電噴推力器穩(wěn)定域研究與性能測(cè)試

張 開(kāi)，索曉晨，黃瀟博，李自學(xué)，汪 典，賈宏宇，匡雙陽(yáng)，宋培義*，涂良成，2*

（1.華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力中心 基本物理量測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室引力與量子湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 精密重力測(cè)量國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，武漢 430074；2.中山大學(xué)物理與天文學(xué)院（珠海校區(qū)），廣東 珠海 519082）

0 引言

空間引力波探測(cè)計(jì)劃[1-2]目標(biāo)是在太空中部署多顆相同衛(wèi)星，構(gòu)建天基激光干涉引力波天文臺(tái)，利用無(wú)拖曳控制系統(tǒng)解決高精度空間慣性基準(zhǔn)問(wèn)題以及大尺度、高精度分布式系統(tǒng)的一致性問(wèn)題。無(wú)拖曳控制技術(shù)是利用微推力器產(chǎn)生的推力來(lái)補(bǔ)償航天器搭載慣性傳感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)受到的擾動(dòng)力，使檢驗(yàn)質(zhì)量不受非保守力影響而處于自由落體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。無(wú)拖曳控制是空間精密測(cè)量衛(wèi)星平臺(tái)的核心技術(shù)，是空間基礎(chǔ)物理，微重力測(cè)量，地球科學(xué)與衛(wèi)星導(dǎo)航等超高精度試驗(yàn)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。2016年，歐空局主導(dǎo)的空間引力波探測(cè)計(jì)劃驗(yàn)證衛(wèi)星LISA Pathfinder搭載了兩款微牛頓量級(jí)推力器作為無(wú)拖曳控制的推力力學(xué)執(zhí)行裝置，分別為冷氣微推力器以及基于場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)的電噴微推力器[3]，并完成了3 000 h在軌測(cè)試，初步驗(yàn)證表明，兩款推力器性能可以滿足任務(wù)要求。電噴微推力器是20世紀(jì)60年代起NASA研究發(fā)展的一種新型電推力器，其發(fā)射過(guò)程在微米級(jí)泰勒錐尖上進(jìn)行，發(fā)射電流/推力受電壓和工質(zhì)流量控制，具有推力下限低、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、比沖高的性能優(yōu)勢(shì)，適用于微納衛(wèi)星軌道維持、深空探測(cè)、高精度無(wú)拖曳控制等航天任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)針對(duì)不同航天使用場(chǎng)景中的電噴微推力器開(kāi)展了持續(xù)性研究工作，包括美國(guó)麻省理工學(xué)院[4]、加州大學(xué)洛杉磯分校[5]、加州大學(xué)歐文分校[6]，歐洲的洛桑理工[7]、倫敦大學(xué)[8]、倫敦瑪麗女王大學(xué)[9]等。我國(guó)對(duì)電噴推力器的研究始于21世紀(jì)初[10]，上海交通大學(xué)[11]、北京航空航天大學(xué)[12]、中北大學(xué)[13]、北京理工大學(xué)[14]、上?？臻g推進(jìn)研究所[15]、北京機(jī)械設(shè)備研究所[16]以及蘭州空間技術(shù)物理研究所[17]等高校與科研單位分別針對(duì)毫牛級(jí)、高比沖、連續(xù)可調(diào)型電噴推力器進(jìn)行原理探索與型號(hào)攻關(guān)。2019年，航天科工二院206所應(yīng)用物理技術(shù)中心研制的離子液體微電推力器成功完成多次在軌點(diǎn)火試驗(yàn)[18]。2021年，“基于精密反饋控制的微牛級(jí)推進(jìn)技術(shù)”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目啟動(dòng)。該項(xiàng)目將場(chǎng)致發(fā)射電噴推力器設(shè)定為研究方案之一，目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)工程樣機(jī)的推力調(diào)控性能與上萬(wàn)小時(shí)儀器壽命進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

