郭登帅，康小明，刘欣宇，贺伟国，杭观荣，李彦达，张 锐，王政伟，余 勇

(1. 中国科学院 微小卫星创新研究院，上海 201203；2. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240；3. 上海空间推进研究所 上海空间发动机工程技术研究中心，上海201112)

0 引 言

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]。MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)等技术的日趋成熟促进了低成本、小重量、小体积、高性能、短研制周期的微纳卫星技术的迅速发展，大大增加了微纳卫星的轨道机动、精确姿态控制、大气阻力补偿、高精度编队飞行等的需求，吸引越来越多的学者致力于功率小、重量轻、结构紧凑的微推进技术的研究。

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。与传统化学推进相比，电推进能够大幅节省推进剂、增加有效载荷质量，从而增加航天器在轨寿命、提高航天器的整体性能与收益，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[2-6]。其中，场发射电推力器(Field Emission Electric Propulsion，FEEP)是一种具有比冲高、推力小且大范围精确可调、推力噪声低、功耗及成本低、结构紧凑等优点的电推力器，曾被选作SMART-2[7]、DARWIN[8]、Microscope[9]、LISA Pathfinder[10]等空间任务的阻力补偿、姿态控制等，也被国内的引力波探测任务——由中山大学发起的“天琴计划”列为三颗编队飞行卫星相对位置精确调节的首选推力器[11]。因此，FEEP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、星座编队飞行等任务最有前景的推进技术之一。

1 场发射电推力器的工作原理和特点

场发射电推进技术是一种基于射流放电的电推进技术。FEEP的工作原理如图1所示：在存储室中有液态金属推进剂，其下游端部为发射极，发射体下游为吸极。发射极尖部的液态金属推进剂在发射极和吸极间的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，发射极顶端的推进剂因场致发射电离成离子，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。

图1 FEEP工作原理示意图

从FEEP的工作原理可以看出，与其他类型的电推力器相比，FEEP推力器具有以下特点：

1)推力小且大范围精确可调(0.1 μN～1 mN)，能够完成其他推力器不能完成的航天器精确定位任务；

3)元冲量小，最小可达5×10-9N·s，是目前所有在研推力器中最小的；

4)推进剂的离子化和加速在同一电场中完成，效率高，最高可达98%，远远高于其他的电推力器和化学推力器；

5)推进剂贮存腔与推力器为一体化结构，不需要高压贮箱、管路和阀门等组件，结构简单、重量轻；

6)无活动部件，无机械噪声和振动，特别适合需精确定位的任务，不会对定位精度产生影响。

从工作原理上看，胶体推力器和电喷推力器具有和FEEP相似的工作方式。同它们相比，FEEP的优点是推力精度和比冲更高，在高精度姿态调节方面有一定的优势；缺点是FEEP的工作电压较高，通常在6 kV以上，且FEEP的推进剂通常为金属，需要额外的加热部件，而胶体推力器和电喷推力器推进剂为液体，无需加热。

2 场发射电推力器的研究现状

目前，国外从事FEEP研究的主要有奥地利的ARCS(Austrian Research Centers Seibersdorf)和FOTEC公司、意大利的Centrospazio实验室、Alta公司和SITAEL公司，他们的研究处于领先位置。国内主要有上海交通大学、航天六院上海空间推进研究所和中科院力学研究所在进行相关研究。

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2.1 国外研究概况

奥地利从上世纪70年代就开始从事铟液态金属离子源(Liquid Metal Ion Source，LMIS)发射机理的研究，并应用于航天器的电位控制系统[15]。基于铟液态金属离子源上万小时的太空飞行经验以及其在微推进领域的应用潜力，ARCS从1998年开始了从铟LMIS向针式铟FEEP的技术转化。截止2002年已经研制出FEEP-25原理样机[13]、FEEP-100工程样机[14](如图2(a)所示)。FEEP-25与FEEP-100的结构是以针式铟 LMIS 为发射极，其最大推力分别为25 μN和100 μN。

