)形成兩股獨(dú)立的帶電粒子束，這種現(xiàn)象與極間電壓極性無(wú)關(guān)并且具有較好的可重復(fù)性。對(duì)陣列式發(fā)射體的發(fā)射電流密度進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，受發(fā)射體之間形貌差異和提取極相對(duì)位置的影響，每個(gè)發(fā)射體都具有不同的閾值電壓和不同的發(fā)射點(diǎn)位置。當(dāng)發(fā)射總電流為設(shè)定電流值時(shí)，閾值電壓低的發(fā)射體發(fā)射電流必然大于平均值，容易造成發(fā)射極與提取極短路引起壽命問(wèn)題。為了確保發(fā)射體之間閾值電壓的一致性，除了保證發(fā)射體之間的一致性之外，提取極與發(fā)射體尖端的相對(duì)位置也需要精準(zhǔn)控制,由此對(duì)提取極的設(shè)計(jì)和加工也提出了相應(yīng)要求。

文獻(xiàn)[44]采用電流探針和石英晶體微天平(Quartz crystal microbalance, QCM)，分別測(cè)量了ILET發(fā)射位置下游束流的空間分布。測(cè)量結(jié)果顯示束流的電流密度和質(zhì)量通量的空間分布并不相同，質(zhì)量通量分布的半角要大于電流密度，表明單獨(dú)使用電流密度并不能準(zhǔn)確描述ILET束流的空間分布。

目前國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)單位進(jìn)行了ILET的性能測(cè)試[38-39]，但是在微牛級(jí)推力測(cè)量方面以及束流空間分布方面均有較好的研究基礎(chǔ)。

綜上，對(duì)ILET的性能進(jìn)行直接測(cè)試主要通過(guò)推力臺(tái)架，其中推力臺(tái)架的標(biāo)定是微推力測(cè)量的關(guān)鍵，需要對(duì)推力臺(tái)架的弱力發(fā)生裝置輸出特性進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量才能保證推力測(cè)量的準(zhǔn)確性；間接測(cè)試方法建立在所獲得的帶電粒子質(zhì)量和能量分布信息的基礎(chǔ)上，但是ILET產(chǎn)生的帶電粒子種類(lèi)復(fù)雜并且會(huì)發(fā)生離子簇的裂解和帶電液滴的破碎，進(jìn)一步增加了信號(hào)處理的難度。束流的空間分布測(cè)試技術(shù)主要通過(guò)電流探針和QCM，其技術(shù)相對(duì)成熟，難度較低。

3 ILET的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)值模擬技術(shù)

當(dāng)前ILET的數(shù)值模擬主要使用EHD方法、MD方法和粒子方法。ILET的數(shù)值模擬技術(shù)主要存在以下兩個(gè)方面問(wèn)題：

1)ILET不同工作階段的多尺度效應(yīng)，導(dǎo)致各個(gè)工作過(guò)程之間難以同時(shí)進(jìn)行數(shù)值仿真；

2)在對(duì)帶電粒子的提取和運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)，帶電粒子(液滴、離子和離子簇)之間的相互作用計(jì)算量過(guò)大，需要優(yōu)化計(jì)算方法以減小計(jì)算量。

如圖6所示，ILET的數(shù)值模擬在對(duì)推力器優(yōu)化設(shè)計(jì)以及預(yù)估推力器的性能和壽命等方面有著重要作用。一方面，帶電粒子的提取與運(yùn)動(dòng)過(guò)程關(guān)聯(lián)于發(fā)射極與提取極的極間電場(chǎng)；另一方面，極間電場(chǎng)位形受發(fā)射極與提取極結(jié)構(gòu)參數(shù)、泰勒錐形態(tài)和帶電粒子空間電荷效應(yīng)影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)推力器原理樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須建立靜電場(chǎng)作用下的發(fā)射體尖端的彎液面變形及帶電粒子提取和運(yùn)動(dòng)全過(guò)程耦合數(shù)值模型，理清各過(guò)程間的耦合機(jī)制。

圖6 數(shù)值模擬和ILET設(shè)計(jì)耦合關(guān)系Fig.6 Correspondence between numerical simulation and ILET design

3.2 高精度制造與裝配技術(shù)

