微型鎵場發(fā)射電推力器的研制和點(diǎn)火特性

上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240

自20世紀(jì)電推進(jìn)概念出現(xiàn)以來，電推進(jìn)技術(shù)吸引了各國科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。隨著航天技術(shù)高速發(fā)展，微小衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，微小衛(wèi)星對(duì)高精度編隊(duì)飛行、精確姿態(tài)控制、大氣阻力補(bǔ)償、軌道機(jī)動(dòng)等能力的需求凸顯，對(duì)比沖高、功率小、質(zhì)量小、推力大范圍可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊的微型推進(jìn)系統(tǒng)的需求越來越迫切[1-2]。

電推進(jìn)技術(shù)是一種利用電能加熱、離解和加速推進(jìn)劑工質(zhì)，最終使其形成高速羽流而產(chǎn)生推力的技術(shù)。電推進(jìn)技術(shù)具有比沖高、質(zhì)量小、穩(wěn)定可靠、壽命長等優(yōu)勢(shì)，攜帶少量的推進(jìn)劑即可長時(shí)間工作，增加了航天器的有效載荷，延長了航天器的壽命。電推進(jìn)技術(shù)分為多個(gè)種類，如離子推力器(Ion Thruster)、霍爾推力器(Hall Effect Thruster)、電弧推力器(Arcjet Thruster)和場發(fā)射電推力器(Field Emission Electric Propulsion，F(xiàn)EEP)等。其中，場發(fā)射電推力器是一種推力小且調(diào)節(jié)精度高、效率高、比沖高(4 000～12 000 s)的推力器，適用于微納衛(wèi)星的超高精確姿態(tài)控制、編隊(duì)飛行和大氣阻力補(bǔ)償?shù)鹊?。FEEP的工作原理是：工作狀態(tài)下，經(jīng)過加熱后的液態(tài)金屬推進(jìn)劑在毛細(xì)作用下，通過發(fā)射極表面的微細(xì)溝道持續(xù)不斷地輸送到發(fā)射極尖端；同時(shí)，利用高壓電源給吸極和發(fā)射極間施加6～13 kV的高壓電場，根據(jù)場發(fā)射和場蒸發(fā)的原理，金屬離子在表面張力和電場力作用下，形成泰勒錐，最終形成發(fā)射羽流，原理如圖1所示[3-5]。其發(fā)射極的形狀有針、毛細(xì)管和狹縫3種類型。

目前，國內(nèi)外都對(duì)FEEP展開了一系列研究。德國的德累斯頓工業(yè)大學(xué)研制出一種用于實(shí)現(xiàn)立方體小衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整和軌道控制的NanoFEEP。這種推力器采用多孔鎢針作為發(fā)射極，采用金屬鎵作為推進(jìn)劑，體積小于3 cm3，質(zhì)量小于6 g，能夠持續(xù)產(chǎn)生從亞微牛到8 μN(yùn)范圍的微推力，推力峰值可以達(dá)到22 μN(yùn)[6]。奧地利研究中心與歐洲航天局致力于毫牛級(jí)FEEP的研究，結(jié)合針型和毛細(xì)管型發(fā)射極的優(yōu)點(diǎn)，研制出環(huán)狀分布的28針“皇冠發(fā)射極”。兩個(gè)“皇冠發(fā)射極”組合可測(cè)得功率推力比為80 W/mN，比沖高于6 000 s，最大推力為1.28 mN[7-8]。中國科學(xué)院力學(xué)研究所針對(duì)FEEP應(yīng)用研究中的工程化等問題，對(duì)比了作為推進(jìn)劑的鎵和銫的物性，分析其對(duì)熱蒸發(fā)、推力和比沖大小、發(fā)射尖端升溫等影響，證明了推進(jìn)劑鎵對(duì)銫的良好替代性。并且，解決了狹縫潤濕問題，研制出狹縫式鎵場發(fā)射電推力器，進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)[9]。上海交通大學(xué)研制出針式銦場發(fā)射電推力器，并成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，最大推力可達(dá)到30 μN(yùn)；但存在點(diǎn)火特性不夠穩(wěn)定、壽命較短的問題[10]。

