國(guó)外電噴推進(jìn)技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì)*

杭觀榮，李 林，郭曼麗，康小明，劉欣宇

（1.上?？臻g推進(jìn)研究所·上?！?01112；2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心·上?！?01112；3.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院·上?！?00240）

0 引 言

電噴推進(jìn)是一種利用強(qiáng)電場(chǎng)使導(dǎo)電液體表面產(chǎn)生帶電粒子，并使其加速噴出產(chǎn)生推力的靜電推進(jìn)技術(shù)。電噴推進(jìn)屬微小功率電推進(jìn)技術(shù)，功率范圍在1～100W左右，具有高比沖、高效率、快啟動(dòng)、高集成度等特點(diǎn)，非常適用于微納衛(wèi)星的軌道轉(zhuǎn)移、位置保持任務(wù)以及引力波探測(cè)器等較大型航天器的高精度姿態(tài)控制、無(wú)拖曳控制等任務(wù)。國(guó)外電噴技術(shù)在經(jīng)歷了曲折的發(fā)展歷程后，從20世紀(jì)90年代開始，在微制造、新材料、離子液體、高性能電源等技術(shù)大幅進(jìn)步的推動(dòng)下，取得了巨大進(jìn)展，目前已經(jīng)達(dá)到空間應(yīng)用水平。

本文將對(duì)電噴推進(jìn)的原理和特點(diǎn)、國(guó)外發(fā)展歷程、最新研究進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行綜合分析，并對(duì)我國(guó)電噴推進(jìn)的發(fā)展提出建議。

1 電噴推進(jìn)工作原理與特點(diǎn)

圖1 電噴推進(jìn)工作原理Fig.1 Working principle of electrospray propulsion

電噴推進(jìn)的工作原理如圖1所示，位于發(fā)射體尖端的推進(jìn)劑在強(qiáng)電場(chǎng)作用下形成泰勒錐，并使泰勒錐噴出帶電粒子，粒子通過(guò)靜電場(chǎng)加速后高速噴出產(chǎn)生推力。中和器用于中和噴出粒子，使推力器呈電中性。這些帶電粒子可以為帶正電或負(fù)電的小液滴或離子，具體形態(tài)與電場(chǎng)強(qiáng)度和推進(jìn)劑流量等相關(guān)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，電噴推力器羽流以帶電液滴為主，比沖較低，約300～2000s；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，電噴推力器羽流以離子為主，比沖較高，約1000～4000s。

電噴推力器的發(fā)射體是提升局部電場(chǎng)強(qiáng)度、產(chǎn)生帶電粒子的重要部件。國(guó)外根據(jù)推進(jìn)劑輸運(yùn)方式的不同，形成了四類發(fā)射體（示意圖見圖2），包括外潤(rùn)濕型發(fā)射體、多孔材料發(fā)射體、毛細(xì)管發(fā)射體和流體成型發(fā)射體[1]。

圖2 四類發(fā)射體示意圖Fig.2 Four kinds of emitters

廣義上講，電噴推進(jìn)可分為三大類：采用有機(jī)導(dǎo)電溶液推進(jìn)劑的膠體電噴推進(jìn)（Colloid Propulsion），采用離子液體推進(jìn)劑的離子液體電噴推進(jìn)（Ionic Liquid Electrospray Propulsion），以及利用金屬推進(jìn)劑的場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)（Field Emission Electric Propulsion，F(xiàn)EEP）[2]。本文關(guān)注前兩種電噴推進(jìn)技術(shù)。

膠體電噴推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)在于可發(fā)射質(zhì)量較大的以帶電液滴為主的帶電粒子，有利于實(shí)現(xiàn)高的推力密度，但由于帶電液滴荷質(zhì)比較低，導(dǎo)致比沖較低，一般在300～2000s，且10kV以上的高工作電壓限制了其使用[3]。膠體電噴推進(jìn)是在20世紀(jì)90年代之前主要發(fā)展的電噴推進(jìn)技術(shù)，基本達(dá)到工程樣機(jī)階段，并開展了4350h的壽命試驗(yàn)研究[4]。