图2 ARCS研制的FEEP和FEEP簇

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，并先后完成了3个推力器构成的FEEP簇[15](如图2(b)所示)、2×2 FEEP簇[16]、4×4 FEEP簇[17]的研制和性能测试。另一方面，ARCS通过增加发射极上的发射点的个数来提高推力水平。他们将针式和毛细管式FEEP的优点结合在一起，研制了多孔(皇冠式)FEEP推力器，如图3所示。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0.6 mN，比冲6 000 s，功推比为80 W/mN[18]。多孔(皇冠式)FEEP的研究工作随后先后转移到奥地利技术研究院(Austrian Institute of Technology，AIT)和FOTEC公司进行，截止2016年已经进行了10 000小时的长寿命实验[19]。FOTEC公司将多孔(皇冠式)FEEP向微小型化转化以用于微纳卫星和立方星，形成了IFM Nano FEEP和7个IFM Nano FEEP组成的推力器簇(含PPU、推进剂和中和器)，外围尺寸分别为10×10×10 cm和Φ30×10 cm，可提供大推力和高比冲两种工作模式，其中7 FEEP簇计划于2017年进行在轨验证[20]。

与奥地利不同的是，意大利从事的是窄缝式铯FEEP的研究。90年代末期，Centrospazio实验室对窄缝式FEEP推力器进行了大量的研究，包括发射性能测试、数值建模、微推力测试、羽流特性、寿命测试等。2000年，Centrospazio实验室基于已有研究转型为Alta公司，进一步推动了FEEP的产品化进程，先后研制了FEEP-5[21]和FEEP-150[22]等产品(图4)。FEEP-5常规推力为1-100 μN，于2005年完成飞行样机鉴定。目前FEEP-150已经成为Alta公司的主打产品，其推力范围为0.1～150 μN，比冲为4 000 s，最大推进剂质量为92 g。2014年底，随着Alta公司并入其高压电源供应商SITAEL公司，窄缝式铯FEEP的研究也转移到了SITAEL公司[23]。

图3 多孔(皇冠式)FEEP及其首次点火示意图

此外，奥地利和意大利的学者们针对LISA Pathfinder引力波探测这一太空实际应用进行了大量的实验研究。然而，由于没有按时完成LISA Pathfinder的性能指标，FEEP暂时被更加成熟的冷气推力器替代。但是从FEEP具有最精确的指向性这一优点来看，FEEP仍然是最适合引力波探测的推力器，在未来即将发射的引力波探测器的推力器选择上，FEEP必然备受关注。

另一方面，FEEP仅微牛量级的推力使得它最适合用于微纳卫星、立方星等的推进系统。随着立方星在空间科学任务的需求越来越多，日益成熟的FEEP技术正在向小型化的方向发展。美国桑迪亚国家实验室历时三年研制了MEMS毛细管式阵列FEEP，设计采用5×5阵列，单根毛细管直径4 μm，深230 μm。然而，由于毛细管直径设计的太小，他们遇到了铟无法在钨毛细管中浸润的问题，这导致毛细管出现不能同时点火、打火等诸多问题[24]。

德国德累斯顿工业大学研制了用于立方星的Nano FEEP，整体尺寸仅Φ13×21 mm，总质量小于6 g，能产生0.1-8 μN的连续推力，最大推力为22 μN。该设计采用了多孔发射针为发射体，钽作为存储室，低熔点的镓作为推进剂，通过对推力器结构优化，加热功耗仅50-90 mW[25]。

2.2 国内研究概况

目前国内对FEEP的研究还处于起步阶段，参与研究FEEP的单位主要有上海交通大学、上海空间推进研究所以及中科院力学研究所。

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[26]。但该推力器存在推力较小、工作寿命较短的问题。后通过对FEEP原理样机进行优化设计，研制出FEEP实验样机，尺寸为Φ28×49 mm，质量约60 g，并实现稳定点火，最大理论推力可达为70 μN[27]。

