微型镓场发射电推力器的研制和点火特性

上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240

自20世纪电推进概念出现以来，电推进技术吸引了各国科学家们的广泛关注。随着航天技术高速发展，微小卫星应用领域迅速扩展，微小卫星对高精度编队飞行、精确姿态控制、大气阻力补偿、轨道机动等能力的需求凸显，对比冲高、功率小、质量小、推力大范围可调、结构紧凑的微型推进系统的需求越来越迫切[1-2]。

电推进技术是一种利用电能加热、离解和加速推进剂工质，最终使其形成高速羽流而产生推力的技术。电推进技术具有比冲高、质量小、稳定可靠、寿命长等优势，携带少量的推进剂即可长时间工作，增加了航天器的有效载荷，延长了航天器的寿命。电推进技术分为多个种类，如离子推力器(Ion Thruster)、霍尔推力器(Hall Effect Thruster)、电弧推力器(Arcjet Thruster)和场发射电推力器(Field Emission Electric Propulsion，FEEP)等。其中，场发射电推力器是一种推力小且调节精度高、效率高、比冲高(4 000～12 000 s)的推力器，适用于微纳卫星的超高精确姿态控制、编队飞行和大气阻力补偿等等。FEEP的工作原理是：工作状态下，经过加热后的液态金属推进剂在毛细作用下，通过发射极表面的微细沟道持续不断地输送到发射极尖端；同时，利用高压电源给吸极和发射极间施加6～13 kV的高压电场，根据场发射和场蒸发的原理，金属离子在表面张力和电场力作用下，形成泰勒锥，最终形成发射羽流，原理如图1所示[3-5]。其发射极的形状有针、毛细管和狭缝3种类型。

目前，国内外都对FEEP展开了一系列研究。德国的德累斯顿工业大学研制出一种用于实现立方体小卫星姿态调整和轨道控制的NanoFEEP。这种推力器采用多孔钨针作为发射极，采用金属镓作为推进剂，体积小于3 cm3，质量小于6 g，能够持续产生从亚微牛到8 μN范围的微推力，推力峰值可以达到22 μN[6]。奥地利研究中心与欧洲航天局致力于毫牛级FEEP的研究，结合针型和毛细管型发射极的优点，研制出环状分布的28针“皇冠发射极”。两个“皇冠发射极”组合可测得功率推力比为80 W/mN，比冲高于6 000 s，最大推力为1.28 mN[7-8]。中国科学院力学研究所针对FEEP应用研究中的工程化等问题，对比了作为推进剂的镓和铯的物性，分析其对热蒸发、推力和比冲大小、发射尖端升温等影响，证明了推进剂镓对铯的良好替代性。并且，解决了狭缝润湿问题，研制出狭缝式镓场发射电推力器，进行了点火试验[9]。上海交通大学研制出针式铟场发射电推力器，并成功实现点火，最大推力可达到30 μN；但存在点火特性不够稳定、寿命较短的问题[10]。

图1 FEEP原理Fig.1 The principle of FEEP

铟是众多研究机构在针式FEEP推力器中选用的主流推进剂。铟的熔点较高(156.1 ℃)，导致FEEP推力器的加热能耗和加热装置的尺寸都较大，限制了其在对功耗和尺寸具有严格要求的航天器上的使用。而与铟同族的镓的熔点较低(29.76 ℃)，具有大幅降低FEEP推力器尺寸和功耗的潜力。

国外的德累斯顿工业大学已经展开镓FEEP推力器的研制；在国内，中科院研制过狭缝式镓FEEP推力器。但总体而言，国内对针式镓FEEP推力器的研究进度相对滞后，尤其是对针式微型镓FEEP推力器的研究。目前，对电推力器的小型化和低功率等要求越来越高，成为各学者关注的热点。在此背景下，本文对针式微型镓FEEP推力器进行研究，优化结构设计，控制加热功率，研制出国内首台实验样机。本文针对润湿问题和点火特性展开试验和仿真，解决了润湿不充分的问题，分析了润湿温度和几何参数对点火特性的影响。推力器实验样机的研制对于微型镓FEEP推力器的工程化具有一定的意义，试验结果也有助于选择合适的推力器参数，提高点火性能。微型镓FEEP推力器在微纳卫星执行空间探测任务等方面具有很好的应用前景，但是，目前研制出的推力器实验样机存在长时间工作后性能降低等问题，仍需要进一步优化。

