銦場(chǎng)致發(fā)射電推力器的研制①

段君毅，康小明，趙萬(wàn)生

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

20世紀(jì)90年代，廣泛應(yīng)用于聚焦粒子束系統(tǒng)、掃描電鏡、表面改性、離子束蝕刻等領(lǐng)域［1］的液態(tài)金屬離子源被應(yīng)用于電推力器領(lǐng)域。場(chǎng)致發(fā)射電推力器(Field emission electric propulsion，簡(jiǎn)稱FEEP)的核心部件是液態(tài)金屬離子源，采用高壓靜電場(chǎng)離子化液態(tài)金屬，并由同一電場(chǎng)加速離子產(chǎn)生推力。FEEP具有推力小、比沖高、最小元沖量小且便于精確調(diào)節(jié)的特征，因此成為一種極具優(yōu)勢(shì)的電推進(jìn)技術(shù)，以滿足航天器日益增長(zhǎng)的控制精度要求:航天器空間姿態(tài)調(diào)整、軌道提升、位置保持、阻力補(bǔ)償系統(tǒng)等［2］。目前FEEP已被選作美國(guó)與歐航局聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目LISA Pathfinder及LISA的微推力器控制系統(tǒng)［3］。

隨著我國(guó)微小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)EEP得到越來(lái)越多的重視。國(guó)內(nèi)已有相關(guān)研究主要集中在其核心部件液態(tài)金屬離子源的研制及其理論方面［4－6］。本文結(jié)合場(chǎng)致發(fā)射電推力器的工作原理，設(shè)計(jì)并研制了實(shí)驗(yàn)用銦場(chǎng)致發(fā)射電推力器樣機(jī)，并對(duì)其發(fā)射性能進(jìn)行了測(cè)試，得出了發(fā)射針頂點(diǎn)半徑、吸極內(nèi)半徑及發(fā)射極到吸極距離與發(fā)射特性的關(guān)系。

1 FEEP的工作原理

FEEP推力器屬于靜電式推力器。圖1為其典型針型FEEP結(jié)構(gòu)，主要包括發(fā)射極、吸極器及其他附屬裝置。FEEP工作時(shí)，首先利用加熱裝置將推進(jìn)劑加熱至熔點(diǎn)之上，持續(xù)若干時(shí)間，以使得發(fā)射極及推進(jìn)劑存儲(chǔ)室內(nèi)的推進(jìn)劑充分熔化，發(fā)射極穿過(guò)含有液態(tài)推進(jìn)兩極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1010V/m的量級(jí)。處于尖端的液體在靜電力與表面張力的共同作用下形成泰勒錐(錐頂角為98.6°)［7］。在電場(chǎng)和電動(dòng)流體作用下，液態(tài)金屬在泰勒錐頂點(diǎn)處形成凸起，并在場(chǎng)發(fā)射作用下，使得液態(tài)金屬原子場(chǎng)蒸發(fā)、離子化，并通過(guò)同一電場(chǎng)加速，將金屬離子從吸極中間孔處噴射出去，從而產(chǎn)生推力［8－9］。圖1左下角所示為泰勒錐及凸起示意圖。液態(tài)金屬噴射出去之后，由存儲(chǔ)室內(nèi)的金屬原子在發(fā)射針桿表面的毛細(xì)作用下向發(fā)射尖補(bǔ)充，形成穩(wěn)定的供給。

圖1 銦FEEP原理及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of principle and structure of an indium FEEP thruster

2 推力器本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從發(fā)射極的形狀來(lái)看，F(xiàn)EEP主要有3種結(jié)構(gòu):針型、毛細(xì)管型、窄縫型［10］。毛細(xì)管型和窄縫型FEEP的結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，機(jī)械加工難度大，尚無(wú)空天飛行的經(jīng)歷。而針型FEEP結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，加工方便，可靠性高，性能穩(wěn)定，且已有空天飛行成功先例，被廣泛應(yīng)用在場(chǎng)致發(fā)射電推力器中。因此，本文的主要研究對(duì)象是針型FEEP。