電噴微推力器的工作原理是電致錐射流與靜電加速，工質(zhì)（室溫離子液體，Room Temperature Ionic Liquid）在高壓電場(chǎng)的作用下，克服液體的表面張力使液體彎月面轉(zhuǎn)化為泰勒錐，錐尖自由電荷的累積使場(chǎng)強(qiáng)迅速增強(qiáng)，最終導(dǎo)致電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)液體脫離錐尖形成射流，射流在毛細(xì)不穩(wěn)定性與瑞利極限作用下，在靜電場(chǎng)中霧化為離子與帶電液滴混合的電噴霧后經(jīng)靜電加速?lài)姵?，產(chǎn)生推力。電噴推力器發(fā)射過(guò)程受電壓與流量調(diào)控，按照對(duì)工質(zhì)流量的控制方式可以分為主動(dòng)型和被動(dòng)型兩類(lèi)。主動(dòng)型電噴推力器須集成微流控系統(tǒng)以調(diào)控工質(zhì)輸運(yùn)流量，一般由儲(chǔ)罐、比例閥、流道與作為發(fā)射極的毛細(xì)管構(gòu)成；被動(dòng)型電噴推力器利用毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)工質(zhì)從儲(chǔ)罐到發(fā)射極的輸運(yùn)過(guò)程，已報(bào)道的輸運(yùn)機(jī)制包括單管浸潤(rùn)、多孔材料浸潤(rùn)與表面浸潤(rùn)。對(duì)于主動(dòng)型電噴推力器，其推力調(diào)控變量為電壓與流量，電壓/流量的不匹配會(huì)使發(fā)射進(jìn)入單錐射流以外的發(fā)射模式，例如離軸發(fā)射、多股射流、脈沖射流[19]等。研究指出，工作在穩(wěn)定單錐射流的電噴推力器相較于其他發(fā)射模式具有全頻段噪聲低，輸出穩(wěn)定[20]的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)流量和電壓變化時(shí)，可用固有的物理模型評(píng)估輸出推力大小[20]。因此，如何約束控制參量調(diào)節(jié)范圍，使推力器始終工作在穩(wěn)定單錐射流模式，是電噴推力器設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題。

本文基于我國(guó)空間引力波探測(cè)任務(wù)需求，開(kāi)展微牛級(jí)電噴推力器穩(wěn)定發(fā)射機(jī)制與調(diào)控特性的研究。設(shè)計(jì)搭建一套主動(dòng)型電噴推力器真空試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電壓與工質(zhì)流量的精密調(diào)控與發(fā)射電流的精密測(cè)量；分析穩(wěn)定單錐射流的噴霧電流在不同參量下的時(shí)域與頻域特性，提出一種以電流特征判定推力器發(fā)射模式的分析方法，并基于此方法測(cè)定單錐射流穩(wěn)定域；利用該穩(wěn)定域制定電噴推力器電壓/流量調(diào)節(jié)范圍，對(duì)單發(fā)射極推力器的分辨率、噪聲、響應(yīng)時(shí)間性能進(jìn)行表征。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 電噴推力器發(fā)射原理試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)電噴推力器的工作原理與流量-電壓變化的推力調(diào)控策略設(shè)計(jì)的推力器試驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成：推力器、工質(zhì)儲(chǔ)供系統(tǒng)以及測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

推力器由支架，發(fā)射極（不銹鋼毛細(xì)管）、抽取極以及高壓電源構(gòu)成，如圖2所示。推力器支架采用3D打印制作，發(fā)射極為New Objective公司生產(chǎn)的不銹鋼毛細(xì)管，長(zhǎng)度為5 cm，內(nèi)徑為100 μm，外徑為308 μm，毛細(xì)管尖端進(jìn)行了尖銳化處理，最前端外徑為165 μm。抽取極為中心開(kāi)孔的不銹鋼金屬片，厚度為300 μm，開(kāi)孔為6 mm，與發(fā)射極尖端相距2 mm。試驗(yàn)中，發(fā)射極與抽取極間的電勢(shì)差通過(guò)高壓電源Keithley 2290提供，范圍為0～10 kV。

圖2 電噴推力裝置與穩(wěn)定錐射流Fig.2 Photos of the colloid thruster and steady cone-jet mode in experiments