1 微型镓场发射电推力器的研制

本文的研制工作主要分为发射针的制备、发射针的润湿和推力器样机研制3个部分，目标是设计出微小尺寸和功率的针式镓场发射电推力器。推力器的尺寸对加热功率的影响非常大，为了减少能量耗散，需要尽可能地缩小尺寸。但由于推力器是在高压下工作，尺寸和各部件之间的间隙过小会很容易发生击穿打火现象。因此，研制过程优化了结构设计，保证各部分接触良好，合理利用沟槽和筋板，避免发生打火。另外，为了提高推力器工作性能，应提高各部件的加工精度，控制形位公差，使发射针和吸极保持良好的同轴度。

1.1 发射针的制备

为了提高针尖处的尖端电压，发射针针尖半径一般只有数微米。常规的机械加工方法难以加工出满足要求的锥形钨针尖，所以采用电化学腐蚀的方法。

选用表面有微细沟槽的0.5 mm直径的钨杆作为阳极，不锈钢圆环作为阴极，在一定浓度的NaOH溶液中发生反应[11-13]。另外，为了使镓能够润湿发射针表面且流动良好，加深钨杆表面的微细沟槽，采用交流电源供电，在NaOH溶液中反应进行粗化。制备完成的发射针的显微图片如图2所示。发射针表面附着有很多的杂质，需要清洗处理，否则会影响到镓在表面的润湿和流动性[13-14]。

图2 制备完成的发射针显微图Fig.2 Prepared emitter micrograph

1.2 发射针的润湿

在电推力器的工作过程中，推进剂镓通过发射针表面源源不断地流向针尖形成羽流。为了保证发射的稳定性，金属镓需要在发射针表面保持良好的流动性。因此，在电推力器工作前，需要对发射针表面进行润湿处理，形成金属镓的液膜。

对于FEEP来说，润湿一直都是核心环节和技术难点。美国的桑迪亚国家实验室在解决铟在钨毛细管中的润湿问题时就遇到了难题，并最终放弃FEEP的研究[15]。钨针表面存在的氧化层，油污等杂质难以彻底去除，与铟同族的镓在钨针表面的润湿性很差。

Thomas Young在1804年提出的杨氏方程是研究润湿性的经典理论[16]：

σsg-σlgcosθ-σls=0

即：

cosθ=(σsg-σls)/σlg

式中：θ为接触角；σsg为固-气界面张力；σlg为液-气界面表面张力；σls为固-液界面表面张力。杨氏方程给出了固-液-气三相体系中接触角与各界面间表面张力的关系。润湿理论指出，固体的表面能越高，或者液体的表面张力越小，润湿性越好。但通常来说，固体的表面能难以改变，应尝试改变液体的表面张力。温度越高，液-气界面表面张力越小(即液体表面张力越小)，σls也就越小，接触角θ越小。接触角θ用来表征润湿性的好坏，如图3所示，接触角越小，润湿性越好。所以，尝试通过提高温度来改善镓在发射针表面的润湿性[17-18]。

图3 接触角示意Fig.3 Contact angle diagram

镓是淡蓝色金属，其熔点很低，在29.76 ℃时变为银白色液体。推进剂镓在加热熔化至液态时，进行在发射针表面的润湿实验。根据金属镓的理化性质，镓在潮湿空气中会发生氧化，因此，在真空环境下进行润湿试验。润湿采用螺旋进给装置，让发射针在熔化的金属镓中上下往复运动。试验对比了发射针在不同温度下的润湿效果，其中，300 ℃和360 ℃下的润湿效果如图4所示。

由图4可知，300 ℃时发射针表面覆盖了薄层的镓；而在360 ℃时，发射针表面的镓层较厚，已经完全包覆了针尖，润湿效果大大提升。同时，试验中发现，当温度较低时(低于300 ℃)，润湿效果会变差，发射针表面仅附着有少量的镓。由此得到，温度对润湿效果的影响非常明显。随着温度的提高，润湿效果越来越好。总体而言，当温度高于300 ℃时，镓在发射针表面润湿效果良好，发射针表面呈现银白色。

