適用于微納衛(wèi)星的微型電推進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展①

陳茂林，劉旭輝，周浩浩，陳 沖，賈翰武

(1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2.北京控制工程研究所，北京 100094)

0 引言

微納衛(wèi)星一般指質(zhì)量在1～100 kg的衛(wèi)星[1-3]，其具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、開(kāi)發(fā)周期短、性價(jià)比和功能密度高、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活，可編隊(duì)組網(wǎng)、以更低成本完成很多復(fù)雜空間任務(wù)等優(yōu)勢(shì)，受到了各國(guó)組織的重視，被應(yīng)用于地質(zhì)勘探、軍事、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)、通信、交通運(yùn)輸、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面。

目前，已有幾百顆100 kg以下微納衛(wèi)星完成了發(fā)射，但受衛(wèi)星體積、質(zhì)量、功率和成本限制，只有極少微納衛(wèi)星配備了推進(jìn)系統(tǒng)[1]。隨著微納衛(wèi)星任務(wù)的拓展，需要具備軌道機(jī)動(dòng)、位置保持、姿態(tài)控制、自主離軌等能力，對(duì)微推進(jìn)系統(tǒng)的需求日益明顯。與化學(xué)推進(jìn)相比，微型電推進(jìn)具有比沖高、推力精確、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，是微納衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的首選技術(shù)方向。此外，未配備推進(jìn)系統(tǒng)或其他離軌裝置的微納衛(wèi)星，在壽命末期無(wú)法自主重返大氣層，成為太空垃圾，在浪費(fèi)太空軌位資源的同時(shí)也給其他衛(wèi)星造成撞擊風(fēng)險(xiǎn)，這使得微納衛(wèi)星對(duì)微型電推進(jìn)系統(tǒng)的需求進(jìn)一步加強(qiáng)。

高性能的微型電推進(jìn)技術(shù)，一般需要將工質(zhì)電離成等離子體狀態(tài)后，基于靜電力或電磁力加速等離子體(或等離子體中的離子)高速噴射產(chǎn)生推力。常見(jiàn)的工質(zhì)電離方式包括氣體電離、液體電噴霧及固體燒蝕等方式，本文將在分析微納衛(wèi)星對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)需求基礎(chǔ)上，基于這三種工質(zhì)電離方式，介紹微型離子推力器、低功率霍爾推力器、場(chǎng)致發(fā)射電推進(jìn)(Field Emission Electric Propulsion，F(xiàn)EEP)、電噴霧推力器、脈沖等離子體推力器(Pulsed Plasma Thruster，PPT)、真空電弧推力器(Vacuum Arc Thruster，VAT)等主流微型電推力器的工作原理和研究進(jìn)展，分析其性能特點(diǎn)及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

1 微納衛(wèi)星對(duì)微型電推進(jìn)系統(tǒng)的需求

為保證低成本的同時(shí)，具備較長(zhǎng)的壽命和較優(yōu)的性能，微納衛(wèi)星對(duì)微型電推進(jìn)系統(tǒng)的需求，除了實(shí)現(xiàn)既定推進(jìn)功能外，還期望微型電推進(jìn)系統(tǒng)滿足以下共性的技術(shù)要求：

(1)低功耗，減小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的供電壓力；

(2)推力精確，重復(fù)性好，同型號(hào)推力器一致性好；

(3)最小沖量元小，重復(fù)性好，以便滿足控制系統(tǒng)高精度要求；

(4)高比沖，通過(guò)高比沖性能實(shí)現(xiàn)低推進(jìn)劑質(zhì)量條件下的高總沖，以滿足任務(wù)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)總沖需求；

(5)推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量輕、體積小，滿足衛(wèi)星總體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量控制要求。

2 基于氣體工質(zhì)電離的微型電推進(jìn)技術(shù)

目前廣泛應(yīng)用于航天器的電推進(jìn)技術(shù)主要采用氣體工質(zhì)，如電阻推力器、電弧推力器、離子推力器和霍爾推力器。氣體工質(zhì)電推進(jìn)技術(shù)在中高功率領(lǐng)域獲得了巨大成功，技術(shù)成熟。

對(duì)于微納衛(wèi)星動(dòng)力系統(tǒng)而言，將技術(shù)成熟的氣體工質(zhì)電推力器微型化，是微型電推進(jìn)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于電阻推力器和電弧推力器的比沖性能相對(duì)較低，微型化的主要方向是離子推力器和霍爾推力器。

2.1 微型離子推力器

微型離子推力器是將常規(guī)離子推力器微型化的產(chǎn)品，由于電子轟擊式離子推力器微型化難度較大[1]，目前微型離子推力器主要包括微波電子回旋共振(ECR)離子推力器和微型射頻(RF)離子推力器兩種。

2.1.1 微型離子推力器工作原理

微型離子推力器的工作原理與常規(guī)離子推力器的工作原理相同，都是氣體工質(zhì)在放電腔內(nèi)被電離成等離子體，等離子體中的離子被柵極系統(tǒng)引出并加速噴射形成推力，微型RF離子推力器和微型ECR離子推力器工作過(guò)程上的差異主要是氣體電離方式的不同，圖1為微型RF和微型ECR離子推力器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和工作原理示意圖。

(a)RF ion thruster (b)ECR ion thruster

2.1.2 微型離子推力器研究進(jìn)展

根據(jù)微型離子推力器的分類，分別介紹微型RF離子推力器和微型ECR離子推力器的研究進(jìn)展。

(1)微型射頻離子推力器

美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)(Pennsylvania State University，PSU)也于2004年研制了直徑1 cm的微型射頻離子推力器MRIT[6-8]，如圖3所示。MRIT采用氬氣作為工質(zhì)，在總功耗16 W條件下，實(shí)現(xiàn)了64.8 μN(yùn)的推力和2462 s的比沖性能，總效率20%。

圖2 吉森大學(xué)的RIT-μX

圖3 賓夕法尼亞州立大學(xué)的MRIT

美國(guó) Busek 公司從 2009年開(kāi)始研發(fā)小型射頻離子推力器，已經(jīng)完成BIT-1、BIT-3和BIT-7系列射頻離子推力器的工程化，其中BIT-1(圖4)總功率28 W，推力185 μN(yùn)、比沖1600 s，推力器質(zhì)量約53 g[9]。

