場發(fā)射電推力器的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

郭登帥，康小明，劉欣宇，賀偉國，杭觀榮，李彥達(dá)，張 銳，王政偉，余 勇

(1. 中國科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203；2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；3. 上海空間推進(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)星在空間環(huán)境感知、新技術(shù)空間演示驗(yàn)證、空間科學(xué)試驗(yàn)、通信與數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)地或空間目標(biāo)偵查等方面有廣泛的應(yīng)用前景[1]。MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)等技術(shù)的日趨成熟促進(jìn)了低成本、小重量、小體積、高性能、短研制周期的微納衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，大大增加了微納衛(wèi)星的軌道機(jī)動(dòng)、精確姿態(tài)控制、大氣阻力補(bǔ)償、高精度編隊(duì)飛行等的需求，吸引越來越多的學(xué)者致力于功率小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的微推進(jìn)技術(shù)的研究。

電推進(jìn)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，具有高比沖、小推力、長壽命等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)相比，電推進(jìn)能夠大幅節(jié)省推進(jìn)劑、增加有效載荷質(zhì)量，從而增加航天器在軌壽命、提高航天器的整體性能與收益，特別適合用于航天器的姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移和深空探測等任務(wù)[2-6]。其中，場發(fā)射電推力器(Field Emission Electric Propulsion，F(xiàn)EEP)是一種具有比沖高、推力小且大范圍精確可調(diào)、推力噪聲低、功耗及成本低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)的電推力器，曾被選作SMART-2[7]、DARWIN[8]、Microscope[9]、LISA Pathfinder[10]等空間任務(wù)的阻力補(bǔ)償、姿態(tài)控制等，也被國內(nèi)的引力波探測任務(wù)——由中山大學(xué)發(fā)起的“天琴計(jì)劃”列為三顆編隊(duì)飛行衛(wèi)星相對(duì)位置精確調(diào)節(jié)的首選推力器[11]。因此，F(xiàn)EEP是重力梯度衛(wèi)星等的高精度阻力補(bǔ)償、微納衛(wèi)星的姿態(tài)控制和軌道轉(zhuǎn)移、星座編隊(duì)飛行等任務(wù)最有前景的推進(jìn)技術(shù)之一。

1 場發(fā)射電推力器的工作原理和特點(diǎn)

場發(fā)射電推進(jìn)技術(shù)是一種基于射流放電的電推進(jìn)技術(shù)。FEEP的工作原理如圖1所示：在存儲(chǔ)室中有液態(tài)金屬推進(jìn)劑，其下游端部為發(fā)射極，發(fā)射體下游為吸極。發(fā)射極尖部的液態(tài)金屬推進(jìn)劑在發(fā)射極和吸極間的極強(qiáng)電場和液體表面張力的雙重作用下形成泰勒錐，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到109-1010V/m時(shí)，發(fā)射極頂端的推進(jìn)劑因場致發(fā)射電離成離子，離子在同一電場的作用下加速噴出產(chǎn)生反作用推力；同時(shí)，存儲(chǔ)室中的液態(tài)金屬推進(jìn)劑在毛細(xì)作用下沿著發(fā)射體內(nèi)部的微小通道或發(fā)射體表面自由輸運(yùn)到發(fā)射極尖端進(jìn)行源源不斷的補(bǔ)給；最后，中和器產(chǎn)生電子來中和噴射出的離子，使羽流整體保持電中性。

圖1 FEEP工作原理示意圖

從FEEP的工作原理可以看出，與其他類型的電推力器相比，F(xiàn)EEP推力器具有以下特點(diǎn)：

1)推力小且大范圍精確可調(diào)(0.1 μN(yùn)～1 mN)，能夠完成其他推力器不能完成的航天器精確定位任務(wù)；

3)元沖量小，最小可達(dá)5×10-9N·s，是目前所有在研推力器中最小的；

4)推進(jìn)劑的離子化和加速在同一電場中完成，效率高，最高可達(dá)98%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的電推力器和化學(xué)推力器；

5)推進(jìn)劑貯存腔與推力器為一體化結(jié)構(gòu)，不需要高壓貯箱、管路和閥門等組件，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕；