工質(zhì)儲(chǔ)供系統(tǒng)由一個(gè)真空腔（維持壓力）與工質(zhì)儲(chǔ)罐構(gòu)成，試驗(yàn)使用的工質(zhì)為離子液體1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽（EMI-Im）。工質(zhì)儲(chǔ)罐通過(guò)一根長(zhǎng)50 cm，內(nèi)徑500 μm的聚四氟乙烯PTFE軟管連接至推力器發(fā)射極尾部。工質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力大小由氣壓控制腔決定（二者通過(guò)氣管相連），該腔配有調(diào)節(jié)壓力用的氮?dú)馄颗c真空泵。

測(cè)量系統(tǒng)由法拉第盤(pán)，靜電計(jì)與采集卡構(gòu)成，靜電計(jì)Keithley 6514連接至發(fā)射極、抽取極與法拉第盤(pán)處（如圖1所示），用來(lái)測(cè)量電流。法拉第盤(pán)放置于推力器單元之后，并根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)節(jié)其與抽取極間的距離（10～50 cm）。

試驗(yàn)中推力器單元與工質(zhì)儲(chǔ)罐共同放置于主真空腔內(nèi)，該真空腔的工作壓力設(shè)定為10-4Pa。

1.2 流阻標(biāo)定試驗(yàn)

相較于被動(dòng)型電噴推力器僅依靠電壓調(diào)控，主動(dòng)型電噴推力器當(dāng)增加了流量調(diào)控后有更寬的推力調(diào)節(jié)范圍。主動(dòng)型電噴推力器的實(shí)際流量在nL/s量級(jí)，而現(xiàn)有的商用流量計(jì)檢測(cè)極限在μL/s量級(jí)，無(wú)法滿足檢測(cè)需求，因此須對(duì)整個(gè)流量控制系統(tǒng)的流阻進(jìn)行標(biāo)定，利用壓力與流阻評(píng)估流量大小。通過(guò)測(cè)量固定時(shí)間段內(nèi)流出的工質(zhì)質(zhì)量計(jì)算系統(tǒng)流阻，試驗(yàn)方法為：設(shè)置工質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)外壓力差Δp為某一固定壓力值，將工質(zhì)送至發(fā)射極尖端，發(fā)射極垂直放置，尖端朝下，下方放置培養(yǎng)皿以收集發(fā)射極尖端滴落的工質(zhì)液滴，通過(guò)將一定時(shí)間內(nèi)積累的工質(zhì)液滴稱(chēng)重得到總質(zhì)量M，再除以密度ρ與總時(shí)長(zhǎng)t得到工質(zhì)在該壓力下的體積流量Q，取不同壓力差Δp進(jìn)行多組試驗(yàn)，得到一條壓力差Δp與流量Q的曲線。再利用Poiseuille定律，將得到的曲線斜率（即流阻RH）與理論值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)中，所有的流道都是截面為圓形的圓柱狀流道，此類(lèi)截面直徑為d的圓柱形流道的流阻RH可用Poiseuille定律表達(dá)為：

流阻標(biāo)定結(jié)果如圖3所示，紅色實(shí)線為試驗(yàn)測(cè)量值的擬合曲線，藍(lán)色虛線為Poiseuille定律所描述的理論曲線。從圖3可知，兩條曲線斜率（流阻RH）的偏差為4.1%，其中試驗(yàn)曲線有截距，源于試驗(yàn)裝置中發(fā)射極處液體與工質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)液面的高度差。

圖3 流阻標(biāo)定：試驗(yàn)曲線與理論曲線對(duì)比Fig.3 Flow resistance calibration：comparison between experimental curve and theoretical curve

2 電噴推力器穩(wěn)定域內(nèi)電壓與流量調(diào)控特征

在2021年立項(xiàng)的科技部“引力波探測(cè)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)中，對(duì)無(wú)拖曳控制中的推力器提出的指標(biāo)為：推力范圍為5～50 μN(yùn)，推力分辨率優(yōu)于0.1 μN(yùn)。推力噪聲在mHz頻段小于0.1 μN(yùn)/Hz0.5，響應(yīng)時(shí)間小于50 ms。在實(shí)際使用中，調(diào)節(jié)電噴推力器的流量與電壓即可調(diào)控推力的大小，但是前提條件為電噴推力器工作在穩(wěn)定的單錐射流模式。試驗(yàn)中，在恒定的流量與電壓下，測(cè)量并評(píng)估射束電流的時(shí)域頻域特征以確定發(fā)射所處的射流模式，并且與光學(xué)成像結(jié)果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，以確定是否工作在穩(wěn)定的單錐射流模式。