圖4 Busek公司的BIT-1

國(guó)內(nèi)開(kāi)展微型RF離子推力器研究主要有中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所(Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，IM CAS)[10]、蘭州空間技術(shù)物理研究所[11]、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所[12]、西安推進(jìn)技術(shù)研究所[13]等單位。其中中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所康琦、賀建武等[14]研制的μRIT-1推力器最先于2019年8月發(fā)射的“太極一號(hào)”衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了空間飛行驗(yàn)證，“太極一號(hào)”衛(wèi)星及μRIT-1離子推力器如圖5所示。μRIT-1的地面測(cè)試性能如下：推力范圍5～100 μN(yùn)，推力分辨率優(yōu)于0.1 μN(yùn)，比沖60～1200 s[15]。

圖5 太極一號(hào)衛(wèi)星及μRIT-1離子推力器

(2)微型電子回旋共振離子推力器

日本是ECR離子推力器的發(fā)源地，也是最早開(kāi)展微型ECR離子推力器研發(fā)的國(guó)家。日本空間科學(xué)研究所(Institute of Space and Astronautical Science，ISAS)聯(lián)合東京大學(xué)于2008年研發(fā)了微型ECR離子推力器“μ1”(圖6)，推力器集成系統(tǒng)體積為34×26×16 m3，干重7.2 kg，濕重8.1～8.6 kg，總功耗27～34 W，推力210～300 μN(yùn)，比沖740～1100 s，2014 年6月和12月，“μ1”成功應(yīng)用于HODOYOSHI-4與PROCYON 兩顆小衛(wèi)星上[16-18]。

圖6 ISAS的μ1

除日本外，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)也于2011年開(kāi)始進(jìn)行直徑2 cm的微型ECR離子推力器MMIT(圖7)的研究。MMIT采用氙氣作為工質(zhì)，在總功耗1 W條件下，實(shí)現(xiàn)了推力258 μN(yùn)的推力和5540 s的比沖性能，總效率32.2%[6-7,19]。

圖7 賓夕法尼亞州立大學(xué)的MMIT

國(guó)內(nèi)微型ECR離子推力器主要在西北工業(yè)大學(xué)(Northwestern Polytechnical University，NPU)開(kāi)展，楊涓等研制了直徑2 cm的微型電子回旋共振離子推力器(圖8)，采用Xe作為工質(zhì)，在總功耗18 W條件下，實(shí)現(xiàn)了351 μN(yùn)的推力和1215 s的比沖性能[18]。

圖8 西北工業(yè)大學(xué)的微型ECR離子推力器

2.1.3 微型離子推力器技術(shù)特色

(1)由于離子推力器技術(shù)成熟，已在多個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)和空間任務(wù)中成功應(yīng)用，微型離子推力器繼承了離子推力器的大量研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，研制難度低。

(2)推力器可以在瓦級(jí)功率下工作，并獲得千秒級(jí)的比沖性能。

(3)推力器的總效率會(huì)隨著微型化過(guò)程而降低，約20%～30%左右，低于常規(guī)離子推力器(約50%～60%)。

(4)電源系統(tǒng)、高壓儲(chǔ)箱、閥門和工質(zhì)供給管路等部件的微型化難度較大，推進(jìn)系統(tǒng)的總質(zhì)量相對(duì)較大，一般為數(shù)千克量級(jí)。

2.2 低功率霍爾推力器

霍爾推力器是目前應(yīng)用最成功的電推進(jìn)產(chǎn)品，減小霍爾推力器工作功率，使其可應(yīng)用于微納微型的動(dòng)力系統(tǒng)是霍爾推進(jìn)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。由于霍爾推力器的工作特性，霍爾推力器功率很難降低至數(shù)瓦量級(jí)，目前低功率霍爾推力器主要指百瓦功率量級(jí)的霍爾推力器。

2.2.1 低功率霍爾推力器工作原理

低功率霍爾推力器的工作原理與常規(guī)霍爾推力器相同，都是氣體工質(zhì)在放電通道內(nèi)被電離成等離子體，等離子體中的離子被陽(yáng)極與中和器陰極形成的加速電場(chǎng)中加速噴射形成推力。

為解決小功率霍爾推力器內(nèi)磁極以及內(nèi)磁線圈的理論尺寸和實(shí)際空間布局之間的矛盾，進(jìn)一步減小霍爾推力器體積，降低霍爾推力器工作功率，普林斯頓大學(xué)提出了圓柱形霍爾推力器(Cylindrical Hall Thruster，CHT)[20]，主要包括放電通道、外磁線圈、內(nèi)磁線圈、外磁極、內(nèi)磁極、陽(yáng)極和陰極等。傳統(tǒng)霍爾推力器和圓柱形霍爾推力器的基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

(a)Classical Hall thruster (b)CHT thruster

2.2.2 低功率霍爾推力器研究進(jìn)展

國(guó)外開(kāi)展低功率霍爾推力器的研究單位較多，本文重點(diǎn)關(guān)注已經(jīng)完成空間飛行的低功率霍爾推力器和最低功率小于100 W的低功率霍爾推力器。

已完成飛行的產(chǎn)品包括俄羅斯的 SPT-50、美國(guó)的 BHT-200 、以色列的 CAM-200 推力器、以及日本的CHT型低功率霍爾推力器TCHT-4[21-22]，圖10為上述霍爾推力器的實(shí)物照片，其典型性能參數(shù)如表1所示。

表1 已完成飛行的低功率霍爾推力器性能參數(shù)

以色列Rafael先進(jìn)防務(wù)系統(tǒng)公司的CAM-200推力器和日本大阪工業(yè)大學(xué)的CHT型低功率霍爾推力器最低功率均低于100 W。此外，還有意大利 ALTA 公司研制HT-100 霍爾推力器、烏克蘭國(guó)立航空航天大學(xué)(KhAI)的SPT-20、俄羅斯克爾德什研究中心研制的KM-32、俄羅斯火炬設(shè)計(jì)局(Fakel)研制的PlaS-40、俄羅斯莫斯科國(guó)立無(wú)線電技術(shù)學(xué)院研制的KM-20M以及美國(guó)普林斯頓大學(xué)研制的CHT-Princeton等低功率霍爾推力器最低工作功率均不大于100 W，其典型性能參數(shù)如表2所示[20,22-23]，HT-100、SPT-20、CHT-Princeton和PlaS-40霍爾推力器見(jiàn)圖11。