6)無活動(dòng)部件，無機(jī)械噪聲和振動(dòng)，特別適合需精確定位的任務(wù)，不會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。

從工作原理上看，膠體推力器和電噴推力器具有和FEEP相似的工作方式。同它們相比，F(xiàn)EEP的優(yōu)點(diǎn)是推力精度和比沖更高，在高精度姿態(tài)調(diào)節(jié)方面有一定的優(yōu)勢；缺點(diǎn)是FEEP的工作電壓較高，通常在6 kV以上，且FEEP的推進(jìn)劑通常為金屬，需要額外的加熱部件，而膠體推力器和電噴推力器推進(jìn)劑為液體，無需加熱。

2 場發(fā)射電推力器的研究現(xiàn)狀

目前，國外從事FEEP研究的主要有奧地利的ARCS(Austrian Research Centers Seibersdorf)和FOTEC公司、意大利的Centrospazio實(shí)驗(yàn)室、Alta公司和SITAEL公司，他們的研究處于領(lǐng)先位置。國內(nèi)主要有上海交通大學(xué)、航天六院上海空間推進(jìn)研究所和中科院力學(xué)研究所在進(jìn)行相關(guān)研究。

我們?nèi)缃竦纳顮顟B(tài)當(dāng)然不能跟這些“大時(shí)代”中的前輩們“媲美”，相信我們大部分讀者也不會(huì)忙到只能“放養(yǎng)”孩子，而是天天恨不得在養(yǎng)育上精益求精。改革開放以來，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、教育等諸多方面的進(jìn)步，讓我們有了更好的社會(huì)“育兒”環(huán)境，而我們對(duì)于孩子安全、教育的關(guān)注度，更是遠(yuǎn)超過歷史上任何一個(gè)時(shí)代。我們的這些努力，其實(shí)就是讓孩子不再必須以及只能靠“自己打回去”來維護(hù)自己的安全。

2.1 國外研究概況

奧地利從上世紀(jì)70年代就開始從事銦液態(tài)金屬離子源(Liquid Metal Ion Source，LMIS)發(fā)射機(jī)理的研究，并應(yīng)用于航天器的電位控制系統(tǒng)[15]。基于銦液態(tài)金屬離子源上萬小時(shí)的太空飛行經(jīng)驗(yàn)以及其在微推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，ARCS從1998年開始了從銦LMIS向針式銦FEEP的技術(shù)轉(zhuǎn)化。截止2002年已經(jīng)研制出FEEP-25原理樣機(jī)[13]、FEEP-100工程樣機(jī)[14](如圖2(a)所示)。FEEP-25與FEEP-100的結(jié)構(gòu)是以針式銦 LMIS 為發(fā)射極，其最大推力分別為25 μN(yùn)和100 μN(yùn)。

圖2 ARCS研制的FEEP和FEEP簇

為了解決FEEP推力小的問題，ARCS一方面通過增加單個(gè)FEEP的數(shù)量形成FEEP簇，并先后完成了3個(gè)推力器構(gòu)成的FEEP簇[15](如圖2(b)所示)、2×2 FEEP簇[16]、4×4 FEEP簇[17]的研制和性能測試。另一方面，ARCS通過增加發(fā)射極上的發(fā)射點(diǎn)的個(gè)數(shù)來提高推力水平。他們將針式和毛細(xì)管式FEEP的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，研制了多孔(皇冠式)FEEP推力器，如圖3所示。該推力器具有28個(gè)多孔發(fā)射針，首次點(diǎn)火測試推力就達(dá)到了0.6 mN，比沖6 000 s，功推比為80 W/mN[18]。多孔(皇冠式)FEEP的研究工作隨后先后轉(zhuǎn)移到奧地利技術(shù)研究院(Austrian Institute of Technology，AIT)和FOTEC公司進(jìn)行，截止2016年已經(jīng)進(jìn)行了10 000小時(shí)的長壽命實(shí)驗(yàn)[19]。FOTEC公司將多孔(皇冠式)FEEP向微小型化轉(zhuǎn)化以用于微納衛(wèi)星和立方星，形成了IFM Nano FEEP和7個(gè)IFM Nano FEEP組成的推力器簇(含PPU、推進(jìn)劑和中和器)，外圍尺寸分別為10×10×10 cm和Φ30×10 cm，可提供大推力和高比沖兩種工作模式，其中7 FEEP簇計(jì)劃于2017年進(jìn)行在軌驗(yàn)證[20]。