電噴推力器的電壓與流量通常都有開(kāi)啟閾值，達(dá)到該閾值后，無(wú)論是提升流量Q，或者電壓V，都會(huì)度過(guò)一段穩(wěn)定可控的單錐射流V-Q調(diào)控區(qū)間，但是最終會(huì)進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。在不同的電壓和流量條件下，失穩(wěn)狀態(tài)表現(xiàn)不同，如圖4比較了0.9 kPa和1 kPa下的電流時(shí)域信號(hào)，當(dāng)流量達(dá)到1 kPa時(shí)，電流表現(xiàn)為周期性失穩(wěn)，即變?yōu)榈皖l脈沖模式。出現(xiàn)該模式的主要原因是流量過(guò)大，與電壓不匹配。在該狀態(tài)下，時(shí)域上射流呈脈沖式發(fā)射。在圖5的功率譜密度中，電流噪聲相較于穩(wěn)定單錐射流有明顯提升。

圖4 穩(wěn)定單錐射流（紅）與低頻脈沖模式（藍(lán)）的電流時(shí)域信號(hào)對(duì)比Fig.4 Comparison of current time-domain signal of steady cone-jet（red）and low-frequency pulsating mode（blue）

圖5 穩(wěn)定單錐射流（紅）與低頻脈沖模式（藍(lán)）的電流噪聲功率譜密度對(duì)比Fig.5 Comparison of current noise power spectrum density in steady cone-jet（red）and low-frequency pulsating mode（blue）

當(dāng)電壓持續(xù)增大至某一值時(shí)，出現(xiàn)多錐射流模式，試驗(yàn)中觀測(cè)到的多錐射流模式的錐位置與錐形狀不穩(wěn)定，該模式的持續(xù)時(shí)間短，幾秒后即消失，并在發(fā)射極管口處產(chǎn)生固體生成物，供液管道內(nèi)產(chǎn)生氣體空腔，結(jié)合這些試驗(yàn)現(xiàn)象，可認(rèn)為是離子液體在發(fā)射極尖端發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，這一現(xiàn)象可能與環(huán)境中的回流電子相關(guān)[21]。試驗(yàn)中觀察到，出現(xiàn)多錐射流和電化學(xué)反應(yīng)時(shí)的電壓與流量無(wú)關(guān)，在不同的流量下電壓均為較固定的值；射束電流信號(hào)相較于穩(wěn)定錐射流信號(hào)明顯表現(xiàn)出不穩(wěn)定的時(shí)域特征，電流噪聲在mHz頻段明顯提升。因此，將調(diào)控電壓上限設(shè)置為增大電壓的過(guò)程中發(fā)生多錐射流與電化學(xué)反應(yīng)的最小電壓值。

如圖6中陰影部分所示，改變?cè)順訖C(jī)陰影范圍內(nèi)的流量與電壓時(shí)，能穩(wěn)定地形成單錐射流。該范圍被稱(chēng)為穩(wěn)定域[22]，電壓的上邊界由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電壓所界定，下邊界由脈沖模式形成的電壓所界定，相較于不受流量影響的上邊界固定電壓，下邊界同時(shí)受到流量與電壓的影響。值得注意的是，流量主動(dòng)控制下的電噴推力器一般工作在液滴模式，荷質(zhì)比分布較為集中，電壓的升高會(huì)使得離子的成分增加，影響荷質(zhì)比的集中分布并影響推力效率。因此電噴推力器的推力調(diào)節(jié)以流量調(diào)節(jié)為主，電壓調(diào)節(jié)通常會(huì)采用二極分壓結(jié)構(gòu)（發(fā)射-抽取-加速）形式，以保證電噴推力器在較低的恒定電勢(shì)差下形成穩(wěn)定的錐射流（發(fā)射-抽?。?，并同時(shí)具備電壓調(diào)節(jié)下的推力調(diào)控能力（抽取-加速）[23]。

圖6 電噴推力器穩(wěn)定工作電壓與流量范圍Fig.6 Stable working voltage and flow rate range of the colloidal thruster in experiment