離子液體電噴推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)在于可發(fā)射荷質(zhì)比較高的以離子為主的帶電粒子，有利于在1～10kV的較低電壓下實(shí)現(xiàn)1000～4000s的較高比沖，推力功率比與離子電推進(jìn)相似[5]，但推力密度較低。例如美國(guó)麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的離子電噴推進(jìn)系統(tǒng)（ion Electrospray Propulsion System，iEPS）系列電噴推力器的推力密度約為0.07～0.15N/m2[6]，較目前常用的離子推力器和霍爾推力器等電推力器低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。離子液體電噴推進(jìn)是20世紀(jì)90年代以來(lái)主要發(fā)展的電噴推進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在微納衛(wèi)星上的飛行驗(yàn)證[7]和引力波探測(cè)器上的成功應(yīng)用[8]。

電噴推進(jìn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）功率擴(kuò)展性強(qiáng)，推力器單機(jī)功率范圍可覆蓋1～100W，國(guó)外形成了功率1～5W的電噴推力器飛行樣機(jī)，并正在研制功率200W、推力20mN的大推力電噴推力器，以滿足中小型衛(wèi)星的需求；2）推力在μN(yùn)至mN量級(jí)，可穩(wěn)態(tài)和脈沖工作，易于模塊化設(shè)計(jì)，且調(diào)節(jié)范圍寬；3）比沖高，可達(dá)300～4000s；4）效率高，可達(dá)20%～90%；5）啟動(dòng)時(shí)間快，響應(yīng)快，無(wú)需像傳統(tǒng)霍爾、離子電推進(jìn)那樣啟動(dòng)時(shí)需要對(duì)陰極進(jìn)行數(shù)分鐘的預(yù)熱，有利于提高電推進(jìn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能；6）采用無(wú)毒推進(jìn)劑，綠色環(huán)保；7）結(jié)構(gòu)小巧緊湊，推力器為扁平狀，貯箱與推力器可一體化，且不需要傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)中必需的閥門等動(dòng)作部件以及壓力傳感器等部件。

電噴推進(jìn)的主要缺點(diǎn)：1）工作電壓較高（約1～10kV甚至更高），高的升壓比限制了電源轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還要充分考慮絕緣措施；2）推力密度較低，導(dǎo)致同等推力下推力器尺寸較大。

2 國(guó)外發(fā)展歷程

國(guó)外電噴推進(jìn)發(fā)展以美、歐為代表，主要?dú)v程如下。

（1）20世紀(jì)20～60年代初：概念形成階段

1915年，美國(guó)耶魯大學(xué)J.Zeleny發(fā)現(xiàn)，在特定電場(chǎng)中的液體，其表面將出現(xiàn)多個(gè)圓錐頂液柱，液柱頂部形成帶電液滴并且噴射出來(lái)[9-10]。1960年，美國(guó)V. E. Krohn首次提出將這一現(xiàn)象用于推進(jìn)，形成電噴推進(jìn)概念[11]。

（2）20世紀(jì)60年代初～70年代：技術(shù)攻關(guān)階段

在20世紀(jì)60～70年代，以研制高性能的空間電推進(jìn)技術(shù)為目標(biāo)，美國(guó)湯普森-拉莫-伍爾德里奇（TRW）公司在美國(guó)空軍支持下，開展膠體電噴推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研制滿足飛行要求的、以碘化鈉甘油溶液為推進(jìn)劑的電噴推進(jìn)系統(tǒng)，功率小于70W，推力4.45mN，比沖1350s，系統(tǒng)質(zhì)量22.68kg，其中包括11.34kg推進(jìn)劑[12-13]。推進(jìn)劑為添加了碘化鈉的甘油溶液，每10mL溶液中添加3g碘化鈉溶質(zhì)。電噴推力器模塊由12個(gè)子模塊構(gòu)成（圖3），共有432個(gè)發(fā)射針，每個(gè)子模塊有36個(gè)發(fā)射針。試驗(yàn)樣機(jī)模塊進(jìn)行了1000h壽命試驗(yàn)，其中一個(gè)推力器子模塊進(jìn)行了4350h壽命試驗(yàn)，壽命初始階段推力364.9μN(yùn)，比沖1450s，試驗(yàn)?zāi)┢谕屏?98.2μN(yùn)，比沖1230s。這一階段，膠體電噴推進(jìn)的研究目標(biāo)是與離子電推進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)。

圖3 美國(guó)TRW公司研制的12個(gè)子模塊（左）組成的電噴推力器（右）Fig.3 Electrospray thruster （right） composed of 12 sub-modules （left） developed by TRW Inc. of the United States