與奧地利不同的是，意大利從事的是窄縫式銫FEEP的研究。90年代末期，Centrospazio實(shí)驗(yàn)室對(duì)窄縫式FEEP推力器進(jìn)行了大量的研究，包括發(fā)射性能測試、數(shù)值建模、微推力測試、羽流特性、壽命測試等。2000年，Centrospazio實(shí)驗(yàn)室基于已有研究轉(zhuǎn)型為Alta公司，進(jìn)一步推動(dòng)了FEEP的產(chǎn)品化進(jìn)程，先后研制了FEEP-5[21]和FEEP-150[22]等產(chǎn)品(圖4)。FEEP-5常規(guī)推力為1-100 μN(yùn)，于2005年完成飛行樣機(jī)鑒定。目前FEEP-150已經(jīng)成為Alta公司的主打產(chǎn)品，其推力范圍為0.1～150 μN(yùn)，比沖為4 000 s，最大推進(jìn)劑質(zhì)量為92 g。2014年底，隨著Alta公司并入其高壓電源供應(yīng)商SITAEL公司，窄縫式銫FEEP的研究也轉(zhuǎn)移到了SITAEL公司[23]。

圖3 多孔(皇冠式)FEEP及其首次點(diǎn)火示意圖

此外，奧地利和意大利的學(xué)者們針對(duì)LISA Pathfinder引力波探測這一太空實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。然而，由于沒有按時(shí)完成LISA Pathfinder的性能指標(biāo)，F(xiàn)EEP暫時(shí)被更加成熟的冷氣推力器替代。但是從FEEP具有最精確的指向性這一優(yōu)點(diǎn)來看，F(xiàn)EEP仍然是最適合引力波探測的推力器，在未來即將發(fā)射的引力波探測器的推力器選擇上，F(xiàn)EEP必然備受關(guān)注。

另一方面，F(xiàn)EEP僅微牛量級(jí)的推力使得它最適合用于微納衛(wèi)星、立方星等的推進(jìn)系統(tǒng)。隨著立方星在空間科學(xué)任務(wù)的需求越來越多，日益成熟的FEEP技術(shù)正在向小型化的方向發(fā)展。美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室歷時(shí)三年研制了MEMS毛細(xì)管式陣列FEEP，設(shè)計(jì)采用5×5陣列，單根毛細(xì)管直徑4 μm，深230 μm。然而，由于毛細(xì)管直徑設(shè)計(jì)的太小，他們遇到了銦無法在鎢毛細(xì)管中浸潤的問題，這導(dǎo)致毛細(xì)管出現(xiàn)不能同時(shí)點(diǎn)火、打火等諸多問題[24]。

德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)研制了用于立方星的Nano FEEP，整體尺寸僅Φ13×21 mm，總質(zhì)量小于6 g，能產(chǎn)生0.1-8 μN(yùn)的連續(xù)推力，最大推力為22 μN(yùn)。該設(shè)計(jì)采用了多孔發(fā)射針為發(fā)射體，鉭作為存儲(chǔ)室，低熔點(diǎn)的鎵作為推進(jìn)劑，通過對(duì)推力器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加熱功耗僅50-90 mW[25]。

2.2 國內(nèi)研究概況

目前國內(nèi)對(duì)FEEP的研究還處于起步階段，參與研究FEEP的單位主要有上海交通大學(xué)、上海空間推進(jìn)研究所以及中科院力學(xué)研究所。

上海交通大學(xué)和上海空間推進(jìn)研究所聯(lián)合進(jìn)行了FEEP電推進(jìn)技術(shù)的研究。從FEEP的機(jī)理研究、方案分析設(shè)計(jì)、微細(xì)發(fā)射針的制備出發(fā)，研制出國內(nèi)首臺(tái)針式銦FEEP原理樣機(jī)并成功點(diǎn)火，對(duì)FEEP的伏安特性、推力和比沖等性能進(jìn)行了初步測試[26]。但該推力器存在推力較小、工作壽命較短的問題。后通過對(duì)FEEP原理樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出FEEP實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，尺寸為Φ28×49 mm，質(zhì)量約60 g，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定點(diǎn)火，最大理論推力可達(dá)為70 μN(yùn)[27]。