(a)SPT-50 (b)BHT-200 (c)CAM-200 (d)TCHT-4

表2 典型低功率霍爾推力器性能參數(shù)

(a)HT-100 (b)SPT-20 (c)CHT-Princeton (d)PlaS-40

國(guó)內(nèi)從事低功率霍爾推力器研究的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上?？臻g推進(jìn)研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所、北京控制工程研究所等單位。上?？臻g推進(jìn)研究所進(jìn)行了30～100 W功率量級(jí)的霍爾推力器原理樣機(jī)的研制；蘭州空間技術(shù)物理研究所進(jìn)行了200～300 W功率量級(jí)霍爾推力器研制；北京控制工程研究所完成了百瓦功率量級(jí)永磁式推力器的研制，推力器實(shí)現(xiàn)在45.7～158 W時(shí)穩(wěn)定放電，在97 W，放電電壓為 300 V 時(shí)效率最高，達(dá)到 30%；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了200 W永磁式霍爾推力器[21]。

2.2.3 低功率霍爾推力器技術(shù)特色

(1)低功率霍爾推力器繼承了常規(guī)霍爾推力器的大量研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，研制難度低。

(2)推力器可以在百瓦級(jí)功率下工作，但最低工作功率遠(yuǎn)高于微型離子推力器和其它微型電推力器，適用于百公斤左右的微衛(wèi)星動(dòng)力需求。

(3)推力器的總效率會(huì)隨著微型化過(guò)程而降低，約20%～40%左右。

(4)和微型離子推力器一樣，電源系統(tǒng)、高壓儲(chǔ)箱、閥門和工質(zhì)供給管路等部件的微型化難度較大，推進(jìn)系統(tǒng)的總質(zhì)量相對(duì)較大，一般為數(shù)千克量級(jí)。

3 基于液體電噴霧的微型電推進(jìn)技術(shù)

采用氣體工質(zhì)的微型電推力器，需要高壓氣瓶和管路、閥門等部件進(jìn)行工質(zhì)的存儲(chǔ)和輸運(yùn)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；此外，微型離子推力器和低功率霍爾推力器在功率較低的情況下，效率下降明顯。相比之下，采用液體工質(zhì)的場(chǎng)致發(fā)射電推力器和離子液體電噴霧推力器具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)。

場(chǎng)致發(fā)射電推力器和離子液體電噴霧推力器是兩種主流的采用液體工質(zhì)的微型電推力器。

3.1 場(chǎng)致發(fā)射電推力器

場(chǎng)致發(fā)射電推力器(FEEP)是以液態(tài)金屬為工質(zhì)的電推進(jìn)技術(shù)，常見(jiàn)工質(zhì)包括銫(Cs)、銦(In)、鎵(Ga)等。FEEP可提供微牛至毫牛級(jí)推力和數(shù)千秒比沖，其工作時(shí)，羽流主要成分是金屬離子，其羽流形貌在泰勒錐作用下呈噴霧狀。

3.1.1 FEEP工作原理

FEEP屬于靜電式推進(jìn)器，采用高壓靜電場(chǎng)加速帶電離子產(chǎn)生推力。典型的FEEP 的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12[25]，主要由發(fā)射器(Emitter)、引出極(Extractor)、中和器等組成。金屬推進(jìn)劑儲(chǔ)存在發(fā)射器儲(chǔ)腔中，工作時(shí)加熱儲(chǔ)腔，使推進(jìn)劑液化，由于毛細(xì)作用使得推進(jìn)劑流向發(fā)射器出口。在發(fā)射器出口和引出極間施加高壓電場(chǎng)(109V/m)，在高壓電場(chǎng)作用下離子克服表面張力脫離液體金屬表面，由電場(chǎng)加速?gòu)奈鼧O高速噴出產(chǎn)生推力。

圖12 FEEP工作原理示意圖

3.1.2 FEEP研究進(jìn)展

20世紀(jì)70年代，歐洲航天技術(shù)中心首先提出FEEP的概念，隨后歐洲的很多研究機(jī)構(gòu)以發(fā)展南北位保任務(wù)為目標(biāo)進(jìn)行了FEEP 的研究。由于比功耗較大(約60 mW/μN(yùn))，與離子和霍爾推力器相比沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)EEP的研究一度暫停。90年代初，隨著航天器對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)高性能和高控制精度的需求，高比沖、微推力的FEEP重新獲得關(guān)注和支持。

圖13 Alta公司發(fā)展的FT-150推力器

此外，奧地利ARC公司發(fā)展了一種以銦為工質(zhì)，以鎢為材質(zhì)的發(fā)射針作為液態(tài)金屬離子源(LMIS)[27]，如圖14所示，液態(tài)工質(zhì)通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)被動(dòng)地供給到發(fā)射針表面。此離子源累計(jì)進(jìn)行了12 000 h的飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，推力0.1～15 μN(yùn)，比沖4000～8000 s，電效率95%。

圖14 ARC公司的LMIS

國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所[28]和上海交通大學(xué)(Shanghai Jiao Tong University，SJTU)[25]分別開(kāi)展了狹縫式和針尖式鎵工質(zhì)FEEP原理樣機(jī)的研制，在可靠性和壽命等性能方面距離國(guó)外研究仍有一定差距。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所和上海交通大學(xué)的FEEP如圖15、圖16所示。

圖15 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所的FEEP

圖16 上海交通大學(xué)的FEEP

3.1.3 FEEP技術(shù)特色

(1)相比于氣體工質(zhì)的微型電推力器，F(xiàn)EEP 推進(jìn)器沒(méi)有氣瓶等高壓容器，也沒(méi)有閥門等活動(dòng)部件，另外 FEEP 推進(jìn)器利用毛細(xì)作用進(jìn)行推進(jìn)劑的補(bǔ)給，無(wú)需氣路系統(tǒng)，使得結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，極大地保證了系統(tǒng)的輕質(zhì)量特性。

(2)由于金屬極高的電導(dǎo)率，F(xiàn)EEP的發(fā)射物都是以陽(yáng)離子的形式存在，故其比沖可達(dá) 6000～12 000 s，遠(yuǎn)高于其他靜電式電推進(jìn)器。