（3）20世紀(jì)70～80年代：發(fā)展停滯階段

由于電噴工作電壓很高（kV至萬(wàn)V量級(jí)），無(wú)法與同等性能下電壓更低（～1000V）的離子推力器競(jìng)爭(zhēng)；以及美國(guó)阿波羅空間計(jì)劃終止，導(dǎo)致投資減少；且電噴推進(jìn)機(jī)理復(fù)雜，有待進(jìn)一步深入研究[14]。20世紀(jì)70年代之后，電噴推力器研究進(jìn)入發(fā)展停滯階段。

（4）20世紀(jì)90年代至今：發(fā)展應(yīng)用階段

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著衛(wèi)星小型化對(duì)μN(yùn)級(jí)高性能動(dòng)力的需求增長(zhǎng)，微制造、高性能電源和離子液體等技術(shù)的顯著進(jìn)步以及質(zhì)譜技術(shù)等的推動(dòng)[15]，電噴推進(jìn)獲得新生。美國(guó)、英國(guó)和瑞士等國(guó)研制了功率只有數(shù)瓦、工作電壓顯著降低的微型電噴推力器及其推進(jìn)系統(tǒng)[16-20]。2015年，MIT研制的電噴推力器芯片在Aerocube 8立方星上實(shí)現(xiàn)了首次空間飛行。之后，電噴推進(jìn)因其推力在μN(yùn)量級(jí)，且寬范圍快速可調(diào)，成功應(yīng)用于引力波探測(cè)衛(wèi)星LISA Pathfinder上，執(zhí)行無(wú)拖曳任務(wù)。美國(guó)在2012年制定的2030空間推進(jìn)發(fā)展路線圖中，明確指出要發(fā)展針對(duì)微小衛(wèi)星的10W和100W功率量級(jí)的電噴推進(jìn)[21]。

3 最新研究進(jìn)展

目前,國(guó)外電噴推進(jìn)研究以美國(guó)和歐洲為主，其中美國(guó)已經(jīng)達(dá)到了空間應(yīng)用水平，歐洲尚處于研究為主的階段。具體如下。

3.1 美國(guó)

美國(guó)電噴推進(jìn)經(jīng)歷了充分的競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展，最初耶魯大學(xué)和TRW公司等開展了大量研究，近年來(lái)MIT、Busek公司、密蘇里科技大學(xué)和密歇根理工大學(xué)等針對(duì)不同需求，開展不同技術(shù)方向的研究，同時(shí)TDA研究公司（TDA Research, Inc.）和科羅拉多大學(xué)[22]等也在開展研究。

3.1.1 MIT主攻高比沖和批產(chǎn)化

MIT針對(duì)電噴推進(jìn)的高比沖和批產(chǎn)化需求，主要發(fā)展基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術(shù)的芯片狀離子液體電噴推進(jìn)技術(shù)，其顯著特點(diǎn)是采用多孔材料發(fā)射針陣列發(fā)射體，可在較低電壓下實(shí)現(xiàn)較高的比沖，貯箱與推力器實(shí)現(xiàn)模塊化，推進(jìn)劑通過(guò)毛細(xì)作用供應(yīng)，可批量制造。

20多年來(lái)，MIT在P.C. Lozano教授的帶領(lǐng)下，詳細(xì)全面地開展了離子發(fā)射機(jī)理和特性、發(fā)射針陣列多孔材料及其制備、不同離子液體推進(jìn)劑及其混合物、推力器結(jié)構(gòu)和制備技術(shù)、電噴推進(jìn)測(cè)試技術(shù)等研究；從2012年起，開展了三代iEPS系列電噴推力器芯片[23-26]研制（圖4）。

（a） iEPS V1樣機(jī)

（b） iEPS V2方案圖

（c） iEPS V3框架、發(fā)射體、柵極圖4 3代iEPS電噴推力器芯片F(xiàn)ig.4 3 generations of iEPS electrospray thruster chips

MIT在美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）游戲改變開發(fā)計(jì)劃（Game Changing Development Program）的支持下，基于iEPS推力器，研制了0.2U電噴推進(jìn)系統(tǒng)模塊（圖5）。該系統(tǒng)由8臺(tái)推力器和電源處理單元（Power Processing Unit, PPU）等組成，推力74μN(yùn)，比沖超過(guò)1150s，系統(tǒng)功率1.5～2W，質(zhì)量小于100g[27]。

圖5 0.2U電噴推進(jìn)系統(tǒng)模塊Fig.5 0.2U module of electrospray propulsion system

2015年，電噴推力器芯片在Aerocube 8立方星上實(shí)現(xiàn)了首次空間飛行。截至2020年，第三代iEPS推力器尚在研制過(guò)程中，其研制重點(diǎn)是防止離子液體對(duì)發(fā)射體的過(guò)早潤(rùn)濕，以及通過(guò)增加電潤(rùn)濕閥實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)劑流量的調(diào)節(jié)。