中科院力學(xué)研究所對(duì)窄縫式FEEP中的推進(jìn)劑銫易熱蒸發(fā)和被氧化等技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，分析了鎵和銫兩種推進(jìn)劑的物性差異對(duì)推力器工程適用性的影響，探索并實(shí)現(xiàn)了液態(tài)鎵在大氣環(huán)境中的加注與浸潤工藝，研制了鎵窄縫式FEEP原理樣機(jī)并成功點(diǎn)火，表明鎵是窄縫式銫FEEP的良好推進(jìn)劑替代物。但由于尖端微觀結(jié)構(gòu)未達(dá)到理想條件，推力器的點(diǎn)火穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步改進(jìn)[28]。

3 場發(fā)射電推力器的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 微細(xì)制造與裝配調(diào)節(jié)技術(shù)

在高電壓作用下，F(xiàn)EEP的發(fā)射極因其極小尺寸而獲得強(qiáng)電場，進(jìn)而引起場致發(fā)射，因此FEEP發(fā)射極的微細(xì)制造和裝配調(diào)節(jié)技術(shù)是其研制的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)之一。

對(duì)于針式、毛細(xì)管式、窄縫式三種結(jié)構(gòu)類型的FEEP來說，都存在發(fā)射體微細(xì)制造技術(shù)方面的難點(diǎn)。針式FEEP的發(fā)射針尖半徑通常僅為數(shù)微米，傳統(tǒng)的加工制造技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)；毛細(xì)管式FEEP因其毛細(xì)作用力與發(fā)射點(diǎn)方向一致而具有較好的穩(wěn)定性，然而，由于受實(shí)際制造技術(shù)所限，目前能制備出的金屬毛細(xì)管的最小外徑為50 μm，這使得毛細(xì)管式FEEP在工作時(shí)產(chǎn)生較大尺寸的泰勒錐尺寸，進(jìn)而降低發(fā)射效率和電阻抗，大大制約了毛細(xì)管式FEEP的發(fā)展和應(yīng)用[29]。

在FEEP的裝配調(diào)節(jié)方面，由于發(fā)射體的尺寸僅為微米級(jí)，無法用肉眼直接觀測，且發(fā)射極和吸極間的距離通常僅數(shù)百微米，因此發(fā)射極的裝配調(diào)節(jié)是針式和毛細(xì)管式的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。與針式和毛細(xì)管式FEEP一樣，窄縫式FEEP的發(fā)射極的制備和裝配調(diào)節(jié)也存在較大困難。窄縫式發(fā)射極是通過將兩個(gè)表面鍍有極薄鎳層的平板貼合而成的，窄縫的寬度為1.2 μm，吸極為一帶窄槽的金屬板，與發(fā)射極距離為0.6 mm[30]。窄縫的制備要求兩個(gè)平板和鎳層具有極高的平面度和表面光滑度，且發(fā)射極和吸極要保持較高的平行度和同心度，這給制造和裝配調(diào)節(jié)技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn)。

3.2 浸潤工藝

發(fā)射極的浸潤效果對(duì)FEEP的工作起著決定性作用。一般來說，固體表面能越大、液態(tài)金屬表面張力越小，越容易實(shí)現(xiàn)浸潤。從推進(jìn)劑的浸潤性能來看，對(duì)于常用的FEEP推進(jìn)劑銫和銦，銫的表面張力遠(yuǎn)小于銦(銫和銦的表面張力系數(shù)分別為0.07 N/m和0.56 N/m)，使得銫具有極佳的浸潤性能外，還具有獨(dú)特的能夠滲入微米尺寸的毛細(xì)管和窄縫的能力[31]，這對(duì)于銦來說基本是不可能的。因此，銫通常應(yīng)用于窄縫式FEEP，而銦用于針式FEEP。