銦熔點(diǎn)低、原子質(zhì)量較大、一級(jí)電離能量低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且具有較好的濕化劑的存儲(chǔ)室，并在存儲(chǔ)室外的針尖頂點(diǎn)處形成凸起，因此被選作針型FEEP推力器的首選推進(jìn)劑。銦針型場(chǎng)致發(fā)射電推力器結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。其中，發(fā)射極由發(fā)射針尖鍍覆液態(tài)金屬銦之后形成，其主要功能用于支撐發(fā)射針表面的液態(tài)金屬并發(fā)射金屬銦離子，它是FEEP的陽(yáng)極。而吸極是FEEP的陰極，提供地電位，以實(shí)現(xiàn)從陽(yáng)極吸引金屬銦離子發(fā)射。其他的附屬裝置主要包括推進(jìn)劑存儲(chǔ)室、提供熔化液態(tài)金屬熱量的陶瓷加熱棒以及支撐FEEP結(jié)構(gòu)的支架。在FEEP系統(tǒng)中包含熱源及高壓電源，因此采用耐熱、絕緣、加工性能良好的聚四氟乙烯作為支架材料。

圖2 銦針型場(chǎng)致發(fā)射電推力器結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of an indium needle FEEP thruster

銦的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫下不與鋁或鉬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)［11］，因此存儲(chǔ)室材料可選用鋁合金或金屬鉬。FEEP工作時(shí)采用間接加熱，溫度控制在200～300℃，因此在存儲(chǔ)室與陶瓷加熱棒之間加入一個(gè)鋁連接件，對(duì)存儲(chǔ)室結(jié)構(gòu)起到支撐及緩和溫度變化的作用。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是模塊化程度高，存儲(chǔ)的液態(tài)金屬多，工作壽命長(zhǎng)。

3 發(fā)射極的制備

3.1 電化學(xué)腐蝕加工發(fā)射針

針型FEEP的發(fā)射針材料一般選用金屬鎢。鎢的熔點(diǎn)很高，與其他金屬不易產(chǎn)生反應(yīng)，而且潔凈的鎢表面易于與一些液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)良好浸潤(rùn)。本文采用電化學(xué)腐蝕法加工鎢微針尖，鎢與強(qiáng)堿溶液發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)為

W+2OH－－2H2O→WO42－+2H2(g)，EO= －1.43 V (1)

圖3為實(shí)驗(yàn)裝置及原理圖。圖3中，陽(yáng)極為鎢絲，陰極為不銹鋼圓環(huán)，鎢絲裝夾在改裝了的螺旋測(cè)微儀上，并與不銹鋼圓環(huán)一同浸入溶液。加工時(shí)鎢絲要與圓形電極處于同一軸心線上。電解液采用濃度較高的KOH溶液，采用直流電源加工。通過(guò)螺旋測(cè)微儀調(diào)節(jié)鎢絲浸潤(rùn)在溶液中的深度，同時(shí)檢測(cè)腐蝕回路中電流的大小。在腐蝕加工過(guò)程中，一方面由于加工電流隨浸潤(rùn)深度的增加而增加;另一方面，隨著反應(yīng)式(1)的不斷進(jìn)行，浸潤(rùn)在溶液中的鎢絲逐漸被腐蝕，浸潤(rùn)深度隨之降低。因此，本文通過(guò)檢測(cè)加工電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鎢絲腐蝕過(guò)程的精確控制。這樣，即可通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得該溶液濃度下的浸潤(rùn)深度及加工電壓的最佳值，從而獲得最小的發(fā)射針頂點(diǎn)半徑。最終，作者經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了電化學(xué)腐蝕加工相關(guān)的最佳參數(shù)，即采用濃度為5 mol/L的KOH溶液，浸潤(rùn)深度為2 mm，腐蝕電壓為6 V時(shí)，可將直徑為 0.5 mm的鎢絲加工出0.5～2 μm的微細(xì)鎢針尖，如圖4所示(已經(jīng)過(guò)表面清洗)［12］。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置及電化學(xué)腐蝕原理Fig.3 Experiment apparatus and principle of electrochemical etching

圖4 以最佳參數(shù)加工的鎢微針尖Fig.4 Tungsten micro-tip with optimum parameters

3.2 發(fā)射針粗化及表面清洗

為了降低鎢針尖的表面流阻，需將腐蝕加工得到的鎢針尖平滑的表面進(jìn)行粗化。具體操作為將腐蝕加工好的鎢針尖浸潤(rùn)在KOH溶液中，兩極之間接1～2 V的交流電，通電時(shí)間控制在30 s左右。這樣就會(huì)在鎢針尖表面形成溝槽，如圖5所示(已表面清洗)。這些微細(xì)溝槽的出現(xiàn)降低了液態(tài)金屬銦流向頂點(diǎn)時(shí)的流阻，確保FEEP在發(fā)射過(guò)程中頂點(diǎn)被發(fā)射出去的銦由存儲(chǔ)室內(nèi)的銦可源源不斷地提供。而當(dāng)存儲(chǔ)室內(nèi)的銦向頂點(diǎn)補(bǔ)給不足時(shí)，則FEEP發(fā)射出現(xiàn)不穩(wěn)定。

