杭觀榮，李 林，郭曼麗，康小明，劉欣宇

（1.上?？臻g推進研究所·上海·201112；2.上海空間發(fā)動機工程技術(shù)研究中心·上?！?01112；3.上海交通大學 機械與動力工程學院·上?！?00240）

0 引 言

電噴推進是一種利用強電場使導電液體表面產(chǎn)生帶電粒子，并使其加速噴出產(chǎn)生推力的靜電推進技術(shù)。電噴推進屬微小功率電推進技術(shù)，功率范圍在1～100W左右，具有高比沖、高效率、快啟動、高集成度等特點，非常適用于微納衛(wèi)星的軌道轉(zhuǎn)移、位置保持任務(wù)以及引力波探測器等較大型航天器的高精度姿態(tài)控制、無拖曳控制等任務(wù)。國外電噴技術(shù)在經(jīng)歷了曲折的發(fā)展歷程后，從20世紀90年代開始，在微制造、新材料、離子液體、高性能電源等技術(shù)大幅進步的推動下，取得了巨大進展，目前已經(jīng)達到空間應(yīng)用水平。

本文將對電噴推進的原理和特點、國外發(fā)展歷程、最新研究進展、發(fā)展趨勢等進行綜合分析，并對我國電噴推進的發(fā)展提出建議。

1 電噴推進工作原理與特點

圖1 電噴推進工作原理Fig.1 Working principle of electrospray propulsion

電噴推進的工作原理如圖1所示，位于發(fā)射體尖端的推進劑在強電場作用下形成泰勒錐，并使泰勒錐噴出帶電粒子，粒子通過靜電場加速后高速噴出產(chǎn)生推力。中和器用于中和噴出粒子，使推力器呈電中性。這些帶電粒子可以為帶正電或負電的小液滴或離子，具體形態(tài)與電場強度和推進劑流量等相關(guān)。當電場強度較低時，電噴推力器羽流以帶電液滴為主，比沖較低，約300～2000s；當電場強度較高時，電噴推力器羽流以離子為主，比沖較高，約1000～4000s。

電噴推力器的發(fā)射體是提升局部電場強度、產(chǎn)生帶電粒子的重要部件。國外根據(jù)推進劑輸運方式的不同，形成了四類發(fā)射體（示意圖見圖2），包括外潤濕型發(fā)射體、多孔材料發(fā)射體、毛細管發(fā)射體和流體成型發(fā)射體[1]。

圖2 四類發(fā)射體示意圖Fig.2 Four kinds of emitters

廣義上講，電噴推進可分為三大類：采用有機導電溶液推進劑的膠體電噴推進（Colloid Propulsion），采用離子液體推進劑的離子液體電噴推進（Ionic Liquid Electrospray Propulsion），以及利用金屬推進劑的場發(fā)射電推進（Field Emission Electric Propulsion，F(xiàn)EEP）[2]。本文關(guān)注前兩種電噴推進技術(shù)。

膠體電噴推進的優(yōu)勢在于可發(fā)射質(zhì)量較大的以帶電液滴為主的帶電粒子，有利于實現(xiàn)高的推力密度，但由于帶電液滴荷質(zhì)比較低，導致比沖較低，一般在300～2000s，且10kV以上的高工作電壓限制了其使用[3]。膠體電噴推進是在20世紀90年代之前主要發(fā)展的電噴推進技術(shù)，基本達到工程樣機階段，并開展了4350h的壽命試驗研究[4]。

離子液體電噴推進的優(yōu)勢在于可發(fā)射荷質(zhì)比較高的以離子為主的帶電粒子，有利于在1～10kV的較低電壓下實現(xiàn)1000～4000s的較高比沖，推力功率比與離子電推進相似[5]，但推力密度較低。例如美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的離子電噴推進系統(tǒng)（ion Electrospray Propulsion System，iEPS）系列電噴推力器的推力密度約為0.07～0.15N/m2[6]，較目前常用的離子推力器和霍爾推力器等電推力器低1～2個數(shù)量級。離子液體電噴推進是20世紀90年代以來主要發(fā)展的電噴推進技術(shù)，實現(xiàn)了在微納衛(wèi)星上的飛行驗證[7]和引力波探測器上的成功應(yīng)用[8]。

電噴推進具有如下優(yōu)點：1）功率擴展性強，推力器單機功率范圍可覆蓋1～100W，國外形成了功率1～5W的電噴推力器飛行樣機，并正在研制功率200W、推力20mN的大推力電噴推力器，以滿足中小型衛(wèi)星的需求；2）推力在μN至mN量級，可穩(wěn)態(tài)和脈沖工作，易于模塊化設(shè)計，且調(diào)節(jié)范圍寬；3）比沖高，可達300～4000s；4）效率高，可達20%～90%；5）啟動時間快，響應(yīng)快，無需像傳統(tǒng)霍爾、離子電推進那樣啟動時需要對陰極進行數(shù)分鐘的預(yù)熱，有利于提高電推進系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能；6）采用無毒推進劑，綠色環(huán)保；7）結(jié)構(gòu)小巧緊湊，推力器為扁平狀，貯箱與推力器可一體化，且不需要傳統(tǒng)推進系統(tǒng)中必需的閥門等動作部件以及壓力傳感器等部件。