針式FEEP的浸潤需要復(fù)雜的工藝和細(xì)微的參數(shù)調(diào)節(jié)，使得浸潤成為一大技術(shù)要點(diǎn)。然而，盡管銫具有極佳的浸潤性能，窄縫式FEEP的浸潤要求高，實(shí)現(xiàn)銫的良好浸潤也十分困難。一方面，窄縫式FEEP的發(fā)射極是橫向線性的，浸潤不均勻會(huì)導(dǎo)致發(fā)射點(diǎn)分布不均勻。另一方面，銫是極其活潑的堿金屬，易被空氣氧化，且與水能快速反應(yīng)；銫氧化物會(huì)沉積在發(fā)射極出口并堵塞窄縫，進(jìn)而影響離子發(fā)射；此外，如果發(fā)射極出口覆蓋有灰塵顆粒或者受到損壞會(huì)導(dǎo)致過度浸潤，使得推進(jìn)劑潤濕發(fā)射極的外表面而引起打火。因此，窄縫式FEEP的浸潤除了對(duì)推力器材料的光潔度、清潔度、除氣除濕有較高要求外，推進(jìn)劑的供給裝置需要額外的特殊設(shè)計(jì)[32]。

3.3 中和技術(shù)

與其他類型的電推力器相比，中和器不是FEEP正常工作所必需的部件，然而，為了保持航天器的電中性，中和器又是必不可少的。FEEP的功耗通常僅為數(shù)瓦，低于霍爾推力器和離子推力器上的傳統(tǒng)空心陰極的功率，因此，F(xiàn)EEP需要特殊的低功耗的中和器來降低系統(tǒng)的總功率，且盡可能只用一個(gè)中和器來中和FEEP推力器或推力器簇的羽流。此外，F(xiàn)EEP的中和器還應(yīng)該不使用額外的推進(jìn)劑以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，可運(yùn)行在LEO和GEO軌道，在高于10-4Pa的氣壓條件下能正常工作，壽命可達(dá)數(shù)千小時(shí)以上。

諸多的限制因素使得通常只有三種類型的中和器滿足FEEP的需求：低功耗的熱陰極、場發(fā)射陣列陰極以及碳納米管陰極。熱陰極是通過加熱低功函數(shù)的表面來發(fā)射電子的，其中只有混合金屬陰極或鈧酸鹽陰極滿足FEEP的需求，它們具有較長的使用壽命，但其性能受工作氣壓影響較大。與熱陰極相比，Spindt型場發(fā)射中和器的功推比降低了50%，且推力器和中和系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，但是Spindt型場發(fā)射陰極受工作環(huán)境氣體成分影響較大，其發(fā)射尖和柵極間的絕緣壁易被FEEP的金屬推進(jìn)劑污染從而存在短路的風(fēng)險(xiǎn)；此外，場發(fā)射陣列陰極尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其MEMS制備工藝復(fù)雜。碳納米管是一項(xiàng)較新的技術(shù)，具有功函數(shù)低、尖端極其細(xì)小、熱、化學(xué)穩(wěn)定性好、對(duì)大氣暴露不敏感等優(yōu)點(diǎn)。碳納米管的原子尺度的開口邊緣使其具有遠(yuǎn)大于場發(fā)射陰極的的局部場增強(qiáng)因子，更重要的是，碳納米管的發(fā)射端不會(huì)因離子轟擊而變鈍。然而，與Spindt型場發(fā)射陰極相比，碳納米管的集中性較差，使得吸極離發(fā)射端距離遠(yuǎn)大于Spindt型場發(fā)射陰極，導(dǎo)致同樣發(fā)射電流情況下的發(fā)射電壓增大，效率降低[33-34]。

根據(jù)上述分析，由于FEEP特殊的需求，可供選用的中和器類型較少，而每種類型的中和器或多或少存在某方面的不足或缺陷，研究新的或改進(jìn)制備工藝方法、開發(fā)新材料是進(jìn)一步提高中和器性能的途徑。

3.4 推力和比沖測試技術(shù)