(3)FEEP 推進(jìn)器的推力可達(dá)0.001～1 mN，非常適用于小推力高精度的場(chǎng)合，能夠勝任微牛級(jí)擾動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)。

(4)FEEP 推進(jìn)劑的離子化和離子加速是在同一個(gè)電場(chǎng)中完成，大大提高了電能的利用率，電效率為88%～98%，這是其他推進(jìn)器無(wú)法達(dá)到的。

(5)FEEP的加速電壓相對(duì)較高，需要6～13 kV的加速電壓，高電壓會(huì)給微納衛(wèi)星的供電和絕緣防護(hù)帶來(lái)較大的壓力；此外，為保證FEEP推力器的推力精度和推力器性能的一致性，對(duì)于推力器結(jié)構(gòu)件的加工和裝配也有較高的要求。

3.2 離子液體電噴霧推力器

電噴霧推力器是以離子液體為工質(zhì)的電推進(jìn)技術(shù)。離子液體具備零飽和蒸汽壓、無(wú)毒、無(wú)污染等特性，是一種新型綠色材料，常用于電噴霧推力器的離子液體工質(zhì)包括EMI-BF4、EMI-IM等。和FEEP類似，電噴霧推力器可提供微牛至毫牛級(jí)推力和千秒級(jí)比沖。

3.2.1 電噴霧推力器工作原理

電噴霧推力器也是一種靜電式推力器，結(jié)構(gòu)與FEEP相近，一般主要由發(fā)射極、引出極、電源等組成。發(fā)射極和引出極間施加高壓電場(chǎng)，離子液體在外部壓力或毛細(xì)作用下輸運(yùn)到發(fā)射極尖端，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，尖端的離子液體中帶電粒子(純離子、帶電液滴)發(fā)射并加速噴出，產(chǎn)生推力。由于單個(gè)發(fā)射點(diǎn)產(chǎn)生的推力較小，實(shí)際中往往將發(fā)射極設(shè)計(jì)為陣列狀，讓多個(gè)發(fā)射點(diǎn)并行工作，從而獲得較大的推力調(diào)節(jié)范圍[29]。電噴霧推力器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理示意圖見(jiàn)圖17。

電噴霧推力器由于可以在交變偏壓下分步引出陰離子和陽(yáng)離子，陰離子和陽(yáng)離子在羽流區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自中和，故一般不配備中和器。

圖17 電噴霧推力器工作原理

根據(jù)離子液體供給方式的不同，可將電噴霧推力器分為表面潤(rùn)濕型、內(nèi)部供給型和多孔材料型三類，如圖18所示[30]。

表面潤(rùn)濕型推力器利用毛細(xì)效應(yīng)，液體被動(dòng)通過(guò)發(fā)射針的表面供給到尖端進(jìn)行工作。此種供給方式的可靠性很大程度上取決于發(fā)射針表面的潤(rùn)濕性，流量相對(duì)不足。所用方案一般為：利用MEMS制造技術(shù)在約1 cm2硅片表面沉積出數(shù)百個(gè)的微細(xì)發(fā)射針陣列。

圖18 電噴霧推力器工質(zhì)供給方式

內(nèi)部供給型推力器，即采用毛細(xì)管作為發(fā)射針，離子液體通過(guò)管內(nèi)直接輸運(yùn)到尖端，或采用壓力輸送，或利用毛細(xì)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式供給。此種供給方式流量過(guò)剩。為了避免溢流帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)純離子模式的工作，必須增大工質(zhì)在毛細(xì)管中的流阻。

多孔材料型電噴推力器采用微米量級(jí)孔徑的多孔材料進(jìn)行發(fā)射器的加工。離子液體借助毛細(xì)效應(yīng)通過(guò)貫通的微孔直接到達(dá)發(fā)射器表面的微小發(fā)射尖尖端。此種方案融合了前兩種方案的，有望實(shí)現(xiàn)可靠而合適的供給。

3.2.2 電噴霧推力器研究進(jìn)展

根據(jù)電噴霧推力器的分類，分別就表面潤(rùn)濕型、內(nèi)部供給型和多孔材料型三種電噴霧推力器，介紹其研究進(jìn)展。

(1)表面潤(rùn)濕型

日本橫濱國(guó)立大學(xué)(Yokohama National University)與京都大學(xué)(Kyoto University)聯(lián)合開(kāi)展表面潤(rùn)濕型電噴霧推力器研制與測(cè)試[31]，發(fā)現(xiàn)推力器發(fā)射電流小，且難以解決工質(zhì)持續(xù)供給的問(wèn)題。

麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)測(cè)試了表面潤(rùn)濕型電噴霧推力器的多種發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中研究較多的還是發(fā)射針陣列式[32]，在1 cm2、集成有1900個(gè)發(fā)射針的表面上，發(fā)射電流最高達(dá)1.35 mA，比沖3600 s。

(2)內(nèi)部供給型

內(nèi)部供給型的典型代表之一是美國(guó)Busek公司的BET-1推力器(圖19)，BET-1是2015年12月發(fā)射[33]的Lisa Pathfinder衛(wèi)星動(dòng)力裝置之一。BET-1推力器可在15 W功率下獲得70 μN(yùn)推力和400～1300 s的比沖性能。

此外，美國(guó)Yale大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(école Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL)和倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院也在開(kāi)展內(nèi)部供給型電噴霧推力器的研究[34-35]。

圖19 應(yīng)用于Lisa Pathfinder的BET-1

國(guó)內(nèi)清華大學(xué)的熊繼軍等[36]、北京航空航天大學(xué)秦超晉、湯海濱等[37]、北京理工大學(xué)(Beijing Institute of Technology，BIT)武志文、郭云濤等[38]近年也在開(kāi)展內(nèi)部供給型電噴霧推力器研制和測(cè)試工作，但工作多停留在機(jī)理性實(shí)驗(yàn)和原理樣機(jī)研制階段。