得到該穩(wěn)定域后，可評(píng)估穩(wěn)定域內(nèi)調(diào)控參量能夠覆蓋的推力范圍。評(píng)估之前，須表征電壓、流量與電流的關(guān)系。假設(shè)電能完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，根據(jù)動(dòng)量定理，電噴推力器產(chǎn)生的推力可表示為[24]：

式中：q為電荷；V為電壓；m為工質(zhì)質(zhì)量；t為時(shí)間；ρ為工質(zhì)密度。

由式（2）可知，主動(dòng)控制流量的電噴推力器系統(tǒng)中，只有電壓與流量可以作為實(shí)時(shí)改變量，并且必須知道電流與電壓及流量之間的關(guān)系。Mora等[25]在1994年的文獻(xiàn)中，給出了這種主動(dòng)控制流量操作下電流I與流量Q的關(guān)系：

Mora在試驗(yàn)中也得出了“電壓對(duì)電流影響甚小，不起調(diào)控作用”的結(jié)論。在上述關(guān)系式中，K為工質(zhì)的電導(dǎo)率，γ為工質(zhì)的表面張力系數(shù)，ε為介電常數(shù)，f（ε）為不同介電常數(shù)下，無(wú)量綱電流與流量的比值。為了驗(yàn)證上述結(jié)論，控制電壓或流量（氣壓）不變，改變另一項(xiàng)，并記錄發(fā)射極，抽取極，法拉第盤(pán)上電流數(shù)據(jù)。將得到的I-Q數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到系數(shù)并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。為了得到流量Q與電流I的關(guān)系，測(cè)量了一系列不同流量下的電流值，并進(jìn)行了曲線擬合，得到如圖7（a）所示結(jié)果，可以看出，流量Q與電流I成2次方關(guān)系，系數(shù)為5.84。將式（3）變形為：

代入文獻(xiàn)中數(shù)值γ=0.0349 N/m；K=0.88 S/m；ε=10；f（ε）在6～8之間，計(jì)算得到系數(shù)為5.08～9.04，試驗(yàn)中得到的I-Q關(guān)系中的擬合系數(shù)5.84與文獻(xiàn)給出的關(guān)系式中的系數(shù)相近。試驗(yàn)同樣對(duì)定流量下不同電壓的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，如圖7（b）所示，與Mora的試驗(yàn)趨勢(shì)相同。相較于流量Q與電流I的二次方關(guān)系，電流I沒(méi)有因?yàn)殡妷篤的大幅變化而明顯改變，證明推力器工作在穩(wěn)定的單錐射流模式。最后，由式（2）（3）計(jì)算得到圖6中穩(wěn)定域范圍內(nèi)推力器輸出的推力范圍為0.5～8.5 μN(yùn)。

圖7 推力器Q-I和I-V特性Fig.7 Thruster's Q-I and I-V characteristic curve

3 推力器性能表征

作為引力波探測(cè)應(yīng)用的一種推力器，電噴推力器必須滿足無(wú)拖曳控制提出的輸出要求，諸如推力噪聲，推力分辨率，響應(yīng)時(shí)間等。本文利用測(cè)定的穩(wěn)定域規(guī)定了單發(fā)射極電噴推力器電壓/流量調(diào)節(jié)范圍，對(duì)推力器的分辨率、噪聲、響應(yīng)時(shí)間等性能進(jìn)行了表征。

試驗(yàn)中設(shè)置流量為3.1 nL/s，電壓為2 kV，測(cè)量了14 h推力器穩(wěn)定發(fā)射電流。在固定電壓、流量條件下，推力器可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定發(fā)射，推力最大波動(dòng)值小于0.1 μN(yùn)。電流特征顯示，測(cè)量期間推力器未進(jìn)入單錐射流以外的發(fā)射模式，如圖8（a）所示。在約1 μN(yùn)的推力輸出狀態(tài)下，對(duì)時(shí)域推力數(shù)據(jù)作傅里葉變換計(jì)算得到的推力噪聲水平在引力波探測(cè)敏感的mHz頻段低于0.1 μN(yùn)/Hz0.5，如圖 8（b）所示，該推力噪聲低于空間引力波探測(cè)任務(wù)的推力噪聲需求。

