1 引言

随着微机电、微电子、微光电、微纳米等技术的日趋成熟，体积小、重量轻、研制周期短、成本低、发射方式灵活的微纳卫星技术迅速发展。微纳卫星在空间环境感知、新技术空间演示验证、空间科学试验、通信与数据传输、对地或空间目标侦查等方面有广泛的应用前景^[1]。微纳卫星的轨道机动、精确姿态控制、大气阻力补偿、高精度编队飞行任务对高比冲、推力大范围可调、功率小、重量轻、结构紧凑的微小型推进系统提出了迫切需求。

电推进利用电能加热、离解和加速工质，使其形成高速射流而产生推力，具有高比冲、小推力、长寿命等特点，可显著增加航天器的有效载荷、延长航天器的使用寿命、降低发射成本，特别适合用于航天器的姿态控制、轨道转移和深空探测等任务^[2~4]。其中，场发射电推力器（Field Emission Electric Propulsion，FEEP）是一种具有高比冲（2×10³~1×10⁴s）、推力小且大范围精确可调（推力0.1μN~1mN，推力分辨率小于0.01μN）、推力噪声低、功耗及成本低、结构紧凑等优点的电推进技术。曾计划用于ODIE^[5]，OMEGA^[6]，SMART-2^[7]，DARWIN^[8]，Microscope^[9]，LISA Pathfinder^[10]，GALILEO GALILEI^[11]等空间任务的阻力补偿、姿态控制等，是重力梯度卫星等的高精度阻力补偿、微纳卫星的姿态控制和轨道转移等任务最有前景的推进技术。

FEEP推力器的工作过程如图 1所示，发射极尖端部位的液态金属推进剂在极强电场和液体表面张力的双重作用下形成泰勒锥，当电场强度达到10⁹~ 10¹⁰V/m时产生场致离子发射，离子在同一电场的作用下加速喷出产生反作用推力；同时，存储室中的液态金属推进剂在毛细作用下沿着发射体内部的微小通道或发射体表面自由输运到发射极尖端进行源源不断的补给；最后，中和器产生电子来中和喷射出的离子，使羽流整体保持电中性。

目前，国外从事FEEP研究的主要有奥地利的ARCS和FOTEC公司、意大利的Centrospazio实验室和Alta公司，国内主要有上海交通大学、上海空间推进研究所和中科院力学研究所进行相关研究。

奥地利的ARCS从20世纪70年代就开始了铟液态金属离子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS）的研究并随后用于航天器的电位控制^[12]。从1998年开始从铟LMIS到针式FEEP推力器的技术转化已用于电推进领域，研制出最大推力分别为25μN和100μN的FEEP-25原理样机^[13]和FEEP-100^[14]工程样机。为了解决FEEP推力小的问题，ARCS一方面通过增加单个FEEP的数量形成FEEP簇^[15~17]，另一方面，将针式和毛细管式FEEP的优点结合在一起，研制了多孔皇冠式FEEP推力器，该推力器具有28个多孔发射针，首次点火测试推力就达到了0.6mN，比冲6×10³s，功推比为80W/mN^[18]。多孔皇冠式FEEP推力器的研究随后转移到FOTEC公司，截止2016年已完成1×10⁴h的寿命实验^[19]。

与奥地利不同的是，意大利的Centrospazio实验室和Alta公司从事的是窄缝式铯FEEP的研究，先后研制了FEEP-5^[20]和FEEP-150^[21]等产品。其中FEEP-150的推力为0.1~150μN，比冲为4×10³s，最大推进剂质量为92g。

国内的上海交通大学和上海空间推进研究所联合进行了FEEP电推进技术的研究。从FEEP的机理研究、方案分析设计、微细发射针的制备出发，研制出国内首台针式铟FEEP原理样机并成功点火，对FEEP的伏安特性、推力和比冲等性能进行了初步测试^[22]。但该推力器存在推力较小、工作寿命较短的问题。

中科院力学研究所对窄缝式FEEP常用推进剂铯使用中存在的易热蒸发和被氧化等技术风险进行了分析，比较了镓和铯两种推进剂的物性差异对推力器工程适用性的影响，探索并实现了液态镓在大气环境中的加注与浸润工艺，研制了镓窄缝式FEEP原理样机并成功点火，表明镓是窄缝式铯FEEP的良好推进剂替代物。但由于尖端微观结构未达到理想条件，推力器的点火稳定性还需要进一步改进^[23]。

通过FEEP的国内外研究现状可以看出，经过几十年的大力发展，国外在FEEP的研究中处于领先位置，正在向研制大推力、多元化、高效率的推力器方向发展，而国内的FEEP研究刚刚起步，与国外存在巨大的差距。因此，本研究对针式铟FEEP的发射针制备、浸润等关键技术进行研究，研制FEEP实验样机，以期补齐国内在此方面的技术短板。