近年來(lái)，MIT主要開展提升推力密度以及改進(jìn)推力器結(jié)構(gòu)以提高可靠性的研究工作。推力密度提升可從兩方面開展，一是提升單位面積的發(fā)射體數(shù)量，二是提高離子的噴出量和噴出速度（或比沖）。由于制備工藝的限制，單位面積的發(fā)射體數(shù)量難以大幅提升，MIT主要針對(duì)后者開展研究。離子的噴出量和噴出速度直接體現(xiàn)在發(fā)射電流上，發(fā)射電流I可由式（1）獲得

（1）

式中，K為推進(jìn)劑電導(dǎo)率；γ為表面張力系數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；ε為推進(jìn)劑介電常數(shù)；E*為發(fā)射電流的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度。

可見，發(fā)射電流近似與推進(jìn)劑的電導(dǎo)率、表面張力的平方成正比[28-29]。由于改變表面張力系數(shù)不利于推進(jìn)劑的毛細(xì)輸運(yùn)，改變電導(dǎo)率是提高發(fā)射電流最為直接的方法。因此，MIT開展了通過(guò)提高推進(jìn)劑電導(dǎo)率，以提高推力密度和比沖的技術(shù)研究。直接研究一種新型離子液體推進(jìn)劑難度較大，MIT首先考慮在常用推進(jìn)劑中加入常規(guī)膠體電噴推進(jìn)的方法，即在有機(jī)液體中添加溶質(zhì)以改變電導(dǎo)率。在EMI-BF4離子液體推進(jìn)劑中添加用于改變電導(dǎo)率及降低離子質(zhì)量的鋰鹽LiBF4，發(fā)現(xiàn)混合溶液的表面張力系數(shù)隨濃度增加而減小，電導(dǎo)率隨濃度增加先減小再增大，在15%質(zhì)量比時(shí)達(dá)到最大后又開始減小。雖然通過(guò)飛行時(shí)間法測(cè)得，當(dāng)濃度為27%質(zhì)量比時(shí)，推力器效率提升約2%，比沖提升約27%，但沒(méi)有達(dá)到提高推力密度的目標(biāo)，因此需要進(jìn)一步尋找合適的推進(jìn)劑。MIT針對(duì)目前常用的EMI-Im和EMI-BF4離子液體的電導(dǎo)率約為1S/m的問(wèn)題，探索采用電導(dǎo)率達(dá)到10S/m的1-乙基-3甲基咪唑氟氫酸鹽（EMI-（HF）2.3F）和13.1S/m的三甲基磺酸氟氫銨（S111-（HF）1.9F）作為推進(jìn)劑，但發(fā)現(xiàn)在真空中這兩種推進(jìn)劑容易結(jié)晶而無(wú)法使用，因此以電導(dǎo)率為1.46S/m（25℃）的1-乙基-3-甲基甲咪唑三氟（三氟甲基）硼酸鹽（EMI-CF3BF3）作為溶劑，添加上述兩種離子液體形成溶液。研究表明，25%S111-（HF）1.9F的溶液，在700～2000V電壓時(shí)，比沖提升了約1200～2000s（圖6）。雖然相對(duì)于純的EMI-CF3BF3，25%S111-（HF）1.9F的溶液密度有所降低，但總的來(lái)說(shuō)，相同電壓下，25%S111-（HF）1.9F的溶液推力密度還是得到了提升。

圖6 采用三種不同配方的推進(jìn)劑時(shí)比沖隨電壓的變化情況Fig.6 The variation of specific impulse with voltage when using three different propellant formulations

此外，MIT的Velásquez-García充分利用3D技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，開展了3D打印電噴推力器發(fā)射體（圖7）和柵極研究，利用水熱生長(zhǎng)法在3D打印發(fā)射體上生長(zhǎng)氧化鋅納米管實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑輸運(yùn)，從而改善離子發(fā)射[30-32]。項(xiàng)目組開展了耐溫性較好的結(jié)合劑黏接3D打印316L不銹鋼發(fā)射體和成本較低的數(shù)字光投影3D打印聚合物發(fā)射體制備。氧化鋅納米管直徑約150nm。試驗(yàn)表明，采用1、7、19個(gè)發(fā)射針聚合物發(fā)射體的電噴推力器的起始工作電壓約4000V。本研究的亮點(diǎn)是在發(fā)射體上生長(zhǎng)了碳納米管，項(xiàng)目組通過(guò)質(zhì)譜法測(cè)試，證明實(shí)現(xiàn)了全離子發(fā)射狀態(tài)，推測(cè)與納米管有關(guān)，但尚不清楚具體原因。