国内外学者在研究金属离子源的过程中，对镓的润湿也采取了多种方法。比如，清华大学的董桂芳采用电子轰击去除发射针表面氧化钨的方法提高润湿性，国外大多采用在真空中反复挂镓的方法，但过程复杂或难以保证效果[19-21]。本文提出的通过提高温度改变润湿性的方法取得了良好的润湿效果，且简便易行。

因此，本试验解决了镓在发射针表面难以充分润湿的难题；对比了不同温度下的镓在发射针表面润湿效果，确定了温度对润湿效果的影响；并得到了能使润湿效果良好的温度范围(>300 ℃)。

1.3 推力器样机研制

本文研制出的推力器样机的优势主要有3点：首先，体积小，质量小，外廓尺寸仅为Φ18.5 mm × 27 mm，可以有效降低微纳卫星的载荷。其次，加热功率低，推力器工作时仅需要0.32 W的加热功率，大大降低了能源消耗，在保证发射功率的基础上降低总功率。最后，该推力器可以很方便地实现极间距(发射针顶点和吸极之间的间距)和吸极内孔直径的调节，有助于研究推力器在不同几何参数下的性能。

本文研制的推力器样机在设计时尤其注重在加热部分的设计。采用定制的微型陶瓷加热棒，外廓尺寸为Φ4 mm × 8 mm，陶瓷粉填充密实，外壁可以与10 kV以上的高压直接接触而不产生击穿。在结构设计方面，保证存储室与加热棒的接触紧密，减小其余零件与加热棒接触面积，提高了传热效率。上海交通大学研制的铟FEEP推力器的加热功率约为6 W，相比之下，本文研制的推力器的加热功率大大降低。

在进行推力器样机设计时，综合考虑发射针、电场强度、场发射电推力器寿命等各方面因素，得出微型镓场发射电推力器的主要结构设计参数如表1所示。

表1 NanoFEEP主要结构设计参数

研制得到的微型镓场发射电推力器实物如图5所示。其主要组成部分有吸极、发射针、刻度盘、存储室、加热棒及附属部件等。其中，刻度盘用来精确调节极间距。用来存放推进剂镓的存储室使用难加工的钼材料。附属部件选用聚醚醚酮(PEEK)，它具有极好的绝缘绝热性能、良好的可加工性以及极好的化学稳定性，完全满足NanoFEEP样机运行在高压条件下的要求。

图5 微型镓场发射电推力器Fig.5 NanoFEEP thruster

2 性能测试和分析

微型镓场发射电推力器的发射性能受到多方面因素的影响，如润湿温度、几何参数、传热性、电场力大小和分布等。为测试和分析各因素对推力器性能的影响，在真空环境下进行点火试验。

2.1 点火试验

利用真空舱进行抽真空，在一台罗茨泵，两台旋片泵，两台分子泵的工作下，真空度能够达到5.4×10-4Pa。在真空环境下，首先对推力器存储室中的镓和发射针进行加热，让推进剂镓和发射针针尖的温度超过镓的熔点29.76 ℃。在点火之前，对发射针针尖在真空环境下的加热温度进行了标定。根据金属导体的热电效应，在室温25 ℃的条件下采用K型热电偶进行标定，发射针针尖的温度标定情况如图6所示。为了提高镓在发射针表面的流动性，试验中将温度加热到50℃左右。由图6可得，在真空中0.32 W的加热功率可以让发射针的针尖温度达到这一温度[22-23]。

图6 针尖温度标定Fig.6 Tip temperature calibration chart

从0 kV开始缓慢提高电压，在刚开始时，无电流产生，发射针针尖处无亮光；当电压继续提高到某一数值时，瞬间产生了电流(可将此时的电压称为起始点火电压)，但依然观察不到亮光；随着电压进一步升高，电流逐渐增大，观察到发射针针尖处发出的紫色亮光，且亮度随着电流的增大而提高。当电流达到300 μA以上时，金属离子发射产生的紫色亮光十分明显，如图7所示。