2 针式铟场发射电推力器的研制 2.1 FEEP推力器的方案设计

FEEP根据发射极结构可分为针式、毛细管式和窄缝式三种，如图 2所示。针式FEEP的优点是效率和电阻抗最高，因此适合簇形设计。但是针式发射针因推进剂液膜较薄，其热效应和长时间工作的稳定性较差。与针式FEEP相比，毛细管式FEEP的流阻低、稳定性较好，但是毛细管和其尖端所形成的泰勒锥的尺寸较大，因此发射效率较低。与针式和毛细管式不同，窄缝式FEEP的发射极呈线性，推进剂在发射极尖端形成间距为微米量级的众多泰勒锥并发射出去，推力更大^[24~27]，但其常用的推进剂铯较活泼，需要一定的保护措施。

通过对前述的几种FEEP结构的分析和对比，结合本课题组在微细电加工方面的优势，本研究选用的方案为技术较为成熟的针式FEEP，推进剂选用熔点为156℃的铟。

2.2 微细发射针的制备

针式FEEP的离子发射是通过发射针的微细针尖发射出去的。作为针式FEEP的发射源，发射针尖的制备极其重要。发射针的材料通常选用不与铟反应的钨。为了在发射针尖处形成强电场，发射针尖半径尺寸必须要足够小，通常仅为数微米，因此，传统的加工方法较难加工出符合要求的发射针尖。电化学腐蚀法具有无工具损耗、无残余应力、经济、快捷、高效等优点使其成为制备发射针的最佳方案之一，采用电化学腐蚀法加工微细发射针尖的原理图如图 3所示。其中阳极为0.5mm直径的钨杆，阴极为40mm直径的不锈钢圆环，最佳加工控制参数为：NaOH溶液浓度5mol/L，发射针浸入液面深度2mm，加工电压6V^[28]。制备出的发射针尖如图 4所示。

为了保证液态铟能吸附在发射针表面并源源不断地流向针尖，需要在发射针表面粗化加工出微细沟槽，通过微细沟槽的毛细现象提高液态铟在发射针表面的流动性。粗化工艺沿用加工发射针的实验装置，将直流电源替换为1~6V的交流电源，加载在两极，通电时间控制在30s左右，即可实现对发射针表面的粗化^[29]，采用交流电粗化过的发射针如图 5所示。

2.3 FEEP实验样机的研制

所设计的针式铟FEEP实验样机如图 6所示，其尺寸为Φ28mm×49mm，质量约60g，主要由发射针、吸极、存储室、加热器以及外围附属部件构成。其中发射针为FEEP的核心部件，其表面具有微细沟槽，针尖半径仅数微米，由2.2节的制备方法得到；吸极为带孔的圆环结构，使得场致电离的铟离子在吸极和发射极之间的电场作用下从吸极孔中喷射出去；存储室用来贮存推进剂铟；加热器将存储室中的铟进行加热熔化并使铟在FEEP的运行过程中保持为液态；外围附属部件主要起到高压电气隔离的作用。

FEEP的正常运行通常需要数千伏的高压，因此稳定、高效的高压电源是FEEP系统至关重要的部分。由于为早期地面实验，因此本研究直接采用商用电源，其型号为波尔高压电源有限公司的72030型高压电源。该电源的输出电压范围为0~20kV，最大输出功率为30W，具有0.01%的负载调整率以及0.01%的线路调整率，温漂小于100ppm/℃，纹波为0.01%，满足了场发射电推力器对高压电源的要求，其内部的控制系统和保护电路可防止短路、放电以及过载等危险情况发生。

3 微细发射针的浸润

FEEP的关键技术之一是浸润工艺，即将液态推进剂铟很好地润湿在钨发射针的表面并形成连续的金属膜。上海交通大学的段君毅^[22]采用大气镀覆法进行发射针的浸润，即在大气环境中将发射针直接置于熔融的液态铟中，共同加热一段时间后取出。该方法能简单方便地实现发射针和铟的浸润，且浸润过的发射针能够成功点火。但是熔融状态的推进剂铟极易与大气中的氧气反应生成熔点为1910℃的氧化铟，这些氧化铟和大气中的灰尘颗粒等杂质掺杂在铟中，容易堵塞发射针表面的毛细通道，阻碍推进剂的毛细输运，进而影响FEEP工作的稳定性和寿命。这可能是导致采用大气镀覆法浸润的FEEP推力小、寿命短的原因。因此，铟和钨发射针的浸润必须在真空中进行，这是FEEP能否稳定工作的重要因素。

3.1 发射针表面杂质的去除

通过电化学腐蚀法加工和粗化处理后的发射针表面有很多杂质，主要有电解液残物、碎屑颗粒以及电化学腐蚀法加工发射针时产生的包裹在发射针表面的钨氧化膜，因此在浸润前必须首先清除这些残余物以使铟更好地浸润在发射针的表面。对于电解液残物，主要成分是NaOH，因此可以将加工并经粗化处理过的发射针置于稀盐酸中来清除表面的NaOH残留物。碎屑颗粒等杂质可通过超声波清洗进行去除。而发射针表面的钨氧化物去除比较困难，通常采用的方法是真空加热蒸发法^[29]和氢氟酸清洗法^[30]。真空加热蒸发法指的是在真空环境中将发射针加热至800℃以上使氧化钨蒸发，该方法实现起来较复杂。氢氟酸清洗法是一种简单高效的方法，即利用氧化钨溶于氢氟酸的原理，将发射针置于氢氟酸溶液中一段时间即可将发射针表面的氧化膜溶解。综上，发射针表面的清洗过程为依次将发射针置于稀盐酸、氢氟酸和超声波清洗机中进行杂质的清除，直至在显微镜下观察不到发射针表面有杂质存在。