中科院力学研究所对窄缝式FEEP中的推进剂铯易热蒸发和被氧化等技术风险进行了分析，分析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[28]。

3 场发射电推力器的关键技术

3.1 微细制造与装配调节技术

在高电压作用下，FEEP的发射极因其极小尺寸而获得强电场，进而引起场致发射，因此FEEP发射极的微细制造和装配调节技术是其研制的关键技术和难点之一。

对于针式、毛细管式、窄缝式三种结构类型的FEEP来说，都存在发射体微细制造技术方面的难点。针式FEEP的发射针尖半径通常仅为数微米，传统的加工制造技术较难实现；毛细管式FEEP因其毛细作用力与发射点方向一致而具有较好的稳定性，然而，由于受实际制造技术所限，目前能制备出的金属毛细管的最小外径为50 μm，这使得毛细管式FEEP在工作时产生较大尺寸的泰勒锥尺寸，进而降低发射效率和电阻抗，大大制约了毛细管式FEEP的发展和应用[29]。

在FEEP的装配调节方面，由于发射体的尺寸仅为微米级，无法用肉眼直接观测，且发射极和吸极间的距离通常仅数百微米，因此发射极的装配调节是针式和毛细管式的一个技术难点。与针式和毛细管式FEEP一样，窄缝式FEEP的发射极的制备和装配调节也存在较大困难。窄缝式发射极是通过将两个表面镀有极薄镍层的平板贴合而成的，窄缝的宽度为1.2 μm，吸极为一带窄槽的金属板，与发射极距离为0.6 mm[30]。窄缝的制备要求两个平板和镍层具有极高的平面度和表面光滑度，且发射极和吸极要保持较高的平行度和同心度，这给制造和装配调节技术带来极大的挑战。

3.2 浸润工艺

发射极的浸润效果对FEEP的工作起着决定性作用。一般来说，固体表面能越大、液态金属表面张力越小，越容易实现浸润。从推进剂的浸润性能来看，对于常用的FEEP推进剂铯和铟，铯的表面张力远小于铟(铯和铟的表面张力系数分别为0.07 N/m和0.56 N/m)，使得铯具有极佳的浸润性能外，还具有独特的能够渗入微米尺寸的毛细管和窄缝的能力[31]，这对于铟来说基本是不可能的。因此，铯通常应用于窄缝式FEEP，而铟用于针式FEEP。

针式FEEP的浸润需要复杂的工艺和细微的参数调节，使得浸润成为一大技术要点。然而，尽管铯具有极佳的浸润性能，窄缝式FEEP的浸润要求高，实现铯的良好浸润也十分困难。一方面，窄缝式FEEP的发射极是横向线性的，浸润不均匀会导致发射点分布不均匀。另一方面，铯是极其活泼的碱金属，易被空气氧化，且与水能快速反应；铯氧化物会沉积在发射极出口并堵塞窄缝，进而影响离子发射；此外，如果发射极出口覆盖有灰尘颗粒或者受到损坏会导致过度浸润，使得推进剂润湿发射极的外表面而引起打火。因此，窄缝式FEEP的浸润除了对推力器材料的光洁度、清洁度、除气除湿有较高要求外，推进剂的供给装置需要额外的特殊设计[32]。

3.3 中和技术

与其他类型的电推力器相比，中和器不是FEEP正常工作所必需的部件，然而，为了保持航天器的电中性，中和器又是必不可少的。FEEP的功耗通常仅为数瓦，低于霍尔推力器和离子推力器上的传统空心阴极的功率，因此，FEEP需要特殊的低功耗的中和器来降低系统的总功率，且尽可能只用一个中和器来中和FEEP推力器或推力器簇的羽流。此外，FEEP的中和器还应该不使用额外的推进剂以降低系统的复杂性，可运行在LEO和GEO轨道，在高于10-4Pa的气压条件下能正常工作，寿命可达数千小时以上。