圖5 粗化后的鎢微針尖Fig.5 Tungsten micro-tip after roughness treatment

腐蝕加工并粗化后的鎢針尖仍是無(wú)法直接用于FEEP發(fā)射極的。這是因?yàn)殒u針尖表面存在有殘余的KOH顆粒，而且在腐蝕過(guò)程中鎢針尖表面會(huì)形成一層致密的氧化膜。這些雜質(zhì)阻礙了液態(tài)金屬銦與鎢針尖表面的良好浸潤(rùn)，無(wú)法制備出長(zhǎng)壽命的發(fā)射極。因此，必須去除掉表面的氧化膜和雜質(zhì)，且要保持微針尖頂點(diǎn)?；阪u的氧化物溶于HF溶液，而KOH顆粒也可與HF溶液發(fā)生反應(yīng)，因此，本文采用HF溶液結(jié)合超聲清洗的辦法去除鎢針尖表面的KOH顆粒以及氧化膜［13］。圖6所示為制備好的針尖在清洗前后的能譜對(duì)比。

圖6 超聲及HF清洗前后鎢針尖的能譜對(duì)比Fig.6 Spectrum obtained from the apex of emitting tungsten micro-tip

3.3 發(fā)射針浸潤(rùn)銦

制備FEEP發(fā)射極的關(guān)鍵技術(shù)之一是浸潤(rùn)工藝，即將液態(tài)銦與鎢針尖浸潤(rùn)并形成連續(xù)光滑的液態(tài)金屬膜。鎵、銫、汞等其他液態(tài)金屬與鎢針尖的浸潤(rùn)工藝主要通過(guò)真空電子束蒸鍍的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于液態(tài)金屬銦，基于其化學(xué)性質(zhì)在室溫或較高溫度的干燥環(huán)境中保持穩(wěn)定，本文采用大氣下鍍覆方法。將經(jīng)過(guò)HF溶液清洗之后的潔凈鎢針尖直接置于熔融的液態(tài)金屬銦中，共同加熱并持續(xù)一定時(shí)間后取出即可。由于浸潤(rùn)后的鎢針尖仍會(huì)暴露在空氣中，時(shí)間長(zhǎng)久之后，銦表面會(huì)被局部氧化，這就造成鎢針尖表面原本連續(xù)的液態(tài)金屬膜被破壞，從而使得鎢發(fā)射極與吸極之間的發(fā)射極不穩(wěn)定且容易發(fā)生打火。圖7為發(fā)射極久置于空氣中與直接用于發(fā)射的穩(wěn)定性比較?？梢?jiàn)，縮短暴露空氣時(shí)間后，F(xiàn)EEP發(fā)射穩(wěn)定性提高了。因此，在FEEP樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中將浸潤(rùn)好的鎢針尖直接裝配在FEEP樣機(jī)上進(jìn)行發(fā)射實(shí)驗(yàn)。

圖7 發(fā)射極久置空氣中與直接發(fā)射的穩(wěn)定性比較Fig.7 Stability comparison between the emitter in the air long time and the emitter emitted immediately

4 FEEP性能測(cè)試及其影響因素分析

4.1 FEEP 伏安特性

將裝配完成的FEEP實(shí)驗(yàn)樣機(jī)(圖8(a))置于真空環(huán)境中，打開(kāi)加熱電源，當(dāng)加熱至200℃時(shí)，打開(kāi)高壓電源，對(duì)FEEP樣機(jī)的發(fā)射特性進(jìn)行測(cè)試。圖8(b)所示為工作時(shí)的FEEP樣機(jī)照片。

圖8 FEEP推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及工作時(shí)的FEEPFig.8 Prototype of indium FEEP thruster and the FEEP thruster in operation