圖1 FEEP原理Fig.1 The principle of FEEP

銦是眾多研究機(jī)構(gòu)在針式FEEP推力器中選用的主流推進(jìn)劑。銦的熔點(diǎn)較高(156.1 ℃)，導(dǎo)致FEEP推力器的加熱能耗和加熱裝置的尺寸都較大，限制了其在對(duì)功耗和尺寸具有嚴(yán)格要求的航天器上的使用。而與銦同族的鎵的熔點(diǎn)較低(29.76 ℃)，具有大幅降低FEEP推力器尺寸和功耗的潛力。

國外的德累斯頓工業(yè)大學(xué)已經(jīng)展開鎵FEEP推力器的研制；在國內(nèi)，中科院研制過狹縫式鎵FEEP推力器。但總體而言，國內(nèi)對(duì)針式鎵FEEP推力器的研究進(jìn)度相對(duì)滯后，尤其是對(duì)針式微型鎵FEEP推力器的研究。目前，對(duì)電推力器的小型化和低功率等要求越來越高，成為各學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。在此背景下，本文對(duì)針式微型鎵FEEP推力器進(jìn)行研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制加熱功率，研制出國內(nèi)首臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。本文針對(duì)潤濕問題和點(diǎn)火特性展開試驗(yàn)和仿真，解決了潤濕不充分的問題，分析了潤濕溫度和幾何參數(shù)對(duì)點(diǎn)火特性的影響。推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制對(duì)于微型鎵FEEP推力器的工程化具有一定的意義，試驗(yàn)結(jié)果也有助于選擇合適的推力器參數(shù)，提高點(diǎn)火性能。微型鎵FEEP推力器在微納衛(wèi)星執(zhí)行空間探測(cè)任務(wù)等方面具有很好的應(yīng)用前景，但是，目前研制出的推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)存在長時(shí)間工作后性能降低等問題，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化。

1 微型鎵場發(fā)射電推力器的研制

本文的研制工作主要分為發(fā)射針的制備、發(fā)射針的潤濕和推力器樣機(jī)研制3個(gè)部分，目標(biāo)是設(shè)計(jì)出微小尺寸和功率的針式鎵場發(fā)射電推力器。推力器的尺寸對(duì)加熱功率的影響非常大，為了減少能量耗散，需要盡可能地縮小尺寸。但由于推力器是在高壓下工作，尺寸和各部件之間的間隙過小會(huì)很容易發(fā)生擊穿打火現(xiàn)象。因此，研制過程優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證各部分接觸良好，合理利用溝槽和筋板，避免發(fā)生打火。另外，為了提高推力器工作性能，應(yīng)提高各部件的加工精度，控制形位公差，使發(fā)射針和吸極保持良好的同軸度。

1.1 發(fā)射針的制備

為了提高針尖處的尖端電壓，發(fā)射針針尖半徑一般只有數(shù)微米。常規(guī)的機(jī)械加工方法難以加工出滿足要求的錐形鎢針尖，所以采用電化學(xué)腐蝕的方法。

選用表面有微細(xì)溝槽的0.5 mm直徑的鎢桿作為陽極，不銹鋼圓環(huán)作為陰極，在一定濃度的NaOH溶液中發(fā)生反應(yīng)[11-13]。另外，為了使鎵能夠潤濕發(fā)射針表面且流動(dòng)良好，加深鎢桿表面的微細(xì)溝槽，采用交流電源供電，在NaOH溶液中反應(yīng)進(jìn)行粗化。制備完成的發(fā)射針的顯微圖片如圖2所示。發(fā)射針表面附著有很多的雜質(zhì)，需要清洗處理，否則會(huì)影響到鎵在表面的潤濕和流動(dòng)性[13-14]。