（a）3D打印不銹鋼發(fā)射體; （b）不銹鋼發(fā)射針;（c）生長(zhǎng)了氧化鋅納米管的不銹鋼發(fā)射針頭部;（d）不銹鋼發(fā)射針頭部的氧化鋅納米管;（e）3D打印聚合物發(fā)射體;（f）聚合物發(fā)射針;（g）生長(zhǎng)了氧化鋅納米管的聚合物發(fā)射針頭部;（h）不銹鋼發(fā)射針頭部的氧化鋅納米管圖7 MIT的3D打印電噴推力器發(fā)射體部件Fig.7 3D printed electrospray thruster emitter part developed by MIT

MIT的科研成果在N.Bailey和L.Perna的努力下，以Accion System公司為載體，正在開展產(chǎn)業(yè)化工作[33-34]，實(shí)現(xiàn)了科研成果的商業(yè)化，非常有利于電噴推進(jìn)技術(shù)的良性發(fā)展。

3.1.2 Busek公司主攻大推力和寬調(diào)節(jié)

Busek公司作為美國(guó)具有代表性的創(chuàng)新推進(jìn)技術(shù)公司，將電噴推進(jìn)作為其主要業(yè)務(wù)方向之一。Busek公司針對(duì)電噴推進(jìn)的大推力和寬調(diào)節(jié)需求，大力發(fā)展采用平面多孔材料發(fā)射體或窄縫發(fā)射體的基于常規(guī)制備方法的電噴推進(jìn)技術(shù)以及被動(dòng)和主動(dòng)推進(jìn)劑供應(yīng)技術(shù)，形成了多款電噴推進(jìn)樣機(jī)，并率先實(shí)現(xiàn)了電噴推力器在正式型號(hào)上的成功應(yīng)用。Busek公司在2000年左右開始電噴推進(jìn)技術(shù)研究[35]，形成了系列化電噴推力器產(chǎn)品，在研產(chǎn)品最大推力達(dá)到20mN，可支撐一系列立方體衛(wèi)星和引力波探測(cè)器等空間任務(wù)。

（a） 模塊組成

（b） 模塊剖面圖圖8 Busek公司的9發(fā)射體1mN電噴推力器模塊Fig.8 1mN electrospray thruster module with 9 emitters developed by Busek Company

平面多孔材料發(fā)射體或窄縫發(fā)射體有利于增大發(fā)射面積，從而實(shí)現(xiàn)較大的推力、較小的尺寸，但缺點(diǎn)是需要較高的工作電壓。Busek公司在推力200μN(yùn)、比沖250～1000s的單平面發(fā)射體電噴推力器研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了1mN平面發(fā)射體電噴推力器技術(shù)研究[36]。Busek公司研制的最大推力為1mN的9平面發(fā)射體的電噴推力器模塊，由推力器和推進(jìn)劑貯供系統(tǒng)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。模塊功率<9W，額定推力0.7mN，最大推力1mN，額定比沖800s，比沖調(diào)節(jié)范圍400～1300s，總沖675N·s，最高柵極電壓10kV，模塊質(zhì)量1.15kg，推進(jìn)劑為EMI-Im離子液體，體積約50mL，推力器采用推進(jìn)劑主動(dòng)供液技術(shù)，由膜盒貯箱和流量控制閥控制微流量推進(jìn)劑。

圖9 由4臺(tái)1mN電噴推進(jìn)模塊組成的4機(jī)組模塊Fig.9 Schematic diagram and physical objects of 4-thruster module composed of 4 1mN electrospray propulsion modules