(3)多孔材料型

多孔材料型電噴霧推力器的研究工作起始于MIT。MIT經(jīng)過(guò)多孔鎢、多孔鎳的前期探索，最終采用多孔硼硅酸鹽作為目前推力器iEPS作為供給與發(fā)射針加工材料[39]。iEPS采用EMI-BF4為工質(zhì)時(shí)，發(fā)射電流可達(dá)320 μA，推力器可達(dá)22 μN(yùn)，比沖1000 s左右[40]。

美國(guó)Accion公司將MIT的多孔材料型離子液體電噴推力器工程化，形成TILE 50、TILE 500、TILE 5000和TILE 200K系列化產(chǎn)品。單模塊產(chǎn)品體積小于0.1 U，質(zhì)量?jī)H50 g，功耗1.5 W，能夠輸出最大50 μN(yùn)的推力和60 N·s的總沖，比沖約1250 s。2018年11月和12月，TILE 50電噴霧推力器[41]作為Irvine 01和Irvine 02衛(wèi)星的動(dòng)力裝置發(fā)射升空。iEPS和TILE推力器如圖20所示。

(a)iEPS thruster of MIT (b)TILE of Accion

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Courtney，Shea等[23]在以直徑為10 mm的多孔硼硅酸鹽圓片上，采用CNC方法銑削加工了多孔材料發(fā)射極，其研制的電噴霧推力器原理樣機(jī)采用EMI-BF4為工質(zhì)時(shí)，發(fā)射電流可達(dá)300 μA，推力30 μN(yùn)，比沖3260 s，效率65%。

南安普頓大學(xué)(University of Southampton，Southampton)Ma，Ryan等同樣使用CNC方法加工制造了低成本的多孔型離子液體電噴霧推力器，有25針和100針兩款推力器樣機(jī)PET-25和PET-100，發(fā)射極針尖尺寸約40 μm，推力器尺寸4 cm×4 cm×3 cm，發(fā)射電流最大可達(dá)2 mA 以上。性能測(cè)試表明推力器比沖可達(dá)7000 s，實(shí)現(xiàn)純離子發(fā)射。PET-25和PET-100的最大推力為166 μN(yùn)和223 μN(yùn)[42-43]。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和南安普敦大學(xué)的推力器如圖21所示。

(a)EPFL (b)Southampton

國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、上?？臻g推進(jìn)研究所、北京機(jī)械設(shè)備研究所(Beijing Institute of Mechanical Equipment，BIME)等單位均在開(kāi)展多孔材料型電噴霧推力器的研究。

西北工業(yè)大學(xué)陳茂林、陳沖等[44-45]采用了多孔玻璃和多孔陶瓷作發(fā)射極開(kāi)展電噴霧推力器研制，樣機(jī)尺寸為3 cm×3 cm×2.7 cm，如圖22所示。在2.3～3.0 kV引出電壓下，實(shí)現(xiàn)3000～4000 s比沖和1～10 μN(yùn)的推力性能。

北京理工大學(xué)的武志文、郭云濤等研制的多孔材料電噴推力器(圖23)采用多孔陶瓷作為發(fā)射極材料，樣機(jī)尺寸為5 cm×5 cm×1 cm，含推進(jìn)劑質(zhì)量小于25 g。在±2.0～±3.5 kV的引出電壓下，實(shí)現(xiàn)1～110 μN(yùn)的推力和771～2336 s的比沖性能，效率為20%～54%[38]。

圖22 西北工業(yè)大學(xué)的電噴霧推力器

圖23 北京理工大學(xué)的電噴推力器

上海交通大學(xué)聯(lián)合上?？臻g推進(jìn)研究所劉欣宇、康小明等[46-48]，采用多孔不銹鋼作為發(fā)射極，使用電火花線切割與電化學(xué)拋光相結(jié)合的方法加工成刀刃型，發(fā)射極尖端半徑為6～10 μm，安裝完成后的推力器尺寸為3 cm×3 cm×1.75 cm，質(zhì)量小于25 g，如圖24所示。在1.2～3.0 kV引出電壓工況下，功率2.4 W，比沖約1780 s，推力最大為77 μN(yùn)。

北京機(jī)械裝備研究所高輝等使用MEMS技術(shù)完成發(fā)射極及其他單元的加工，裝配的推力器尺寸約2 cm×2 cm×1.5 cm，研制的原理樣機(jī)(圖25)使用EMI-Im為推進(jìn)劑，基本性能范圍為比沖1450～1800 s，推力10～100 μN(yùn)[49]。并在此研究基礎(chǔ)上，完成推力器工程樣機(jī)研制，于2019年1月搭載TY-11試驗(yàn)衛(wèi)星成功入軌，完成多次在軌點(diǎn)火試驗(yàn)[50]。

圖24 上海交通大學(xué)的電噴推力器

圖25 北京機(jī)械設(shè)備研究所的電噴推力器

總結(jié)典型的多孔材料型電噴霧推力器性能如表3所示。

表3 典型多孔材料型電噴霧推力器性能參數(shù)

此外，北京控制工程研究所[51]、蘭州空間技術(shù)物理研究所[52]等單位也開(kāi)展了多孔材料型電噴霧推力器相關(guān)技術(shù)研究。

3.2.3 電噴霧推力器技術(shù)特色

(1)和FEEP一樣，電噴霧推進(jìn)器沒(méi)有氣瓶、閥門、氣路系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕。

(2)電噴霧推力器羽流成分復(fù)雜，包含純離子和帶電液滴等組分，導(dǎo)致其比沖低于FEEP，但也可達(dá)到1000～2000 s，不低于氣體工質(zhì)的微型電推力器。

(3)現(xiàn)有電噴霧推進(jìn)器的推力多為微牛量級(jí)，通過(guò)多個(gè)推力模塊并聯(lián)工作可實(shí)現(xiàn)毫牛級(jí)推力。

(4)電噴霧推力器由于羽流成分的復(fù)雜性，其電源效率低于FEEP，約為70%～90%，但高于氣體工質(zhì)的微型電推力器。

(5)由于離子液體表面張力遠(yuǎn)低于液態(tài)金屬，將離子從液體表面引出的電場(chǎng)強(qiáng)度也低于FEEP，故僅需2～3 kV的電壓即可，既電噴推力器加速電壓遠(yuǎn)低于FEEP，不給微納衛(wèi)星的供電和絕緣防護(hù)帶來(lái)較大的壓力。