圖2 制備完成的發(fā)射針顯微圖Fig.2 Prepared emitter micrograph

1.2 發(fā)射針的潤濕

在電推力器的工作過程中，推進(jìn)劑鎵通過發(fā)射針表面源源不斷地流向針尖形成羽流。為了保證發(fā)射的穩(wěn)定性，金屬鎵需要在發(fā)射針表面保持良好的流動(dòng)性。因此，在電推力器工作前，需要對(duì)發(fā)射針表面進(jìn)行潤濕處理，形成金屬鎵的液膜。

對(duì)于FEEP來說，潤濕一直都是核心環(huán)節(jié)和技術(shù)難點(diǎn)。美國的桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室在解決銦在鎢毛細(xì)管中的潤濕問題時(shí)就遇到了難題，并最終放棄FEEP的研究[15]。鎢針表面存在的氧化層，油污等雜質(zhì)難以徹底去除，與銦同族的鎵在鎢針表面的潤濕性很差。

Thomas Young在1804年提出的楊氏方程是研究潤濕性的經(jīng)典理論[16]：

σsg-σlgcosθ-σls=0

即：

cosθ=(σsg-σls)/σlg

式中：θ為接觸角；σsg為固-氣界面張力；σlg為液-氣界面表面張力；σls為固-液界面表面張力。楊氏方程給出了固-液-氣三相體系中接觸角與各界面間表面張力的關(guān)系。潤濕理論指出，固體的表面能越高，或者液體的表面張力越小，潤濕性越好。但通常來說，固體的表面能難以改變，應(yīng)嘗試改變液體的表面張力。溫度越高，液-氣界面表面張力越小(即液體表面張力越小)，σls也就越小，接觸角θ越小。接觸角θ用來表征潤濕性的好壞，如圖3所示，接觸角越小，潤濕性越好。所以，嘗試通過提高溫度來改善鎵在發(fā)射針表面的潤濕性[17-18]。

圖3 接觸角示意Fig.3 Contact angle diagram

鎵是淡藍(lán)色金屬，其熔點(diǎn)很低，在29.76 ℃時(shí)變?yōu)殂y白色液體。推進(jìn)劑鎵在加熱熔化至液態(tài)時(shí)，進(jìn)行在發(fā)射針表面的潤濕實(shí)驗(yàn)。根據(jù)金屬鎵的理化性質(zhì)，鎵在潮濕空氣中會(huì)發(fā)生氧化，因此，在真空環(huán)境下進(jìn)行潤濕試驗(yàn)。潤濕采用螺旋進(jìn)給裝置，讓發(fā)射針在熔化的金屬鎵中上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)對(duì)比了發(fā)射針在不同溫度下的潤濕效果，其中，300 ℃和360 ℃下的潤濕效果如圖4所示。

由圖4可知，300 ℃時(shí)發(fā)射針表面覆蓋了薄層的鎵；而在360 ℃時(shí)，發(fā)射針表面的鎵層較厚，已經(jīng)完全包覆了針尖，潤濕效果大大提升。同時(shí)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度較低時(shí)(低于300 ℃)，潤濕效果會(huì)變差，發(fā)射針表面僅附著有少量的鎵。由此得到，溫度對(duì)潤濕效果的影響非常明顯。隨著溫度的提高，潤濕效果越來越好?？傮w而言，當(dāng)溫度高于300 ℃時(shí)，鎵在發(fā)射針表面潤濕效果良好，發(fā)射針表面呈現(xiàn)銀白色。

國內(nèi)外學(xué)者在研究金屬離子源的過程中，對(duì)鎵的潤濕也采取了多種方法。比如，清華大學(xué)的董桂芳采用電子轟擊去除發(fā)射針表面氧化鎢的方法提高潤濕性，國外大多采用在真空中反復(fù)掛鎵的方法，但過程復(fù)雜或難以保證效果[19-21]。本文提出的通過提高溫度改變潤濕性的方法取得了良好的潤濕效果，且簡便易行。

因此，本試驗(yàn)解決了鎵在發(fā)射針表面難以充分潤濕的難題；對(duì)比了不同溫度下的鎵在發(fā)射針表面潤濕效果，確定了溫度對(duì)潤濕效果的影響；并得到了能使?jié)櫇裥Ч己玫臏囟确秶?>300 ℃)。