基于1mN電噴推力器模塊，Busek公司改進(jìn)研制了5～30μN(yùn)寬范圍可調(diào)、額定比沖240s的電噴推力器及其4機(jī)組模塊（圖9）[37]。2臺(tái)模塊應(yīng)用在2015年12月3日發(fā)射的LISA Pathfinder探測(cè)器上，其推力調(diào)節(jié)性能和噪聲均滿足任務(wù)要求，且噪聲性能優(yōu)于探測(cè)器上的冷氣推力器。1臺(tái)4機(jī)組模塊由4臺(tái)電噴推力器頭部、4套推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、4個(gè)功率處理單元、1個(gè)陰極和1個(gè)數(shù)字控制接口單元組成。每臺(tái)4機(jī)組模塊質(zhì)量為14.8kg，最大功率分別為24.6W和25.4W。通過(guò)控制推力器頭部束流電壓（2000～8000V）和推進(jìn)劑流量，實(shí)現(xiàn)束流電流（2.25～5.40μA）的精確控制，獲得優(yōu)于0.1μN(yùn)的推力分辨率和0.1μN(yùn)/Hz0.5的推力噪聲。針對(duì)后續(xù)LISA任務(wù)對(duì)總沖要求大幅提升的問(wèn)題，Busek公司正在開展改進(jìn)設(shè)計(jì)工作。

針對(duì)微小衛(wèi)星需求，Busek公司在2015年左右開始了BET-300-P被動(dòng)供液電噴推力器的研究。該推力器推力調(diào)節(jié)范圍5～150μN(yùn)，推力分辨率0.4μN(yùn)，推力噪聲優(yōu)于0.01μN(yùn)/Hz0.5（10mHz ～10Hz）[38]。2020年，該推力器開展了環(huán)境試驗(yàn)和461h的壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，總沖達(dá)91.8N·s。

針對(duì)中小型衛(wèi)星需求，Busek公司開展了20mN推力的大推力多模式電噴推力器的研發(fā)工作，推力器樣機(jī)采用9條多孔材料平面發(fā)射體，設(shè)計(jì)功率100W，最大推力時(shí)比沖800s[39-40]。該推力器將是小功率霍爾和離子推力器的強(qiáng)勁對(duì)手。

3.1.3 密蘇里科技大學(xué)主攻化電雙模微推進(jìn)

針對(duì)微小衛(wèi)星體積小，很難同時(shí)裝備推力較大的化學(xué)推進(jìn)和比沖較高的電推進(jìn)的問(wèn)題，密蘇里科技大學(xué)的J.L. Rovey等提出了采用含能液體推進(jìn)劑，實(shí)現(xiàn)化學(xué)微推進(jìn)和電噴推進(jìn)的化電雙模微推進(jìn)思路[41]，并在NASA和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室等的支持下開展研究工作[42]。圖10所示為化電雙模微推進(jìn)原理圖，工作在化學(xué)推進(jìn)模式時(shí)，推進(jìn)劑流量較大，通過(guò)催化使推進(jìn)劑燃燒并噴出，產(chǎn)生mN級(jí)的較大推力，比沖較低;工作在電噴推進(jìn)模式時(shí)，推進(jìn)劑流量較小，通過(guò)電噴推進(jìn)原理工作，產(chǎn)生μN(yùn)級(jí)的推力，比沖較高。

（a） 化學(xué)推進(jìn)模式

（b） 電噴推進(jìn)模式圖10 化電雙模微推進(jìn)原理圖Fig.10 Schematic diagram of chemical-electric dual-mode micro propulsion

J.L.Rovey項(xiàng)目組開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、推進(jìn)劑配方、化學(xué)推進(jìn)催化劑[43]、燃燒速率[44]、電噴束流粒子成分[45]等的研究，利用錸等催化劑實(shí)現(xiàn)了添加BMI-NO3或EMI-EtSO4離子液體的硝酸羥胺（Hydroxylammonium Nitrate，HAN）推進(jìn)劑的催化點(diǎn)火。采用EMI-EtSO4/HAN混合溶液，實(shí)現(xiàn)了電噴推進(jìn)模式，在0.19nL/s的低流量下比沖達(dá)到412s，相應(yīng)電壓3400V，推力1.08μN(yùn)，功率2.22mW[46]。理論分析表明，通過(guò)優(yōu)化推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)和發(fā)射體設(shè)計(jì)，電噴推進(jìn)模式比沖可超過(guò)1000s。

3.1.4 密歇根理工大學(xué)主攻鐵磁流體成型發(fā)射體新型電噴推進(jìn)

針對(duì)傳統(tǒng)電噴推進(jìn)發(fā)射體均為固體結(jié)構(gòu)，制備難度高，工作時(shí)不可避免地存在電極燒蝕、通道堵塞等問(wèn)題，密歇根理工大學(xué)L.B. King等在2013年提出了采用鐵磁流體在磁場(chǎng)中的羅森茨維格不穩(wěn)定原理，形成基于流體成型發(fā)射體的新型電噴推進(jìn)技術(shù)[47]。圖11所示為鐵磁流體在磁場(chǎng)作用下形成錐狀凸起陣列原理圖及其陣列局部照片。當(dāng)羅森茨維格不穩(wěn)定性產(chǎn)生的力與液體表面張力平衡時(shí)，液體表面將形成錐狀凸起陣列，該陣列可作為電噴推進(jìn)的發(fā)射體。