诸多的限制因素使得通常只有三种类型的中和器满足FEEP的需求：低功耗的热阴极、场发射阵列阴极以及碳纳米管阴极。热阴极是通过加热低功函数的表面来发射电子的，其中只有混合金属阴极或钪酸盐阴极满足FEEP的需求，它们具有较长的使用寿命，但其性能受工作气压影响较大。与热阴极相比，Spindt型场发射中和器的功推比降低了50%，且推力器和中和系统的稳定性更好，但是Spindt型场发射阴极受工作环境气体成分影响较大，其发射尖和栅极间的绝缘壁易被FEEP的金属推进剂污染从而存在短路的风险；此外，场发射阵列阴极尺寸小、结构复杂，其MEMS制备工艺复杂。碳纳米管是一项较新的技术，具有功函数低、尖端极其细小、热、化学稳定性好、对大气暴露不敏感等优点。碳纳米管的原子尺度的开口边缘使其具有远大于场发射阴极的的局部场增强因子，更重要的是，碳纳米管的发射端不会因离子轰击而变钝。然而，与Spindt型场发射阴极相比，碳纳米管的集中性较差，使得吸极离发射端距离远大于Spindt型场发射阴极，导致同样发射电流情况下的发射电压增大，效率降低[33-34]。

根据上述分析，由于FEEP特殊的需求，可供选用的中和器类型较少，而每种类型的中和器或多或少存在某方面的不足或缺陷，研究新的或改进制备工艺方法、开发新材料是进一步提高中和器性能的途径。

3.4 推力和比冲测试技术

推力和比冲是FEEP的两个重要性能指标。然而，对FEEP来说，其推力和比冲的测试具有较大难度。通常来说，推力越小，仪器装置和环境对推力测量的影响越大。FEEP仅微牛量级的推力大大增加了其推力的测量难度。首先，FEEP工作在高真空环境中，在测量推力时，推力测量装置必须放置在真空舱中，不可避免地受到真空泵和外界环境的振动干扰。在无大气阻力的真空环境中，任何噪声引起的随机运动干扰可能比待测的微牛量级信号高几个数量级[35,36]，如何有效地屏蔽或降低噪声干扰成为FEEP推力测量装置的关键点。其次，为了更精确地测量微推力，通常采用直接测量法，常见的推力测量装置和方法有天平式、倒摆式、单摆式、双摆式、钟摆式和扭摆式等结构以及较方便直接的天平称重法[37]。在直接推力测量时，推力器安装在测量装置上，通过测量推力器对测量装置的反作用力得到推力器的推力。FEEP的工作电压通常为数千伏的高压，易对推力测量装置的精密传感器、控制系统等产生电磁干扰，影响测量系统对推力的响应，因此需要采取一定的电磁屏蔽措施。最后，温漂也对FEEP的推力测量精度有较大影响。针式铟FEEP工作温度约为180 °C，铯FEEP的工作温度虽略高于常温，但在点火前需要在350 °C的温度下进行15小时的除气以防止推进剂被真空系统中的残余氧气污染[38]。FEEP温度的改变会引起推力测量装置弹性元件刚度系数的变化或热变形，进而影响测量精度。因此，推力测量装置应考虑选用热容量和热导率比较高的材料，且在每次推力测试前都要进行温度标定[39]。

FEEP的比冲测试也是一个关键技术点。目前应用较广泛的几种电推力器，如脉冲等离子体推力器、离子推力器、霍尔推力器等，大都可以通过称重法或流量控制模块直接得到推进剂的消耗量，而FEEP的流量基本无法准确地通过直接测试手段得到。一方面，FEEP的推进剂输运完全靠内部毛细作用的自发流动而无需流量调节模块，另一方面，FEEP的推进剂消耗量极少，通常为mg/h量级，采用称重法测试推进剂消耗量将产生无法估量的误差。因此，常用于胶体和电喷推力器的质谱分析的飞行时间(Time of flight，TOF)法[37,40-41]可能是最适合FEEP的一种间接测试比冲的方法。TOF法通过测试羽流飞行到一定位置处金属板的时间，再根据电流随时间的变化进行相应的积分运算得到推力和流量，最后由推力和流量计算出比冲。其中，飞行时间由信号采集设备采集到的金属板上的电流信号的变化时间得到。因FEEP的羽流速度非常高，相应的飞行时间极短，电流信号的变化必须在高频下采集，且电流为微纳安量级的极弱信号，远小于真空系统的噪声干扰，因此必须对高频微弱电流信号进行噪声过滤和信号处理。