(6)電噴推力器采用多錐或多棱發(fā)射體結(jié)構(gòu)，錐和棱的加工精度對(duì)推力器的可靠工作影響明顯。

(7)電噴推力器的主流發(fā)展方向是被動(dòng)式供液，工質(zhì)流量供給受加速電壓、工質(zhì)內(nèi)壓以及多孔材料流阻等多重因素影響，可靠的流量控制是保障電噴推力器推力精度和推力器性能一致性的關(guān)鍵。

4 基于固體燒蝕的微型電推進(jìn)技術(shù)

采用固體作為電推力器的工質(zhì)，是解決氣體工質(zhì)高壓氣瓶和管路、閥門等儲(chǔ)供系統(tǒng)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和系統(tǒng)可靠性問(wèn)題的另一種技術(shù)途徑。近年研究比較多的固體工質(zhì)微型電推進(jìn)裝置包括脈沖等離子體推力器和真空電弧推力器。

4.1 脈沖等離子體推力器

脈沖等離子體推力器(PPT)，是一種脈沖式工作的電推力器，主要以特氟龍等固體材料作為推進(jìn)工質(zhì)。除固體工質(zhì)外，也有部分PPT采用液體或氣體作為推進(jìn)工質(zhì)，以期提高PPT的效率。

4.1.1 PPT工作原理

PPT結(jié)構(gòu)上主要由一對(duì)與電容器相連接的極板、火花塞、工質(zhì)和外部電源等組成，其中電極板構(gòu)型包括平行極板型、同軸極板型、Z箍縮型和反向箍縮型等形式，圖26為平行極板型PPT的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖[53]。PPT的基本工作過(guò)程為：火花塞點(diǎn)火使暴露在兩電極之間的推進(jìn)劑表面誘導(dǎo)出高溫放電電弧，使推進(jìn)劑蒸發(fā)和電離，形成等離子體；然后等離子體在洛倫茲力和氣動(dòng)力的共同作用下加速噴出，從而產(chǎn)生推力。

圖26 PPT工作原理圖

4.1.2 PPT研究進(jìn)展

PPT的研究最早起源于前蘇聯(lián)，1964年，前蘇聯(lián)便將PPT成功應(yīng)用于Zond-2衛(wèi)星。隨后，前蘇聯(lián)/俄羅斯和美國(guó)進(jìn)行了多次PPT的空間飛行驗(yàn)證和應(yīng)用，中國(guó)、日本、韓國(guó)、英國(guó)也均有PPT產(chǎn)品進(jìn)入空間。搭載PPT產(chǎn)品的衛(wèi)星[53-54]包括LES-6(美國(guó))、SMS(美國(guó))、TIP-2/3(美國(guó))、LES-8/9(美國(guó))、EST-IV(日本)、MDT-2A(中國(guó))、NOVE-1/2/3(美國(guó))、EO-1美國(guó))、COMPASS(俄羅斯)、STSAT-2(韓國(guó))、COMPASS-2(俄羅斯)、FalsonSAT-3(美國(guó))、STRaND-1(英國(guó))。

早期的PPT的應(yīng)用目標(biāo)主要是常規(guī)衛(wèi)星的姿態(tài)控制等任務(wù)，隨著微納衛(wèi)星的興起，PPT的研究與應(yīng)用目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向微納衛(wèi)星的精確定位、軌道機(jī)動(dòng)、軌道和姿態(tài)控制等。

2007 年，Busek公司的MPACS微型PPT推進(jìn)系統(tǒng)(圖27)在FalconSat-3衛(wèi)星上進(jìn)行在軌驗(yàn)證[55]，該推進(jìn)系統(tǒng)采用三電極同軸式設(shè)計(jì)，用于50 kg衛(wèi)星的三軸姿態(tài)控制，元沖量80 μN(yùn)·s，比沖827 s。

圖27 Busek的MPACS及3個(gè)矢量方向放電照片

2012年，日本大阪工業(yè)大學(xué)(Osaka Institute of Technology，OIT)研制的MDR-PPT推力器(圖28)在14.5 kg中的PROITERS衛(wèi)星上使用，該推力器元沖量1.44～2.47 mN·s，比沖341～590 s，效率12.2%～14.5%[56]。

圖28 大阪工業(yè)大學(xué)的MDR-PPT

2016年，南洋理工大學(xué)(Nanyang Technological University，NTU)在 AOBA-VELOX 3 2U立方星上使用了微型平板式PPT推力器dPPT(圖29)，用于軌道維持，將立方星壽命從3個(gè)月提升至6個(gè)月，dPPT推力器功率2.25 W，元沖量22.4 μN(yùn)·s，比沖525 s，總沖51.50 N·s[57]。

圖29 南洋理工大學(xué)的dPPT

2017年6月，作為QB50項(xiàng)目之一，奧地利 Austrian Academic的2U立方星Pegasus(圖30)發(fā)射，使用4噴頭的微型同軸式PPT，為衛(wèi)星提供了6 m/s的速度增量。每個(gè)PPT可產(chǎn)生2.2 μN(yùn)的推力，比沖600 s，總沖5.7 N·s[58]。

圖30 Pegasus衛(wèi)星及其使用的PPT推力器

此外，巴西[59-60]、阿根廷[61-62]、意大利[63]、印度[64]、伊朗[65]等國(guó)也在積極進(jìn)行 PPT 的相關(guān)研制。

我國(guó)的PPT研究始于1970年，中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心針對(duì)我國(guó)同步衛(wèi)星位置保持的需要開(kāi)始對(duì)PPT進(jìn)行研制，于 70 年代末研制出了代號(hào)為MDT-2A的樣機(jī)。1981年2月7日，2臺(tái)MDT-2A進(jìn)行了高彈道空間飛行試驗(yàn)，取得成功[66]。近年來(lái)，在中國(guó)科學(xué)院的支持下，CSSAR以小衛(wèi)星星座對(duì)動(dòng)力的需求為目標(biāo)，繼續(xù)開(kāi)展PPT的研究與開(kāi)發(fā)[67-68]。

近年來(lái)，蘭州空間技術(shù)物理所、國(guó)防科技大學(xué)、北京理工大學(xué)開(kāi)展了大量的PPT樣機(jī)研制和應(yīng)用研究。