1.3 推力器樣機(jī)研制

本文研制出的推力器樣機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要有3點(diǎn)：首先，體積小，質(zhì)量小，外廓尺寸僅為Φ18.5 mm × 27 mm，可以有效降低微納衛(wèi)星的載荷。其次，加熱功率低，推力器工作時(shí)僅需要0.32 W的加熱功率，大大降低了能源消耗，在保證發(fā)射功率的基礎(chǔ)上降低總功率。最后，該推力器可以很方便地實(shí)現(xiàn)極間距(發(fā)射針頂點(diǎn)和吸極之間的間距)和吸極內(nèi)孔直徑的調(diào)節(jié)，有助于研究推力器在不同幾何參數(shù)下的性能。

本文研制的推力器樣機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)尤其注重在加熱部分的設(shè)計(jì)。采用定制的微型陶瓷加熱棒，外廓尺寸為Φ4 mm × 8 mm，陶瓷粉填充密實(shí)，外壁可以與10 kV以上的高壓直接接觸而不產(chǎn)生擊穿。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，保證存儲(chǔ)室與加熱棒的接觸緊密，減小其余零件與加熱棒接觸面積，提高了傳熱效率。上海交通大學(xué)研制的銦FEEP推力器的加熱功率約為6 W，相比之下，本文研制的推力器的加熱功率大大降低。

在進(jìn)行推力器樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮發(fā)射針、電場強(qiáng)度、場發(fā)射電推力器壽命等各方面因素，得出微型鎵場發(fā)射電推力器的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 NanoFEEP主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

研制得到的微型鎵場發(fā)射電推力器實(shí)物如圖5所示。其主要組成部分有吸極、發(fā)射針、刻度盤、存儲(chǔ)室、加熱棒及附屬部件等。其中，刻度盤用來精確調(diào)節(jié)極間距。用來存放推進(jìn)劑鎵的存儲(chǔ)室使用難加工的鉬材料。附屬部件選用聚醚醚酮(PEEK)，它具有極好的絕緣絕熱性能、良好的可加工性以及極好的化學(xué)穩(wěn)定性，完全滿足NanoFEEP樣機(jī)運(yùn)行在高壓條件下的要求。

圖5 微型鎵場發(fā)射電推力器Fig.5 NanoFEEP thruster

2 性能測(cè)試和分析

微型鎵場發(fā)射電推力器的發(fā)射性能受到多方面因素的影響，如潤濕溫度、幾何參數(shù)、傳熱性、電場力大小和分布等。為測(cè)試和分析各因素對(duì)推力器性能的影響，在真空環(huán)境下進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。

2.1 點(diǎn)火試驗(yàn)

利用真空艙進(jìn)行抽真空，在一臺(tái)羅茨泵，兩臺(tái)旋片泵，兩臺(tái)分子泵的工作下，真空度能夠達(dá)到5.4×10-4Pa。在真空環(huán)境下，首先對(duì)推力器存儲(chǔ)室中的鎵和發(fā)射針進(jìn)行加熱，讓推進(jìn)劑鎵和發(fā)射針針尖的溫度超過鎵的熔點(diǎn)29.76 ℃。在點(diǎn)火之前，對(duì)發(fā)射針針尖在真空環(huán)境下的加熱溫度進(jìn)行了標(biāo)定。根據(jù)金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，在室溫25 ℃的條件下采用K型熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)射針針尖的溫度標(biāo)定情況如圖6所示。為了提高鎵在發(fā)射針表面的流動(dòng)性，試驗(yàn)中將溫度加熱到50℃左右。由圖6可得，在真空中0.32 W的加熱功率可以讓發(fā)射針的針尖溫度達(dá)到這一溫度[22-23]。