圖9所示為不同頂點(diǎn)半徑鎢微針尖FEEP樣機(jī)的發(fā)射伏安特性曲線。從圖9中可看出，當(dāng)電壓大于一定值時(shí)FEEP樣機(jī)才會(huì)正常發(fā)射。這是因?yàn)楦采w在發(fā)射針頂點(diǎn)的液態(tài)金屬銦受表面張力作用，使得頂點(diǎn)變鈍，趨于接近發(fā)射針的頂點(diǎn)形狀。對(duì)于這樣的形狀，發(fā)射針頂點(diǎn)處液態(tài)金屬所受到的電場(chǎng)力太小，不足以引起場(chǎng)發(fā)射。隨電壓增加，頂點(diǎn)處液態(tài)金屬的電場(chǎng)力逐步接近表面張力，這使得液態(tài)金屬頂點(diǎn)必須變尖以提供足夠的電場(chǎng)強(qiáng)度。若電壓進(jìn)一步增加，則吸極與發(fā)射極之間的電場(chǎng)增強(qiáng)，在頂點(diǎn)處某些點(diǎn)的電場(chǎng)力就大于表面張力，液態(tài)金屬流體就會(huì)沖出來(lái)，并形成穩(wěn)定的場(chǎng)發(fā)射。從圖中還可看出，隨頂點(diǎn)半徑的增加，產(chǎn)生發(fā)射所需的電壓閾值也隨之增加。這是由于發(fā)射針頂點(diǎn)半徑增加，導(dǎo)致液態(tài)金屬銦在頂點(diǎn)處的表面張力增加，因此，需要增加電壓來(lái)提高電場(chǎng)強(qiáng)度，使得產(chǎn)生的電場(chǎng)力大于表面張力。此外，伏安特性曲線幾乎呈直線，其斜率隨發(fā)射針頂點(diǎn)半徑增加增加。這與文獻(xiàn)［6］中所得出的結(jié)論一致。

圖9 不同頂點(diǎn)半徑的發(fā)射針?lè)蔡匦郧€Fig.9 Current-voltage curves of emitting tips with different radii of tips apex

4.2 FEEP吸極相關(guān)參數(shù)對(duì)伏安特性的影響

圖10為發(fā)射針?lè)蔡匦噪S吸極內(nèi)孔半徑變化曲線。從圖10可見(jiàn)，隨吸極內(nèi)孔半徑不斷增大，而發(fā)射針的伏安特性幾乎保持不變，不同吸極內(nèi)孔半徑的發(fā)射特性曲線幾乎重合。由此得出，吸極內(nèi)孔半徑對(duì)發(fā)射伏安特性基本無(wú)影響。

圖10 發(fā)射針?lè)蔡匦噪S吸極內(nèi)孔半徑變化曲線Fig.10 Current-voltage curves vs the radius of the inner hole of the extractor

圖11為發(fā)射針?lè)蔡匦噪S發(fā)射極到吸極距離變化的曲線。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)同一發(fā)射針，不斷改變發(fā)射極到吸極的距離，并測(cè)量其發(fā)射伏安特性值。從圖11可看出，發(fā)射所需的電壓閾值隨h的增加而增加。這是由于發(fā)射針到吸極距離的增加，使得發(fā)射針頂點(diǎn)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度下降，為滿足發(fā)射要求，則發(fā)射的電壓閾值也就隨之增加。圖中還可看出，伏安特性曲線的斜率隨發(fā)射極到吸極距離h增加而略有減小。比較圖9～圖11可得出，與發(fā)射極頂點(diǎn)半徑相比，F(xiàn)EEP吸極相關(guān)幾何參數(shù)，如吸極內(nèi)孔半徑與吸極到發(fā)射極距離，對(duì)FEEP發(fā)射的伏安特性曲線影響較小。這與文獻(xiàn)［14］的結(jié)果一致。

圖11 發(fā)射針?lè)蔡匦噪S發(fā)射極到吸極距離變化曲線Fig.11 Current-voltage curves vs the distance between the emitter and the extractor

5 結(jié)論

(1)采用微細(xì)電化學(xué)方法制備頂點(diǎn)半徑為0.5～5 μm的鎢針尖，經(jīng)過(guò)表面清洗、粗化及大氣下掛銦后制作出FEEP樣機(jī)的發(fā)射極，發(fā)射極暴露在空氣中時(shí)間越短，則FEEP推力器發(fā)射穩(wěn)定性越好。

(2)發(fā)射針頂點(diǎn)半徑越大，則發(fā)射所需的電壓閾值越高，且隨發(fā)射頂點(diǎn)增加，伏安特性曲線的斜率也增加。吸極相關(guān)幾何參數(shù)則對(duì)發(fā)射伏安特性影響較小，吸極內(nèi)孔半徑對(duì)其幾乎沒(méi)有影響，而吸極到發(fā)射極的距離對(duì)其影響則非常有限。

(3)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)EEP推力器樣機(jī)可正常、穩(wěn)定工作，這為后續(xù)測(cè)量FEEP樣機(jī)的性能參數(shù)打下基礎(chǔ)。

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