3.5 长寿命问题

与化学推进相比，虽然电推进比冲高，但与化学推进相比其推力较小，执行同样的任务需要的时间更长，因此，电推进系统需要有较长的寿命和高可靠性以满足推进任务的需求。此外，微小、微纳卫星的寿命正在从目前的1-2年向3-5年发展，这对FEEP等微电推进系统的寿命提出了更高的要求。

近年来，引力波探测成为一大科学研究热点。从引力波空间探测任务对推力器的技术要求指标来看，FEEP几乎是为该空间任务量身打造的一种电推力器。然而，欧洲航空局的LISA任务和中山大学的“天琴”计划均要求推力器的寿命达到40000小时以上，这对FEEP来说将是个较大的挑战。因此，长寿命问题可能是制约FEEP发展的一大因素。

对针式FEEP来说，影响其寿命的最主要原因是发射针的腐蚀以及由此带来的质量效率的下降。ARCS通过实验研究发现，FEEP工作过程中偶尔存在的微火花放电会使钨发射针溶于推进剂铟中，增大泰勒锥锥底半径尺寸，进而降低推力器的质量效率[42]。FOTEC公司对多孔皇冠式FEEP进行了将近10 000小时的寿命测试，发现唯一可能对推力器寿命产生影响的是推进剂在吸极上的沉积现象。随着推力器工作时间的增加，从针尖处喷射出的铟会缓慢沉积在吸极孔上，进而引起吸极孔径的缩小，并最终导致短路，需要采用加热蒸发等方法来避免[19]。

3.6 电源处理单元

电源处理单元是一个相对复杂的二次电源变换设备，它将航天器的太阳能电池母线电压转换为电推力器需要的电压，是电推进系统的重要组成部分。

FEEP具有与其他电推力器不同的特征，对电源处理单元提出了严格的要求。FEEP是一种具有高精度的微型电推力器，推力分辨率高达0.1 μN，这要求电源电压具有高分辨率和低纹波，尤其是当FEEP用于执行引力波探测等高精空间任务时。FEEP的工作电压高达数千至上万伏，需要有高效的电压转换系统以减少电压转换损失。此外，FEEP通常用于体积和质量极小的微纳卫星的姿态调节等空间任务，因此，FEEP的电源的体积和质量必须尽量小。在电推进技术的推动下，国外多家研究机构已研制出符合FEEP等微推进系统的星载高压电源，而国内在FEEP技术方面已有较大的进步，但重点仍在推力器本体的研究，在发展高效的小功率高压星载电源方面基本空白，亟待攻克这方面的关键技术。

4 结 论

场发射电推力器是一种极有发展前途的推力器，通过近几十年的大力研究，国外在FEEP推力器上已经有较成熟的技术和产品，且正在向研制大推力、多元化、高效率的推力器方向发展，从最大推力为100 μN发展为最大推力为1 mN的推力器，从单一发射针式FEEP到FEEP簇，进而发展为多孔(皇冠式)FEEP推力器以及微小型化的MEMS和Nano FEEP。我国航天应用已经进入快速发展时期，微纳卫星的发展也已经驶入快车道，但与国外相比，由于起步较晚、科技水平受限，FEEP技术与国外研究相比存在较大差距，亟待加强。相信在国内电推进日益受到重视的机遇下，在广大科研技术人员的共同努力下，我国的FEEP技术必将得到突破并在国际上占有一席之地。