图7 点火现象Fig.7 Ignition phenomenon

2.2 不同润湿温度下的点火特性

使用360 ℃和300 ℃两种温度下润湿完成的发射针进行点火试验，观察润湿温度对点火特性的影响。选取内孔直径为4 mm的吸极，调节极间距为250 μm，观察点火现象并测量发射电流，得到不同润湿温度下的I-V曲线，如图8所示。

图8 不同润湿温度的点火I-V曲线Fig.8 Ignition I-V curves under different wetting temperatures

由图8可知，同等电压下，润湿温度的提高会使发射电流增大，改善点火性能；起始点火电压随着润湿温度的提高而降低。这是因为润湿温度越高，镓的润湿性越好，越能促使推力器的发射。马向国等在研制镓离子源的过程中也发现了润湿性对发射性能的重要影响，润湿性越好，发射性能越好[24]。需要说明的是，如果润湿温度过高，会加速润湿实验装置的耗损，应该尽量控制温度低于380 ℃。

2.3 不同几何参数下的点火特性

除了润湿温度以外，几何参数的改变也会影响推力器性能。本文针对吸极内孔直径和极间距这两个主要的几何参数进行了试验分析。选取300 ℃下润湿的发射针，分别改变这两个参数进行试验。首先，控制极间距为250 μm不变，分

别使用内孔直径为2 mm、4 mm、6 mm的吸极，测得点火的I-V曲线，如图9所示。其次，控制吸极内孔直径为4 mm不变，分别调节极间距为250 μm、500 μm、750 μm，测得点火的I-V曲线，如图10所示。

图9 不同吸极内孔直径的点火I-V曲线Fig.9 Ignition I-V curves under different inner hole diameters of absorbing pole

图10 不同极间距的点火I-V曲线Fig.10 Ignition I-V curves under different pole spacing

由图9、图10可得，发射电流随着电压的增大而增大；而在同等电压下，吸极内孔直径越小，极间距越小，发射电流越大，点火性能越好，起始点火电压也会降低。在吸极内孔直径为2 mm，极间距为250 mm时，最大发射电流可以达到350 μA左右。德国德累斯顿大学研制的镓NanoFEEP推力器的最大发射电流可达到250 μA[6]；段君毅通过计算得到，极间距越大，发射针尖端电场强度越小[10]。但二者缺少对不同几何参数下的点火特性的试验验证。

因此，本文的试验有利于选择出合适的几何参数来提高发射电流，可以为推力器实验样机工程化过程中的参数选择提供参考。应选择极间距为250 mm，吸极内孔直径为2 mm，此时，同等电压下的发射电流将得到明显提高。吸极内孔直径和极间距不能过小，否则会在极间产生击穿打火现象，影响发射电流的稳定性。

2.4 理论推力

微型推力器工作时产生的微推力是评估推力器性能的重要指标。微推力测量过程中的影响因素很多，如环境噪声和振动带来的影响，测量系统的误差，气动力和电磁力之间的相互作用等[25-26]。目前，针对毫牛级别的微推力测量的技术较为成熟，精度很高；但针对微牛级别的微推力测量对试验环境和测量系统的要求极高。本文中研究的微型镓场发射电推力器的推力大小为在数微牛到数十微牛之间，普通的微推力测量装置难以准确测量，测量难度极高，精度往往难以保证。但根据能量守恒和动量守恒理论可以推导场发射电推力器的理论推力公式，国外文献中通过试验比对给出了修正系数，可以推出[27]：

式中：F为微推力(μN)；I为发射电流；m为单个的镓离子质量(取值1.161×10-25kg)；e为元电荷(取值1.6×10-19C)；c为修正系数(取值0.8)；U为极间电压。根据理论公式，选取极间距为250 μm，吸极内孔直径为2 mm，300 ℃润湿条件下测得的电流数据，得到理论推力如图11所示。理论推力随电流的变化基本上保持线性，与国外的实测数据相近[6]。