推力和比沖是FEEP的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。然而，對(duì)FEEP來說，其推力和比沖的測試具有較大難度。通常來說，推力越小，儀器裝置和環(huán)境對(duì)推力測量的影響越大。FEEP僅微牛量級(jí)的推力大大增加了其推力的測量難度。首先，F(xiàn)EEP工作在高真空環(huán)境中，在測量推力時(shí)，推力測量裝置必須放置在真空艙中，不可避免地受到真空泵和外界環(huán)境的振動(dòng)干擾。在無大氣阻力的真空環(huán)境中，任何噪聲引起的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)干擾可能比待測的微牛量級(jí)信號(hào)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)[35,36]，如何有效地屏蔽或降低噪聲干擾成為FEEP推力測量裝置的關(guān)鍵點(diǎn)。其次，為了更精確地測量微推力，通常采用直接測量法，常見的推力測量裝置和方法有天平式、倒擺式、單擺式、雙擺式、鐘擺式和扭擺式等結(jié)構(gòu)以及較方便直接的天平稱重法[37]。在直接推力測量時(shí)，推力器安裝在測量裝置上，通過測量推力器對(duì)測量裝置的反作用力得到推力器的推力。FEEP的工作電壓通常為數(shù)千伏的高壓，易對(duì)推力測量裝置的精密傳感器、控制系統(tǒng)等產(chǎn)生電磁干擾，影響測量系統(tǒng)對(duì)推力的響應(yīng)，因此需要采取一定的電磁屏蔽措施。最后，溫漂也對(duì)FEEP的推力測量精度有較大影響。針式銦FEEP工作溫度約為180 °C，銫FEEP的工作溫度雖略高于常溫，但在點(diǎn)火前需要在350 °C的溫度下進(jìn)行15小時(shí)的除氣以防止推進(jìn)劑被真空系統(tǒng)中的殘余氧氣污染[38]。FEEP溫度的改變會(huì)引起推力測量裝置彈性元件剛度系數(shù)的變化或熱變形，進(jìn)而影響測量精度。因此，推力測量裝置應(yīng)考慮選用熱容量和熱導(dǎo)率比較高的材料，且在每次推力測試前都要進(jìn)行溫度標(biāo)定[39]。

FEEP的比沖測試也是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。目前應(yīng)用較廣泛的幾種電推力器，如脈沖等離子體推力器、離子推力器、霍爾推力器等，大都可以通過稱重法或流量控制模塊直接得到推進(jìn)劑的消耗量，而FEEP的流量基本無法準(zhǔn)確地通過直接測試手段得到。一方面，F(xiàn)EEP的推進(jìn)劑輸運(yùn)完全靠內(nèi)部毛細(xì)作用的自發(fā)流動(dòng)而無需流量調(diào)節(jié)模塊，另一方面，F(xiàn)EEP的推進(jìn)劑消耗量極少，通常為mg/h量級(jí)，采用稱重法測試推進(jìn)劑消耗量將產(chǎn)生無法估量的誤差。因此，常用于膠體和電噴推力器的質(zhì)譜分析的飛行時(shí)間(Time of flight，TOF)法[37,40-41]可能是最適合FEEP的一種間接測試比沖的方法。TOF法通過測試羽流飛行到一定位置處金屬板的時(shí)間，再根據(jù)電流隨時(shí)間的變化進(jìn)行相應(yīng)的積分運(yùn)算得到推力和流量，最后由推力和流量計(jì)算出比沖。其中，飛行時(shí)間由信號(hào)采集設(shè)備采集到的金屬板上的電流信號(hào)的變化時(shí)間得到。因FEEP的羽流速度非常高，相應(yīng)的飛行時(shí)間極短，電流信號(hào)的變化必須在高頻下采集，且電流為微納安量級(jí)的極弱信號(hào)，遠(yuǎn)小于真空系統(tǒng)的噪聲干擾，因此必須對(duì)高頻微弱電流信號(hào)進(jìn)行噪聲過濾和信號(hào)處理。

3.5 長壽命問題

與化學(xué)推進(jìn)相比，雖然電推進(jìn)比沖高，但與化學(xué)推進(jìn)相比其推力較小，執(zhí)行同樣的任務(wù)需要的時(shí)間更長，因此，電推進(jìn)系統(tǒng)需要有較長的壽命和高可靠性以滿足推進(jìn)任務(wù)的需求。此外，微小、微納衛(wèi)星的壽命正在從目前的1-2年向3-5年發(fā)展，這對(duì)FEEP等微電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命提出了更高的要求。