（a） 原理圖

（b） 整體

（c） 局部圖11 鐵磁流體在磁場(chǎng)作用下形成錐狀凸起陣列原理圖及其陣列照片F(xiàn)ig.11 Schematic diagram and photos of cone convex array formed by ferrofluid under the action of magnetic field

項(xiàng)目組開展了鐵磁離子液體（Ionic Liquid Ferrofluid，ILFF）配方、束流粒子成分、貯存結(jié)構(gòu)、發(fā)射體陣列調(diào)控、推力器構(gòu)型[48-49]、推進(jìn)劑供給方式[50]和建模分析[51]等研究，實(shí)現(xiàn)了流體成型單發(fā)射體、發(fā)射體陣列以及電噴推進(jìn)性能測(cè)試，在電壓3.72kV、磁場(chǎng)強(qiáng)度388Gs、流量26.6ng/s時(shí)，獲得了0.38μN(yùn)推力和1455s比沖。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，單發(fā)射體鐵磁流體電噴推力器產(chǎn)生的推力比MIT的iEPS電噴推力器高1個(gè)量級(jí)。

3.2 瑞士

圖12 19個(gè)發(fā)射體的硅基電噴推力器芯片及單個(gè)發(fā)射體Fig.12 19-emitter silicon based electrospray thruster chip and its single emitter

在瑞士，主要是洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)的空間微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在開展電噴推進(jìn)技術(shù)研究，主要研究人員為S.Dandavino、H.Shea和D.G.Courtney。2012年，開展了基于硅基材料的電噴推力器芯片的制備技術(shù)、工作模式、試驗(yàn)技術(shù)等研究[52]，形成了具有19個(gè)發(fā)射體的硅基電噴推力器芯片樣機(jī)（圖12），發(fā)射體高度70μm，內(nèi)徑5μm，試驗(yàn)成功驗(yàn)證了毛細(xì)作用推進(jìn)劑輸運(yùn)和點(diǎn)火，最高工作電壓739V，發(fā)射電流超過(guò)0.2μA，證明了方案的可行性。

在歐空局的支持下，項(xiàng)目組開展了基于多孔材料刀片發(fā)射體陣列的電噴推進(jìn)技術(shù)及其在采用EMI-BF4和EMI-Im等不同離子液體推進(jìn)劑時(shí)推力、比沖等性能測(cè)試技術(shù)研究，比較了直接和間接性能測(cè)試方法[53]。刀片發(fā)射體采用Duran集團(tuán)的P5級(jí)、直徑1cm、厚3mm的多孔玻璃過(guò)濾片作為原材料，通過(guò)銑削加工成型（圖13）。采用EMIIm推進(jìn)劑，功率0.1～0.8W時(shí)，推力5～50μN(yùn)，0.5W時(shí)比沖約1500s，效率約50%;采用EMI-BF4推進(jìn)劑，功率0.2～0.7W時(shí)，推力7～25μN(yùn)，20μN(yùn)時(shí)比沖約3260s，效率約65%。

圖13 刀片發(fā)射體陣列制備過(guò)程Fig.13 Preparation process of blade emitter array

3.3 英國(guó)

在英國(guó)，主要是倫敦瑪麗王后大學(xué)開展基于硅基MEMS工藝的電噴推進(jìn)技術(shù)研究，攻克了硅基MEMS電噴推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝等關(guān)鍵技術(shù)，開展了點(diǎn)火試驗(yàn)研究[54]，與薩里大學(xué)合作開展了基于納衛(wèi)星的試驗(yàn)技術(shù)研究[55]。研制的試驗(yàn)樣機(jī)在電壓7.3～8.6kV，流量54～151nL/s時(shí)，單發(fā)射體的發(fā)射電流為290～430nA。2012年，倫敦瑪麗王后大學(xué)與瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)合作研制了19發(fā)射體硅基電噴推力器[56]。2018年，發(fā)表了電噴射流分裂機(jī)理研究成果[57]。