圖6 針尖溫度標(biāo)定Fig.6 Tip temperature calibration chart

從0 kV開始緩慢提高電壓，在剛開始時(shí)，無電流產(chǎn)生，發(fā)射針針尖處無亮光；當(dāng)電壓繼續(xù)提高到某一數(shù)值時(shí)，瞬間產(chǎn)生了電流(可將此時(shí)的電壓稱為起始點(diǎn)火電壓)，但依然觀察不到亮光；隨著電壓進(jìn)一步升高，電流逐漸增大，觀察到發(fā)射針針尖處發(fā)出的紫色亮光，且亮度隨著電流的增大而提高。當(dāng)電流達(dá)到300 μA以上時(shí)，金屬離子發(fā)射產(chǎn)生的紫色亮光十分明顯，如圖7所示。

圖7 點(diǎn)火現(xiàn)象Fig.7 Ignition phenomenon

2.2 不同潤濕溫度下的點(diǎn)火特性

使用360 ℃和300 ℃兩種溫度下潤濕完成的發(fā)射針進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，觀察潤濕溫度對(duì)點(diǎn)火特性的影響。選取內(nèi)孔直徑為4 mm的吸極，調(diào)節(jié)極間距為250 μm，觀察點(diǎn)火現(xiàn)象并測(cè)量發(fā)射電流，得到不同潤濕溫度下的I-V曲線，如圖8所示。

圖8 不同潤濕溫度的點(diǎn)火I-V曲線Fig.8 Ignition I-V curves under different wetting temperatures

由圖8可知，同等電壓下，潤濕溫度的提高會(huì)使發(fā)射電流增大，改善點(diǎn)火性能；起始點(diǎn)火電壓隨著潤濕溫度的提高而降低。這是因?yàn)闈櫇駵囟仍礁?，鎵的潤濕性越好，越能促使推力器的發(fā)射。馬向國等在研制鎵離子源的過程中也發(fā)現(xiàn)了潤濕性對(duì)發(fā)射性能的重要影響，潤濕性越好，發(fā)射性能越好[24]。需要說明的是，如果潤濕溫度過高，會(huì)加速潤濕實(shí)驗(yàn)裝置的耗損，應(yīng)該盡量控制溫度低于380 ℃。

2.3 不同幾何參數(shù)下的點(diǎn)火特性

除了潤濕溫度以外，幾何參數(shù)的改變也會(huì)影響推力器性能。本文針對(duì)吸極內(nèi)孔直徑和極間距這兩個(gè)主要的幾何參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析。選取300 ℃下潤濕的發(fā)射針，分別改變這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。首先，控制極間距為250 μm不變，分

別使用內(nèi)孔直徑為2 mm、4 mm、6 mm的吸極，測(cè)得點(diǎn)火的I-V曲線，如圖9所示。其次，控制吸極內(nèi)孔直徑為4 mm不變，分別調(diào)節(jié)極間距為250 μm、500 μm、750 μm，測(cè)得點(diǎn)火的I-V曲線，如圖10所示。

圖9 不同吸極內(nèi)孔直徑的點(diǎn)火I-V曲線Fig.9 Ignition I-V curves under different inner hole diameters of absorbing pole

圖10 不同極間距的點(diǎn)火I-V曲線Fig.10 Ignition I-V curves under different pole spacing

由圖9、圖10可得，發(fā)射電流隨著電壓的增大而增大；而在同等電壓下，吸極內(nèi)孔直徑越小，極間距越小，發(fā)射電流越大，點(diǎn)火性能越好，起始點(diǎn)火電壓也會(huì)降低。在吸極內(nèi)孔直徑為2 mm，極間距為250 mm時(shí)，最大發(fā)射電流可以達(dá)到350 μA左右。德國德累斯頓大學(xué)研制的鎵NanoFEEP推力器的最大發(fā)射電流可達(dá)到250 μA[6]；段君毅通過計(jì)算得到，極間距越大，發(fā)射針尖端電場強(qiáng)度越小[10]。但二者缺少對(duì)不同幾何參數(shù)下的點(diǎn)火特性的試驗(yàn)驗(yàn)證。