图11 理论推力Fig.11 Theoretical thrust

3 电场仿真

微型镓场发射电推力器工作过程中受到电场、热场和流场的耦合作用，机理较为复杂。发射针表面的镓推进剂主要受到液体表面张力和静电力的综合作用，当两个力达到平衡时，液态镓在发射针针尖形成泰勒锥，有如下关系[27]：

式中：γ为液体的表面张力系数；E为电场强度；r1和r2分别为发射极顶部曲面任意点处的曲率半径。

在高压真空工作状态下，场发射极间电场强度的计算十分复杂，利用Comsol软件进行仿真[28-29]。显微镜下观察得到：发射针经过酸洗后杆部直径为300 μm，针尖锥角为直角；充分润湿之后，发射针杆部均匀附着一层厚度为50 μm的推进剂镓，针尖处形成的液体半径约为15 μm。镓离子的发射是个复杂的动态过程，伴随着针尖处泰勒锥的形成，液态镓在锥顶形成拉伸的球冠状。段君毅在对铟FEEP推力器极间电场的研究过程中，对泰勒锥锥顶半径在1～10 nm时的电场强度进行了计算[10]。本文主要是为了分析不同极间距和吸极内孔直径对发射针尖端电场强度的影响，取泰勒锥锥顶半径为1 nm，简化处理为圆角，建模如图12所示。

图12 仿真建模图Fig.12 Simulation modeling diagram

在20 mm×20 mm的真空区域中，给发射针的电势为10 kV，吸极接地，发射针尖端电场强度的仿真结果如图13、图14所示。图13是极间距为250 μm，吸极内孔直径在1～6 mm范围时的电场模，图14是吸极内孔直径为2 mm，极间距在125～750 μm范围时的电场模。

结果说明，发射针尖端的电场强度随着吸极内孔直径和极间距的增大而减小。一般来说，FEEP在尖端电场强度达到109V/m以上才能正常工作，仿真结果与国内外研究情况相符[10,30]。这一仿真结果也解释了几何参数对点火特性的影响：不同几何参数下的发射针尖端电场强度发生改变，电场强度才是影响点火特性的根本，电场强度越大，发射电流越大。

图13 不同吸极内孔直径的电场模Fig.13 Electric field norm under different inner hole diameters of absorbing pole

图14 不同极间距的电场模Fig.14 Electric field norm under different pole spacing

4 结束语

本文解决了真空环境下镓难以充分润湿等问题，研制出了低功率的微型镓场发射电推力器，完成一系列的试验和分析。但是，推力器存在长时间工作后稳定性降低的问题，另外，实验样机的工程化，微推力的精确测量等问题仍需要进一步研究。下面列出具体的研究结论和成果：

1)注重对结构的绝缘绝热设计，采用定制的微型陶瓷加热棒给推力器加热，减小热功率。研制出了国内首台针式微型镓场发射电推力器实验样机，该样机体积小，质量小，几何参数(吸极内孔直径和极间距)可调。

2)用提高润湿温度的方法解决了镓在钨针表面难以充分润湿的难题；试验对比了温度对润湿效果的影响，温度越高，润湿效果越好，温度大于300 ℃时润湿效果良好。

3)成功实现微型镓场发射电推力器的点火，当发射电流较大时(>300 μA)，发射针针尖处有紫色亮光，点火现象明显，推力器点火存在起始点火电压，低于此电压时无发射电流。

4)润湿温度的提高，吸极内孔直径和极间距的减小，有利于提高发射电流，提升点火性能，起始点火电压也会变小，更容易实现点火。发射电流随着极间电压的增大而增大，最大可达到350 μA。通过试验对比，选择出能使发射电流明显提高的几何参数：极间距为250 mm，吸极内孔直径为2 mm。因此，试验结果可以为推力器实验样机工程化过程中的参数选择提供参考。另外，根据发射电流，给出了由公式计算得到的理论推力。

5)仿真得到不同几何参数(吸极内孔直径和极间距)下的发射针尖端电场强度，也即发射针尖端电场模，电场模在109V/m量级。同等电压下，吸极内孔直径越小，极间距越小，尖端电场强度越大，发射电流越大。仿真结果也解释了为什么几何参数的改变会改变发射电流。