3.2 发射针的浸润

由于发射针的浸润必须在真空环境中进行的，因此整个浸润过程要自动完成。为此，设计了一种简单高效的发射针自动浸润装置，如图 7所示。整个浸润过程为：将清洗好的发射针装夹在浸润装置上并置于真空舱中，此时运动控制模块对滚珠丝杠机构发送往复直线运动的信号，使发射针反复浸入和离开铟液，以实现铟和发射针的良好浸润。

4 实验与分析

点火实验在上海空间推进研究所的真空舱中进行，该真空舱的尺寸为Φ0.3m×0.6m，由一台机械泵和一台复合分子泵作为抽气系统，极限真空度为4×10^-4Pa。进行FEEP点火前，首先将FEEP中的加热器通电，对存储室中的铟进行加热，待铟的温度达到熔点以上时，打开高压电源，即可完成点火。针式铟FEEP的点火状态如图 8所示。通过调节发射电压，即可得到不同状况下的发射电流。实验对比了针尖半径分别为1.36μm和6.47μm的发射针的发射特性，其I-V特性曲线如图 9所示。从图中可以看出，不同针尖尺寸的发射针表现出不同的发射特性：两种尺寸的发射针尖的起始点火电压分别约为4700V和6100V，针尖尺寸小的发射针的起始点火电压低，这是因为针尖半径越小，尖端的局部场强越大，因此更容易发生场致发射；FEEP的发射电流随发射电压的增大而增大，但针尖尺寸较小的发射针的发射电流随发射电压增大的幅度也越来越大，而针尖半径较大的发射针的发射电流随发射电压增大的幅度较平稳。

推力是衡量电推力器性能最重要的指标之一。FEEP的推力为极小的微牛量级，且工作电压较高，通常会对推力测量装置产生较大的电气干扰而使测得的推力存在较大的误差。在早期实验阶段，为了验证本研究的铟FEEP样机的有效性，采用标靶法进行推力测试：将一金属板作为标靶固定在单摆下端，当FEEP的羽流对标靶产生冲击时引起单摆摆动，并对摆动中心产生力矩，与此同时，微小力传感控制系统产生一个平衡恢复力矩，通过平衡力矩的大小即可反推出羽流对标靶的冲击力。由于FEEP喷射出的羽流存在一定的羽流角，因此羽流对标靶的冲击力并不等于FEEP的推力，需要进行一定的推力修正。根据冲击力学原理，FEEP的推力、羽流对标靶的冲击力以及羽流对标靶的冲击角有如下关系

$ F = \frac{P}{{{\rm{sin}}\beta + {\rm{ }}0.0225\frac{1}{{{\rm{sin}}\beta }}}} $

式中F为FEEP的推力，P为羽流对标靶的冲击力，β为羽流对标靶的冲击角，这里可近似为FEEP的羽流半角的余角。最后结合奥地利测试的针式铟FEEP的羽流半角数据^[31]（对于文献中未给出的羽流半角值，采用线性插值法近似得到），进行推力修正。图 9所示为发射电流与理论推力、实测推力（羽流对标靶的冲击力）和修正推力的关系。其中理论推力是由理论公式计算出的推力值，推力由发射产物的喷射而产生，因此，理论推力主要由发射电流的大小决定。从图中10可以看出，当发射电流小于200μA时，校正推力与理论值存在较大的误差（误差30%~70%）。当发射电流大于200μA时，校正推力和理论值比较接近（误差仅约5%）。这些误差是由羽流在标靶上的冲击力损失导致的，而该损失是较难评估的，因此，今后需要采用更加精确的推力测量手段进行推力评估。

5 结论

通过本文研究，得到以下结论：

（1）推力器可成功点火，表明本研究制备的发射针针尖的半径尺寸提高了针尖局部的电场强度，使针尖附近产生足以引起场致发射的电场强度；推力器可以连续工作表明，一方面，粗化工艺在发射针表面形成的微细沟槽促进了推进剂铟的毛细流动，另一方面，浸润工艺使铟在发射针表面较好地粘合且形成一层连续的铟膜。

（2）实验得到的I-V特性曲线表明铟FEEP存在一定的起始点火电压，针尖尺寸小，起始点火电压低；发射电流随发射电压的增大而增大，但针尖尺寸较小的发射针的发射电流随发射电压增大的幅度也越来越大，而针尖半径较大的发射针的发射电流随发射电压增大的幅度较平稳。

（3）采用标靶法测得的推力值与理论值变化值趋势一致，当发射电流大于200μA时，推力和理论值比较接近，仅约5%，但当发射电流小于200μA时，推力值与理论值存在较大的误差，最大可达70%。这是由标靶法的局限性引起的，因此有待采用更加精确的推力测量手段进行推力评估。