近年來，引力波探測成為一大科學(xué)研究熱點(diǎn)。從引力波空間探測任務(wù)對(duì)推力器的技術(shù)要求指標(biāo)來看，F(xiàn)EEP幾乎是為該空間任務(wù)量身打造的一種電推力器。然而，歐洲航空局的LISA任務(wù)和中山大學(xué)的“天琴”計(jì)劃均要求推力器的壽命達(dá)到40000小時(shí)以上，這對(duì)FEEP來說將是個(gè)較大的挑戰(zhàn)。因此，長壽命問題可能是制約FEEP發(fā)展的一大因素。

對(duì)針式FEEP來說，影響其壽命的最主要原因是發(fā)射針的腐蝕以及由此帶來的質(zhì)量效率的下降。ARCS通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)EEP工作過程中偶爾存在的微火花放電會(huì)使鎢發(fā)射針溶于推進(jìn)劑銦中，增大泰勒錐錐底半徑尺寸，進(jìn)而降低推力器的質(zhì)量效率[42]。FOTEC公司對(duì)多孔皇冠式FEEP進(jìn)行了將近10 000小時(shí)的壽命測試，發(fā)現(xiàn)唯一可能對(duì)推力器壽命產(chǎn)生影響的是推進(jìn)劑在吸極上的沉積現(xiàn)象。隨著推力器工作時(shí)間的增加，從針尖處噴射出的銦會(huì)緩慢沉積在吸極孔上，進(jìn)而引起吸極孔徑的縮小，并最終導(dǎo)致短路，需要采用加熱蒸發(fā)等方法來避免[19]。

3.6 電源處理單元

電源處理單元是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的二次電源變換設(shè)備，它將航天器的太陽能電池母線電壓轉(zhuǎn)換為電推力器需要的電壓，是電推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分。

FEEP具有與其他電推力器不同的特征，對(duì)電源處理單元提出了嚴(yán)格的要求。FEEP是一種具有高精度的微型電推力器，推力分辨率高達(dá)0.1 μN(yùn)，這要求電源電壓具有高分辨率和低紋波，尤其是當(dāng)FEEP用于執(zhí)行引力波探測等高精空間任務(wù)時(shí)。FEEP的工作電壓高達(dá)數(shù)千至上萬伏，需要有高效的電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以減少電壓轉(zhuǎn)換損失。此外，F(xiàn)EEP通常用于體積和質(zhì)量極小的微納衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)節(jié)等空間任務(wù)，因此，F(xiàn)EEP的電源的體積和質(zhì)量必須盡量小。在電推進(jìn)技術(shù)的推動(dòng)下，國外多家研究機(jī)構(gòu)已研制出符合FEEP等微推進(jìn)系統(tǒng)的星載高壓電源，而國內(nèi)在FEEP技術(shù)方面已有較大的進(jìn)步，但重點(diǎn)仍在推力器本體的研究，在發(fā)展高效的小功率高壓星載電源方面基本空白，亟待攻克這方面的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié) 論

場發(fā)射電推力器是一種極有發(fā)展前途的推力器，通過近幾十年的大力研究，國外在FEEP推力器上已經(jīng)有較成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，且正在向研制大推力、多元化、高效率的推力器方向發(fā)展，從最大推力為100 μN(yùn)發(fā)展為最大推力為1 mN的推力器，從單一發(fā)射針式FEEP到FEEP簇，進(jìn)而發(fā)展為多孔(皇冠式)FEEP推力器以及微小型化的MEMS和Nano FEEP。我國航天應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，微納衛(wèi)星的發(fā)展也已經(jīng)駛?cè)肟燔嚨溃c國外相比，由于起步較晚、科技水平受限，F(xiàn)EEP技術(shù)與國外研究相比存在較大差距，亟待加強(qiáng)。相信在國內(nèi)電推進(jìn)日益受到重視的機(jī)遇下，在廣大科研技術(shù)人員的共同努力下，我國的FEEP技術(shù)必將得到突破并在國際上占有一席之地。