ILET制造上的難度主要集中在發(fā)射極。一方面，為了能夠在發(fā)射體尖端區(qū)域獲得較強(qiáng)電場(chǎng)，其尖端特征尺寸通常在微米量級(jí)；另一方面，為了提高推力密度，通常需要加工出陣列式發(fā)射體作為發(fā)射極。這兩方面因素要求發(fā)射極具有較高的形狀和定位精度，并且為了保證推力器的性能和壽命，對(duì)發(fā)射體之間的一致性也提出了較高要求。

雖然對(duì)于目前主流的硼硅酸鹽材料而言，加工技術(shù)已經(jīng)不是制約發(fā)射極加工精度的關(guān)鍵因素。但是由于硼硅酸鹽粉末/顆粒燒結(jié)特性，在加工或加工完成時(shí)由于殘余應(yīng)力存在，容易產(chǎn)生發(fā)射體尖端的顆粒剝落，難以保證尖端處的幾何形貌加工精度。因此還需要研發(fā)燒結(jié)顆粒更小更均勻或者整體式的多孔材料作為發(fā)射極基材。

近年來(lái)，微納級(jí)金屬增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，為ILET的發(fā)射極設(shè)計(jì)與制造開(kāi)辟了新的思路與方法。在納米級(jí)精度增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射極內(nèi)部流動(dòng)通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)、發(fā)射極和提取極的一體化制造等ILET的新型高精度制造與裝配技術(shù)。目前相關(guān)研究較少，MIT在2020年報(bào)道了其通過(guò)3D打印技術(shù)結(jié)合晶體的水熱生長(zhǎng)法對(duì)外部浸潤(rùn)型發(fā)射體的制備工作[45]。如圖7所示，文獻(xiàn)[45]使用3D打印技術(shù)制造實(shí)心錐體作為發(fā)射體主體，利用水熱生長(zhǎng)法制造出在主體表面均勻且密集的ZnOWN晶體簇，以增大發(fā)射體表面積，提高供給流量，以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的穩(wěn)定供給。

圖7 3D打印技術(shù)在發(fā)射極制造的應(yīng)用[45]Fig.7 Application of 3D printing technology in emitter manufacturing[45]

ILET裝配調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在發(fā)射極與提取極的對(duì)中性和極間距調(diào)節(jié)上。一方面，發(fā)射極和提取極的對(duì)中性直接影響帶電粒子的透過(guò)率，以及極間電場(chǎng)的分布，進(jìn)而對(duì)推力器的性能和壽命造成影響[34-44]；另一方面發(fā)射極和提取極的極間距過(guò)大會(huì)增大推力器的工作電壓，極間距過(guò)小會(huì)容易造成發(fā)射極和提取極短路和放電拉弧。因此，為保證推力器的工作狀態(tài)和性能，在確保發(fā)射極和提取極的對(duì)中性下，也要能夠保證對(duì)極間距的控制。

綜上所述，ILET制造的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下方面：

1)發(fā)射體基材方面：發(fā)射極和提取極的形狀和定位精度是影響ILET性能和壽命的重要因素，針對(duì)ILET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)針對(duì)性的研究高精度的加工工藝將是提高ILET性能的重要舉措；

2)裝配調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：提取極和發(fā)射極的對(duì)中性和極間距直接影響ILET的性能和壽命，并且裝配誤差對(duì)ILET性能有較大影響，因此有必要為ILET設(shè)計(jì)專(zhuān)用的裝配調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；

3)貯供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：發(fā)射電流的均勻性直接影響ILET壽命和推力矢量，需要優(yōu)化推進(jìn)劑供給方式實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射體陣列的均勻穩(wěn)定供給，同時(shí)提高貯箱的密封性以防止推進(jìn)劑泄露。

因此，進(jìn)一步探索ILET高精度制造工藝，設(shè)計(jì)裝配調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，優(yōu)化貯供結(jié)構(gòu)對(duì)提高推力器性能具有重要意義。

3.3 微功率高壓電源技術(shù)

微功率高壓電源是將航天器母線電壓轉(zhuǎn)換為ILET工作所需電壓的二次電源變換設(shè)備，是ILET系統(tǒng)的重要組成部分。結(jié)合微納衛(wèi)星平臺(tái)和ILET本身特點(diǎn)，ILET的微功率高壓電源技術(shù)上有如下三個(gè)關(guān)鍵要求：

首先要求體積小、質(zhì)量輕、具備高升壓比(～100)；其次要求可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極性切換，且具備較短的上升/下降時(shí)間。

以上兩點(diǎn)在先前上海交通大學(xué)對(duì)ILET研究的相關(guān)評(píng)述[46]中已經(jīng)提出，就不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)敘述。