因此，本文的試驗(yàn)有利于選擇出合適的幾何參數(shù)來提高發(fā)射電流，可以為推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)工程化過程中的參數(shù)選擇提供參考。應(yīng)選擇極間距為250 mm，吸極內(nèi)孔直徑為2 mm，此時(shí)，同等電壓下的發(fā)射電流將得到明顯提高。吸極內(nèi)孔直徑和極間距不能過小，否則會(huì)在極間產(chǎn)生擊穿打火現(xiàn)象，影響發(fā)射電流的穩(wěn)定性。

2.4 理論推力

微型推力器工作時(shí)產(chǎn)生的微推力是評(píng)估推力器性能的重要指標(biāo)。微推力測(cè)量過程中的影響因素很多，如環(huán)境噪聲和振動(dòng)帶來的影響，測(cè)量系統(tǒng)的誤差，氣動(dòng)力和電磁力之間的相互作用等[25-26]。目前，針對(duì)毫牛級(jí)別的微推力測(cè)量的技術(shù)較為成熟，精度很高；但針對(duì)微牛級(jí)別的微推力測(cè)量對(duì)試驗(yàn)環(huán)境和測(cè)量系統(tǒng)的要求極高。本文中研究的微型鎵場發(fā)射電推力器的推力大小為在數(shù)微牛到數(shù)十微牛之間，普通的微推力測(cè)量裝置難以準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量難度極高，精度往往難以保證。但根據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒理論可以推導(dǎo)場發(fā)射電推力器的理論推力公式，國外文獻(xiàn)中通過試驗(yàn)比對(duì)給出了修正系數(shù)，可以推出[27]：

式中：F為微推力(μN(yùn))；I為發(fā)射電流；m為單個(gè)的鎵離子質(zhì)量(取值1.161×10-25kg)；e為元電荷(取值1.6×10-19C)；c為修正系數(shù)(取值0.8)；U為極間電壓。根據(jù)理論公式，選取極間距為250 μm，吸極內(nèi)孔直徑為2 mm，300 ℃潤濕條件下測(cè)得的電流數(shù)據(jù)，得到理論推力如圖11所示。理論推力隨電流的變化基本上保持線性，與國外的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相近[6]。

圖11 理論推力Fig.11 Theoretical thrust

3 電場仿真

微型鎵場發(fā)射電推力器工作過程中受到電場、熱場和流場的耦合作用，機(jī)理較為復(fù)雜。發(fā)射針表面的鎵推進(jìn)劑主要受到液體表面張力和靜電力的綜合作用，當(dāng)兩個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)，液態(tài)鎵在發(fā)射針針尖形成泰勒錐，有如下關(guān)系[27]：

式中：γ為液體的表面張力系數(shù)；E為電場強(qiáng)度；r1和r2分別為發(fā)射極頂部曲面任意點(diǎn)處的曲率半徑。

在高壓真空工作狀態(tài)下，場發(fā)射極間電場強(qiáng)度的計(jì)算十分復(fù)雜，利用Comsol軟件進(jìn)行仿真[28-29]。顯微鏡下觀察得到：發(fā)射針經(jīng)過酸洗后桿部直徑為300 μm，針尖錐角為直角；充分潤濕之后，發(fā)射針桿部均勻附著一層厚度為50 μm的推進(jìn)劑鎵，針尖處形成的液體半徑約為15 μm。鎵離子的發(fā)射是個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，伴隨著針尖處泰勒錐的形成，液態(tài)鎵在錐頂形成拉伸的球冠狀。段君毅在對(duì)銦FEEP推力器極間電場的研究過程中，對(duì)泰勒錐錐頂半徑在1～10 nm時(shí)的電場強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算[10]。本文主要是為了分析不同極間距和吸極內(nèi)孔直徑對(duì)發(fā)射針尖端電場強(qiáng)度的影響，取泰勒錐錐頂半徑為1 nm，簡化處理為圓角，建模如圖12所示。