4 發(fā)展趨勢(shì)分析

通過(guò)對(duì)國(guó)外電噴推進(jìn)發(fā)展情況的分析，總結(jié)出如下發(fā)展趨勢(shì)。

1）深入開展機(jī)理研究，不斷推動(dòng)原始創(chuàng)新，提升電噴推進(jìn)的性能、可靠性和制備效率。如MIT開展新型推進(jìn)劑研制和應(yīng)用研究，大幅提升比沖；Busek公司開展20mN電噴推力器研制，刷新電噴推力器的推力上限；美歐都面向有利于大幅提高效率的電噴推力器芯片，開展了硅基電噴推力器設(shè)計(jì)和制備工藝的研究工作，將大幅提升電噴推力器的制備效率。

2）模塊化、批產(chǎn)化、預(yù)包裝是實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的必然選擇。電噴推進(jìn)主要應(yīng)用在對(duì)周期、質(zhì)量、尺寸和成本有嚴(yán)格要求的微小衛(wèi)星領(lǐng)域，必須通過(guò)設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新，采取不同于傳統(tǒng)空間推進(jìn)的研制思路，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的模塊化、制備的批產(chǎn)化、推進(jìn)劑的預(yù)先包裝等，從而為電噴推進(jìn)廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3）化電雙模推進(jìn)是實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星高性能高效率推進(jìn)系統(tǒng)的重要途徑。電噴推進(jìn)推力小，難以實(shí)現(xiàn)某些微小衛(wèi)星的快速變軌需求，而基于電噴推進(jìn)本身采用的離子液體基推進(jìn)劑，可實(shí)現(xiàn)推力較大的化學(xué)推進(jìn)，從而使一套微推進(jìn)系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)較大推力，又能實(shí)現(xiàn)較高比沖。

4）流體成型發(fā)射體電噴推進(jìn)為長(zhǎng)壽命提供了技術(shù)途徑。傳統(tǒng)電噴推進(jìn)的發(fā)射體，如毛細(xì)管發(fā)射體、外潤(rùn)濕發(fā)射體、多孔材料發(fā)射體，均依靠固體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的輸運(yùn)和電場(chǎng)積聚，工作過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生腐蝕、堵塞等問(wèn)題。通過(guò)磁場(chǎng)等實(shí)現(xiàn)不需要固體發(fā)射體的流體成型發(fā)射體，為實(shí)現(xiàn)電噴推進(jìn)的長(zhǎng)壽命提供了一種可行的技術(shù)途徑。

5）性能和壽命快速評(píng)估手段不斷豐富。電噴推進(jìn)存在的μN(yùn)級(jí)推力、kV量級(jí)電壓、推進(jìn)劑被動(dòng)輸送等特點(diǎn)，使其性能和壽命評(píng)估困難重重。各研究團(tuán)隊(duì)提出了直接性能測(cè)試和間接性能測(cè)試方法并在不斷完善，以推動(dòng)電噴推力器測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

電噴推進(jìn)作為一種高性能微推進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其工作機(jī)理已基本明晰，并在持續(xù)不斷地深入研究，成功實(shí)現(xiàn)了引力波探測(cè)器等極高要求的在軌應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的上?？臻g推進(jìn)研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所、北京控制工程研究所、北京機(jī)械設(shè)備研究所、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等多個(gè)單位和高校均在開展電噴推進(jìn)技術(shù)研究，取得了大量科研成果，形成了多款樣機(jī)，北京機(jī)械設(shè)備研究所和北京航空航天大學(xué)研制的電噴推力器已實(shí)現(xiàn)空間飛行。為了進(jìn)一步促進(jìn)國(guó)內(nèi)電推進(jìn)的發(fā)展，提出如下建議：

1）加強(qiáng)電噴推進(jìn)技術(shù)規(guī)劃和總體牽引，提高研究的針對(duì)性，縮短成果應(yīng)用時(shí)間；

2）加強(qiáng)業(yè)內(nèi)溝通與交流，鼓勵(lì)提出不同電噴推進(jìn)方案和途徑，實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展，為電噴推進(jìn)技術(shù)發(fā)展、原始創(chuàng)新和外延拓展積聚力量；

3）加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，實(shí)現(xiàn)電噴推進(jìn)科研成果的快速轉(zhuǎn)化和可靠應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展；

4）加強(qiáng)電噴推進(jìn)性能測(cè)試與壽命評(píng)估技術(shù)研究，逐步統(tǒng)一測(cè)試方法，完善測(cè)試手段，建立第三方測(cè)試評(píng)估機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的可靠測(cè)試與評(píng)估。