蘭州空間技術(shù)物理所于2016年開(kāi)始為12U 的立方星研制電推進(jìn)系統(tǒng)——LPPT-5(圖31)，LPPT-5占用4U的空間，比沖600 s，元沖量為40 μN(yùn)·s[69]。

國(guó)防科技大學(xué)(National University of Defense Technology，NUDT)于2003年開(kāi)始PPT研究[70-75]，其研制的PPT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)(圖32)，在1500 V電壓下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得了366 μN(yùn)·s的元沖量、1515 s的比沖和5.9%的總效率[71]。

圖31 蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LPPT-5

圖32 國(guó)防科技大學(xué)的PPT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

北京理工大學(xué)研制的PPT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)(圖33)，在1500 V電壓下，測(cè)得了47～216 μN(yùn)的推力，以及57.44 μN(yùn)·s的元沖量[76]。

圖33 北京理工大學(xué)的PPT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

除此之外，北京航空航天大學(xué)[77-78]、上海交通大學(xué)[79]、南京理工大學(xué)[80-81]、上海理工大學(xué)[82-83]、北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所[84-85]、上海航天控制技術(shù)研究所[86]等多家單位也開(kāi)展了PPT的相關(guān)研究工作。

4.1.3 PPT技術(shù)特點(diǎn)

(1)采用無(wú)毒的固體工質(zhì)，相比于氣體工質(zhì)和液體工質(zhì)的微型電推力器，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、可靠性更高。

(2)火花塞擊穿電壓在數(shù)百伏至兩千伏，與靜電式電推力器加速電壓相當(dāng)。

(3)脈沖式工作，平均功耗小，且可產(chǎn)生亞微牛秒級(jí)元沖量，有利于衛(wèi)星的高精度姿軌控。

(4)加工、制造、裝配精度要求低于靜電式電推力器。

(5)比沖在300～1000 s，低于靜電式電推力器，但高于微冷氣和微化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。

(6)效率相對(duì)較低，一般低于10%。

4.2 真空電弧推力器

真空電弧推力器(VAT)，是一種以固態(tài)金屬為工質(zhì)的電推進(jìn)技術(shù)，常見(jiàn)工質(zhì)包括鈦(Ti)、鉻(Cr)、鎢(W)等，可提供微牛級(jí)推力和千秒級(jí)比沖性能。其中，微陰極電弧推力器(Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT)被認(rèn)為是真空電弧推力器的一種，由于外加磁場(chǎng)的存在，往往能夠獲得更優(yōu)的性能參數(shù)。

4.2.1 VAT工作原理

VAT是一種電磁式推進(jìn)裝置。典型的環(huán)型真空電弧推力器如圖34所示[87]，主要包括陽(yáng)極、陰極、電極間的陶瓷絕緣層等。其工作原理如下：電源電感儲(chǔ)能觸發(fā)放電后，在陰陽(yáng)極之間產(chǎn)生微小尺寸電弧，該電弧燒蝕陰極材料，產(chǎn)生等離子體，在電場(chǎng)力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道加速噴出產(chǎn)生推力。

圖34 VAT工作原理圖

4.2.2 VAT研究進(jìn)展

國(guó)外微牛級(jí)VAT的主要研究國(guó)家有美國(guó)、德國(guó)、日本等，目前研究仍以基礎(chǔ)理論及相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)為主。

美國(guó)是最早開(kāi)展VAT基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用的國(guó)家，也是VAT研究機(jī)構(gòu)最多的國(guó)家，其中突出代表為阿拉米達(dá)科學(xué)應(yīng)用公司(AASC)和喬治華盛頓大學(xué)(George Washington University，GWU)。

AASC公司2003年開(kāi)始研制應(yīng)用于伊利諾斯大學(xué)2U衛(wèi)星ION的真空電弧推力器，衛(wèi)星于2006年7月26日發(fā)射，但由于電推進(jìn)系統(tǒng)未能工作發(fā)射失敗[88-90]。GWU在VAT 基礎(chǔ)和工程應(yīng)用研究方面實(shí)力雄厚，產(chǎn)品包括環(huán)形電極、同軸電極、陣列電極等多種型號(hào)的VAT[91-92]，其最新代表性產(chǎn)品為采用同軸型Ti 陰極的μCAT，元沖量1 μN(yùn)·s，頻率1～50 Hz，平均推力1～50 μN(yùn)[93]，比沖2000～3000 s，效率15%，質(zhì)量200 g，應(yīng)用平臺(tái)為PHONESAT(2013年4月首發(fā))、 BRICsat-P(2015年5月首發(fā))、及CANYVAL-X衛(wèi)星(2018年1月)。μCAT及其應(yīng)用的衛(wèi)星平臺(tái)如圖35所示。

(a)μCAT (b)CANYVAL-X

(c)PHONESAT (d)BEICSAT-P

德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)(Universit?t der Bundeswehr München，Uni Bw M)和研制了同軸型 Ti 陰極VAT(圖36)[94]，元沖量為 1～30 μN(yùn)·s，推力為2 μN(yùn)，1 Hz 放電頻率下的壽命為1000 000萬(wàn)次，2014年，推力器作為維爾茨堡大學(xué)1U的UWE-4術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星的動(dòng)力裝置，為衛(wèi)星編隊(duì)飛行提供推力[95]。

圖36 Uni Bw M的VAT

日本的九州工業(yè)大學(xué)(Kyushu Institute of Technology，KIT)[96]研制了以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)為陰極的同軸型VAT(圖37)，元沖量為1～3 μN(yùn)·s，推力為1.6 nN，該產(chǎn)品于 2016 年搭載日本隼鳥(niǎo)-4(Horyu-4)技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星進(jìn)行空間飛行驗(yàn)證。