圖12 仿真建模圖Fig.12 Simulation modeling diagram

在20 mm×20 mm的真空區(qū)域中，給發(fā)射針的電勢(shì)為10 kV，吸極接地，發(fā)射針尖端電場強(qiáng)度的仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。圖13是極間距為250 μm，吸極內(nèi)孔直徑在1～6 mm范圍時(shí)的電場模，圖14是吸極內(nèi)孔直徑為2 mm，極間距在125～750 μm范圍時(shí)的電場模。

結(jié)果說明，發(fā)射針尖端的電場強(qiáng)度隨著吸極內(nèi)孔直徑和極間距的增大而減小。一般來說，F(xiàn)EEP在尖端電場強(qiáng)度達(dá)到109V/m以上才能正常工作，仿真結(jié)果與國內(nèi)外研究情況相符[10,30]。這一仿真結(jié)果也解釋了幾何參數(shù)對(duì)點(diǎn)火特性的影響：不同幾何參數(shù)下的發(fā)射針尖端電場強(qiáng)度發(fā)生改變，電場強(qiáng)度才是影響點(diǎn)火特性的根本，電場強(qiáng)度越大，發(fā)射電流越大。

圖13 不同吸極內(nèi)孔直徑的電場模Fig.13 Electric field norm under different inner hole diameters of absorbing pole

圖14 不同極間距的電場模Fig.14 Electric field norm under different pole spacing

4 結(jié)束語

本文解決了真空環(huán)境下鎵難以充分潤濕等問題，研制出了低功率的微型鎵場發(fā)射電推力器，完成一系列的試驗(yàn)和分析。但是，推力器存在長時(shí)間工作后穩(wěn)定性降低的問題，另外，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的工程化，微推力的精確測(cè)量等問題仍需要進(jìn)一步研究。下面列出具體的研究結(jié)論和成果：

1)注重對(duì)結(jié)構(gòu)的絕緣絕熱設(shè)計(jì)，采用定制的微型陶瓷加熱棒給推力器加熱，減小熱功率。研制出了國內(nèi)首臺(tái)針式微型鎵場發(fā)射電推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，該樣機(jī)體積小，質(zhì)量小，幾何參數(shù)(吸極內(nèi)孔直徑和極間距)可調(diào)。

2)用提高潤濕溫度的方法解決了鎵在鎢針表面難以充分潤濕的難題；試驗(yàn)對(duì)比了溫度對(duì)潤濕效果的影響，溫度越高，潤濕效果越好，溫度大于300 ℃時(shí)潤濕效果良好。

3)成功實(shí)現(xiàn)微型鎵場發(fā)射電推力器的點(diǎn)火，當(dāng)發(fā)射電流較大時(shí)(>300 μA)，發(fā)射針針尖處有紫色亮光，點(diǎn)火現(xiàn)象明顯，推力器點(diǎn)火存在起始點(diǎn)火電壓，低于此電壓時(shí)無發(fā)射電流。

4)潤濕溫度的提高，吸極內(nèi)孔直徑和極間距的減小，有利于提高發(fā)射電流，提升點(diǎn)火性能，起始點(diǎn)火電壓也會(huì)變小，更容易實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。發(fā)射電流隨著極間電壓的增大而增大，最大可達(dá)到350 μA。通過試驗(yàn)對(duì)比，選擇出能使發(fā)射電流明顯提高的幾何參數(shù)：極間距為250 mm，吸極內(nèi)孔直徑為2 mm。因此，試驗(yàn)結(jié)果可以為推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)工程化過程中的參數(shù)選擇提供參考。另外，根據(jù)發(fā)射電流，給出了由公式計(jì)算得到的理論推力。

5)仿真得到不同幾何參數(shù)(吸極內(nèi)孔直徑和極間距)下的發(fā)射針尖端電場強(qiáng)度，也即發(fā)射針尖端電場模，電場模在109V/m量級(jí)。同等電壓下，吸極內(nèi)孔直徑越小，極間距越小，尖端電場強(qiáng)度越大，發(fā)射電流越大。仿真結(jié)果也解釋了為什么幾何參數(shù)的改變會(huì)改變發(fā)射電流。