電噴推進的主要缺點：1）工作電壓較高（約1～10kV甚至更高），高的升壓比限制了電源轉(zhuǎn)換效率，同時還要充分考慮絕緣措施；2）推力密度較低，導致同等推力下推力器尺寸較大。

2 國外發(fā)展歷程

國外電噴推進發(fā)展以美、歐為代表，主要歷程如下。

（1）20世紀20～60年代初：概念形成階段

1915年，美國耶魯大學J.Zeleny發(fā)現(xiàn)，在特定電場中的液體，其表面將出現(xiàn)多個圓錐頂液柱，液柱頂部形成帶電液滴并且噴射出來[9-10]。1960年，美國V. E. Krohn首次提出將這一現(xiàn)象用于推進，形成電噴推進概念[11]。

（2）20世紀60年代初～70年代：技術(shù)攻關(guān)階段

在20世紀60～70年代，以研制高性能的空間電推進技術(shù)為目標，美國湯普森-拉莫-伍爾德里奇（TRW）公司在美國空軍支持下，開展膠體電噴推進關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研制滿足飛行要求的、以碘化鈉甘油溶液為推進劑的電噴推進系統(tǒng)，功率小于70W，推力4.45mN，比沖1350s，系統(tǒng)質(zhì)量22.68kg，其中包括11.34kg推進劑[12-13]。推進劑為添加了碘化鈉的甘油溶液，每10mL溶液中添加3g碘化鈉溶質(zhì)。電噴推力器模塊由12個子模塊構(gòu)成（圖3），共有432個發(fā)射針，每個子模塊有36個發(fā)射針。試驗樣機模塊進行了1000h壽命試驗，其中一個推力器子模塊進行了4350h壽命試驗，壽命初始階段推力364.9μN，比沖1450s，試驗?zāi)┢谕屏?98.2μN，比沖1230s。這一階段，膠體電噴推進的研究目標是與離子電推進競爭。

圖3 美國TRW公司研制的12個子模塊（左）組成的電噴推力器（右）Fig.3 Electrospray thruster （right） composed of 12 sub-modules （left） developed by TRW Inc. of the United States

（3）20世紀70～80年代：發(fā)展停滯階段

由于電噴工作電壓很高（kV至萬V量級），無法與同等性能下電壓更低（～1000V）的離子推力器競爭；以及美國阿波羅空間計劃終止，導致投資減少；且電噴推進機理復雜，有待進一步深入研究[14]。20世紀70年代之后，電噴推力器研究進入發(fā)展停滯階段。

（4）20世紀90年代至今：發(fā)展應(yīng)用階段

進入20世紀90年代，隨著衛(wèi)星小型化對μN級高性能動力的需求增長，微制造、高性能電源和離子液體等技術(shù)的顯著進步以及質(zhì)譜技術(shù)等的推動[15]，電噴推進獲得新生。美國、英國和瑞士等國研制了功率只有數(shù)瓦、工作電壓顯著降低的微型電噴推力器及其推進系統(tǒng)[16-20]。2015年，MIT研制的電噴推力器芯片在Aerocube 8立方星上實現(xiàn)了首次空間飛行。之后，電噴推進因其推力在μN量級，且寬范圍快速可調(diào)，成功應(yīng)用于引力波探測衛(wèi)星LISA Pathfinder上，執(zhí)行無拖曳任務(wù)。美國在2012年制定的2030空間推進發(fā)展路線圖中，明確指出要發(fā)展針對微小衛(wèi)星的10W和100W功率量級的電噴推進[21]。

3 最新研究進展

目前,國外電噴推進研究以美國和歐洲為主，其中美國已經(jīng)達到了空間應(yīng)用水平，歐洲尚處于研究為主的階段。具體如下。

3.1 美國

美國電噴推進經(jīng)歷了充分的競爭和發(fā)展，最初耶魯大學和TRW公司等開展了大量研究，近年來MIT、Busek公司、密蘇里科技大學和密歇根理工大學等針對不同需求，開展不同技術(shù)方向的研究，同時TDA研究公司（TDA Research, Inc.）和科羅拉多大學[22]等也在開展研究。

3.1.1 MIT主攻高比沖和批產(chǎn)化

MIT針對電噴推進的高比沖和批產(chǎn)化需求，主要發(fā)展基于微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術(shù)的芯片狀離子液體電噴推進技術(shù)，其顯著特點是采用多孔材料發(fā)射針陣列發(fā)射體，可在較低電壓下實現(xiàn)較高的比沖，貯箱與推力器實現(xiàn)模塊化，推進劑通過毛細作用供應(yīng)，可批量制造。