圖8 靜態(tài)推力輸出和推力噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.8 14 h static thrust output and thrust noise test results

通過(guò)電壓臺(tái)階試驗(yàn)可測(cè)試輸出推力的分辨率，臺(tái)階值為100 V，結(jié)果如圖9所示。設(shè)置流量為0.5 nL/s，電壓為2～2.4 kV，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)0.78 s滑動(dòng)平均處理。電壓變化時(shí)，單發(fā)射極推力分辨率約為0.04 μN(yùn)，小于任務(wù)要求的0.1 μN(yùn)。在該流量下調(diào)控推力器電壓時(shí)，推力器仍然處于穩(wěn)定錐射流模式，電壓上調(diào)過(guò)程與下調(diào)過(guò)程的推力誤差小于0.1 μN(yùn)，證明在單錐射流模式下，單發(fā)射極推力器具有較高的推力調(diào)控精度，此分辨率低于空間引力波探測(cè)的分辨率需求。未來(lái)結(jié)合系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制技術(shù)可進(jìn)一步提升推力器精度與穩(wěn)定性

圖9 100 V電壓臺(tái)階變化時(shí)的推力臺(tái)階變化Fig.9 Thrust step change under 100 V voltage step change

通過(guò)電壓臺(tái)階試驗(yàn)可表征推力調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間，臺(tái)階值為300 V，結(jié)果如圖10所示。設(shè)置流量為0.5 nL/s，電壓為2～2.3 kV，調(diào)節(jié)電壓時(shí)，得到輸出電流從穩(wěn)定值提升再次達(dá)到穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間在10 ms以?xún)?nèi)，小于空間引力波探測(cè)任務(wù)要求的50 ms。更快的推力響應(yīng)時(shí)間將拓寬無(wú)拖曳控制帶寬，并為推力器閉環(huán)反饋控制技術(shù)與推力器陣列化數(shù)字調(diào)控技術(shù)的研制提供了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[26]中電壓從關(guān)閉到開(kāi)啟，形成穩(wěn)定單錐射流所消耗的時(shí)間約為100 μs，本文試驗(yàn)中通過(guò)電流信號(hào)得到的響應(yīng)時(shí)間大于文獻(xiàn)中通過(guò)高速成像得到的響應(yīng)時(shí)間，但均小于50 ms的目標(biāo)時(shí)間，證實(shí)穩(wěn)定單錐射流對(duì)于電壓調(diào)節(jié)有非常快速的動(dòng)態(tài)反應(yīng)性能。

圖10 300 V電壓臺(tái)階變化時(shí)的電流響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.10 Current response time under 300 V voltage step change

4 結(jié)論

本文介紹了電噴推力器的工作原理，梳理了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研制了單發(fā)射極毛細(xì)管電噴微推力器原理樣機(jī)，搭建了真空試驗(yàn)表征系統(tǒng)。通過(guò)分析穩(wěn)定的單錐射流的噴霧電流時(shí)域與頻域特征，提出了以電流特征判定推力器發(fā)射模式的方法，并對(duì)推力器原理樣機(jī)穩(wěn)定工作范圍與電壓流量調(diào)控特性進(jìn)行了研究，對(duì)電噴推力器原理樣機(jī)性能參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了表征，單發(fā)射極推力范圍為0.5～8.5 μN(yùn)，推力噪聲小于0.1 μN(yùn)/Hz0.5，推力臺(tái)階在100 V電壓變化時(shí)小于0.1μN(yùn)，推力隨電壓變化的響應(yīng)時(shí)間小于10 ms。引力波探測(cè)要求的推力范圍5～50 μN(yùn)，若須實(shí)現(xiàn)50 μN(yùn)推力范圍的調(diào)節(jié)，多發(fā)射極陣列是一種增大推力范圍的方案，但是發(fā)射極之間的串?dāng)_、不一致性以及更加復(fù)雜的工質(zhì)儲(chǔ)供系統(tǒng)是多發(fā)射極電噴推力器必須重點(diǎn)思考的幾個(gè)問(wèn)題，這些問(wèn)題同時(shí)也影響推力器整體的性能，包括分辨率、噪聲、壽命等。未來(lái)我們將重點(diǎn)研制陣列化的電噴推力器，并研究上述問(wèn)題。