國(guó)內(nèi)VAT主要研究單位有北京控制工程研究所[97-101]、大連理工大學(xué)[100]、北京理工大學(xué)[102]、上?？臻g推進(jìn)研究所[103]、上海交通大學(xué)[103]、北京航空航天大學(xué)[99]、蘭州空間技術(shù)物理研究所[104-106]、西安推進(jìn)技術(shù)研究所[107]等。蘭州空間技術(shù)物理研究所主要開(kāi)展同軸型VAT研制，包括LVAT-1和LVAT-2兩款產(chǎn)品(圖38)。LVAT-1地面測(cè)試性能如下：元沖量1 μN(yùn)·s，比沖1000 s，效率12%；2019年12月LVAT-1搭載天琴一號(hào)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射，并于2020年逐步完成在軌驗(yàn)證。西安推進(jìn)技術(shù)研究所主要進(jìn)行μCAT研制(圖39)，其產(chǎn)品于2019年完成搭載飛行驗(yàn)證，地面測(cè)試性能如下：功率小于8 W，推力10～20 μN(yùn)，比沖大于2000 s，系統(tǒng)總質(zhì)量400 g。目前，其他單位產(chǎn)品均處于樣機(jī)研制階段。

圖37 KIT的VAT推力器

(a)LVAT-1 (b)LVAT-2

圖39 西安推進(jìn)技術(shù)研究所的μCAT

4.2.3 VAT技術(shù)特點(diǎn)

(1)和PPT一樣，VAT采用固體工質(zhì)，相比于氣體工質(zhì)和液體工質(zhì)的微型電推力器，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、可靠性更高。

(2)脈沖觸發(fā)電壓100～300 V，工作時(shí)電弧放電電壓20～30 V，電壓值遠(yuǎn)低于靜電式電推力器。

(3)脈沖式工作，平均功耗小，且可產(chǎn)生亞微牛秒級(jí)元沖量，有利于衛(wèi)星的高精度姿軌控。

(4)加工、制造、裝配精度要求低于靜電式電推力器。

(5)根據(jù)工質(zhì)的不同，比沖可達(dá)1000～5000 s，優(yōu)于采用特氟龍作為推進(jìn)工質(zhì)的PPT，效率也略高于PPT，一般大于10%。

(6)理論壽命較長(zhǎng)，但需要陰極均勻燒蝕技術(shù)的支撐。

5 微型電推力器特性和適用性分析

進(jìn)一步分析氣體電離、液體電噴霧和固體燒蝕是這三種典型的工質(zhì)電離模式對(duì)微型電推力器特性和應(yīng)用的影響。

采用氣體工質(zhì)電離的微型電推進(jìn)技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是技術(shù)，基礎(chǔ)積累雄厚，已有成熟的工質(zhì)供給、放電和加速技術(shù),多數(shù)可以直接應(yīng)用，在降低研發(fā)難度的同時(shí)，也保證了類似于常規(guī)離子推力器和霍爾推力器的長(zhǎng)壽命特性；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在低功率工況下，工質(zhì)利用率下降，推力器整體效率會(huì)大幅降低。目前，微型離子推力器和低功率霍爾推力器均有部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了飛行驗(yàn)證或空間應(yīng)用。微型離子推力器可在瓦級(jí)功率工作為微納衛(wèi)星提供微牛級(jí)推力，但效率較低；低功率霍爾推力器可在百瓦左右工作并提供毫牛級(jí)推力。綜上，對(duì)于氣體工質(zhì)微型電推力器，建議應(yīng)用于百公斤級(jí)別的微衛(wèi)星。

采用液體電噴霧模式的微型電推進(jìn)技術(shù)，由于沒(méi)有高壓存儲(chǔ)和供給裝置，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度大幅降低，其主要采用靜電加速的連續(xù)工作模式，效率高。但由于液體電噴霧的工作模式，為保證推力器性能一致性，需要高精度加工技術(shù)支持，此外，液體電噴霧模式電推力器還沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的在軌驗(yàn)證，其長(zhǎng)壽命性能仍有待考核。 FEEP和離子液體電噴霧推力器均能在瓦級(jí)功率下工作，可為微納衛(wèi)星提供微牛級(jí)推力，也可通過(guò)陣列式工作提供毫牛級(jí)推力，故可應(yīng)用于十公斤以下的納衛(wèi)星和百公斤量級(jí)的微衛(wèi)星。目前，兩種推力器均有部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)飛行驗(yàn)證，但大部分仍處于研發(fā)階段；其中，離子液體電噴霧推力器因引出電壓需求低于FEEP，對(duì)衛(wèi)星供電壓力相對(duì)較小，相比于FEEP更受研究人員關(guān)注。

采用固體燒蝕模式的微型電推進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了儲(chǔ)供系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單；其主要采用脈沖工作模式，可實(shí)現(xiàn)極小的元沖量。但脈沖式工作也帶來(lái)了效率低的問(wèn)題。PPT和VAT兩種推力器均能為微納衛(wèi)星提供微牛秒級(jí)元沖量，也可通過(guò)增大燒蝕截面面積、多個(gè)推力器并聯(lián)使用的方式實(shí)現(xiàn)毫牛級(jí)推力，故其也可以應(yīng)用于十公斤以下的納衛(wèi)星和百公斤量級(jí)的微衛(wèi)星。PPT已有多次成功應(yīng)用，VAT有部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了飛行驗(yàn)證或空間應(yīng)用，但大部分仍處于研發(fā)階段；由于VAT中采用金屬工質(zhì)，其電離率更高，相比于PPT，其可獲得更優(yōu)的比沖性能和效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)離子推力器和霍爾推力器微型化是微型電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展方向之一，其優(yōu)勢(shì)是基礎(chǔ)雄厚，研發(fā)難度低；缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、降質(zhì)量難度大，且微型化后效率降低；建議應(yīng)用于百公斤級(jí)微衛(wèi)星。

(2)液體工質(zhì)和固體工質(zhì)電推力器由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅減小，是目前微型電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的主流方向。

(3)FEEP和離子液體電噴霧推進(jìn)是液體工質(zhì)微型電推進(jìn)技術(shù)的典型代表，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，納衛(wèi)星和微衛(wèi)星均可應(yīng)用；缺點(diǎn)是發(fā)展時(shí)間短，性能一致性和長(zhǎng)壽命特性有待驗(yàn)證。

(4)VAT和PPT等固體工質(zhì)微型電推力器主要采用脈沖點(diǎn)火方式實(shí)現(xiàn)工質(zhì)燒蝕電離，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，推力大小可通過(guò)燒蝕截面面積和并聯(lián)工作模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用于納衛(wèi)星和微衛(wèi)星應(yīng)用；其脈沖工作模式實(shí)現(xiàn)極小元沖量的同時(shí)，會(huì)帶來(lái)效率低的缺點(diǎn)。