3.4 推力器性能測(cè)試技術(shù)

對(duì)于電推力器而言，推力和比沖是最基礎(chǔ)的性能參數(shù)，直接關(guān)系到航天器的軌道姿態(tài)控制精度。在使用推力臺(tái)架等直接測(cè)試方法對(duì)ILET的推力測(cè)量時(shí)，主要存在以下兩個(gè)困難：

1)ILET的推力僅為亞毫牛量級(jí)，通過(guò)直接測(cè)試方法獲得的測(cè)量信號(hào)較弱，易受測(cè)試環(huán)境電磁和振動(dòng)干擾以及配平導(dǎo)致的重力影響；

2)推力臺(tái)架的標(biāo)定通常采用靜電梳式弱力產(chǎn)生裝置進(jìn)行，扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)將引起靜、動(dòng)梳齒發(fā)生相對(duì)偏轉(zhuǎn)，造成輸出特性變化，需要對(duì)梳齒進(jìn)行設(shè)計(jì)以確保推力臺(tái)架發(fā)生最大扭轉(zhuǎn)角時(shí)靜電梳輸出特性不變。

比沖是指消耗單位質(zhì)量推進(jìn)劑所能產(chǎn)生的沖量，也代表著推力器對(duì)推進(jìn)劑的利用效率。相較于目前應(yīng)用較廣的離子推力器、霍爾推力器等，ILET很難得到準(zhǔn)確地推進(jìn)劑消耗量。一方面目前ILET的推進(jìn)劑主要采用被動(dòng)供給方式無(wú)需流量調(diào)節(jié)裝置，另一方面ILET對(duì)推進(jìn)劑的消耗極低(～μL/h)難以通過(guò)稱(chēng)重法等方法得到推進(jìn)劑消耗量。因此對(duì)ILET的比沖測(cè)量目前主要采用間接測(cè)試方法。

目前來(lái)說(shuō)，使用間接測(cè)試方法對(duì)ILET進(jìn)行測(cè)試主要有以下三個(gè)困難：

1)加工方面，TOF質(zhì)譜儀和RPA的核心組件均為微孔柵極，其加工精度直接影響帶電粒子透過(guò)率，進(jìn)而影響測(cè)量數(shù)據(jù)的信噪比；

2)數(shù)據(jù)處理方面，ILET在工作時(shí)發(fā)射電流僅為數(shù)十微安量級(jí)，測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度較弱(～nA)；

3)束流成分多樣(帶電液滴、離子、離子簇等)，帶電液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)發(fā)生破碎并且處于亞穩(wěn)態(tài)的離子簇也會(huì)發(fā)生裂解進(jìn)而給束流引入新的成分，會(huì)增大數(shù)據(jù)處理難度。

4 結(jié) 論

ILET比沖高、質(zhì)量輕、體積小、功率低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為一種極具發(fā)展前景的微電推進(jìn)技術(shù)。本文對(duì)ILET的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了調(diào)研，總結(jié)出需要重點(diǎn)克服的關(guān)鍵技術(shù)，并得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)進(jìn)一步深入開(kāi)展ILET工作機(jī)理研究。對(duì)ILET工作過(guò)程涉及到的微通道流動(dòng)機(jī)理、場(chǎng)蒸發(fā)理論、帶電粒子加速機(jī)制深入進(jìn)行研究，建立多種模擬方法結(jié)合的ILET全過(guò)程數(shù)值模型，為ILET優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2)優(yōu)先發(fā)展被動(dòng)供給式ILET。相較于主動(dòng)供給式ILET，被動(dòng)供給式ILET具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、技術(shù)門(mén)檻低等優(yōu)點(diǎn)，適合于微納衛(wèi)星應(yīng)用。

3)在ILET原理樣機(jī)基礎(chǔ)上小型化、模塊化、功能化。通過(guò)將多臺(tái)ILET集成為推進(jìn)模塊，降低大面積陣列式發(fā)射體和提取極的加工難度，提高發(fā)射極與提取極的對(duì)中性，擴(kuò)大ILET的適用任務(wù)范圍。

4)加強(qiáng)對(duì)ILET測(cè)試技術(shù)的研究。重點(diǎn)研究微弱信號(hào)下的推力和比沖測(cè)量技術(shù)，為ILET優(yōu)化設(shè)計(jì)提供驗(yàn)證手段。