20多年來，MIT在P.C. Lozano教授的帶領(lǐng)下，詳細全面地開展了離子發(fā)射機理和特性、發(fā)射針陣列多孔材料及其制備、不同離子液體推進劑及其混合物、推力器結(jié)構(gòu)和制備技術(shù)、電噴推進測試技術(shù)等研究；從2012年起，開展了三代iEPS系列電噴推力器芯片[23-26]研制（圖4）。

（a） iEPS V1樣機

（b） iEPS V2方案圖

（c） iEPS V3框架、發(fā)射體、柵極圖4 3代iEPS電噴推力器芯片F(xiàn)ig.4 3 generations of iEPS electrospray thruster chips

MIT在美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）游戲改變開發(fā)計劃（Game Changing Development Program）的支持下，基于iEPS推力器，研制了0.2U電噴推進系統(tǒng)模塊（圖5）。該系統(tǒng)由8臺推力器和電源處理單元（Power Processing Unit, PPU）等組成，推力74μN，比沖超過1150s，系統(tǒng)功率1.5～2W，質(zhì)量小于100g[27]。

圖5 0.2U電噴推進系統(tǒng)模塊Fig.5 0.2U module of electrospray propulsion system

2015年，電噴推力器芯片在Aerocube 8立方星上實現(xiàn)了首次空間飛行。截至2020年，第三代iEPS推力器尚在研制過程中，其研制重點是防止離子液體對發(fā)射體的過早潤濕，以及通過增加電潤濕閥實現(xiàn)對推進劑流量的調(diào)節(jié)。

近年來，MIT主要開展提升推力密度以及改進推力器結(jié)構(gòu)以提高可靠性的研究工作。推力密度提升可從兩方面開展，一是提升單位面積的發(fā)射體數(shù)量，二是提高離子的噴出量和噴出速度（或比沖）。由于制備工藝的限制，單位面積的發(fā)射體數(shù)量難以大幅提升，MIT主要針對后者開展研究。離子的噴出量和噴出速度直接體現(xiàn)在發(fā)射電流上，發(fā)射電流I可由式（1）獲得

（1）

式中，K為推進劑電導率；γ為表面張力系數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；ε為推進劑介電常數(shù)；E*為發(fā)射電流的臨界電場強度。

可見，發(fā)射電流近似與推進劑的電導率、表面張力的平方成正比[28-29]。由于改變表面張力系數(shù)不利于推進劑的毛細輸運，改變電導率是提高發(fā)射電流最為直接的方法。因此，MIT開展了通過提高推進劑電導率，以提高推力密度和比沖的技術(shù)研究。直接研究一種新型離子液體推進劑難度較大，MIT首先考慮在常用推進劑中加入常規(guī)膠體電噴推進的方法，即在有機液體中添加溶質(zhì)以改變電導率。在EMI-BF4離子液體推進劑中添加用于改變電導率及降低離子質(zhì)量的鋰鹽LiBF4，發(fā)現(xiàn)混合溶液的表面張力系數(shù)隨濃度增加而減小，電導率隨濃度增加先減小再增大，在15%質(zhì)量比時達到最大后又開始減小。雖然通過飛行時間法測得，當濃度為27%質(zhì)量比時，推力器效率提升約2%，比沖提升約27%，但沒有達到提高推力密度的目標，因此需要進一步尋找合適的推進劑。MIT針對目前常用的EMI-Im和EMI-BF4離子液體的電導率約為1S/m的問題，探索采用電導率達到10S/m的1-乙基-3甲基咪唑氟氫酸鹽（EMI-（HF）2.3F）和13.1S/m的三甲基磺酸氟氫銨（S111-（HF）1.9F）作為推進劑，但發(fā)現(xiàn)在真空中這兩種推進劑容易結(jié)晶而無法使用，因此以電導率為1.46S/m（25℃）的1-乙基-3-甲基甲咪唑三氟（三氟甲基）硼酸鹽（EMI-CF3BF3）作為溶劑，添加上述兩種離子液體形成溶液。研究表明，25%S111-（HF）1.9F的溶液，在700～2000V電壓時，比沖提升了約1200～2000s（圖6）。雖然相對于純的EMI-CF3BF3，25%S111-（HF）1.9F的溶液密度有所降低，但總的來說，相同電壓下，25%S111-（HF）1.9F的溶液推力密度還是得到了提升。

圖6 采用三種不同配方的推進劑時比沖隨電壓的變化情況Fig.6 The variation of specific impulse with voltage when using three different propellant formulations

此外，MIT的Velásquez-García充分利用3D技術(shù)和納米技術(shù)的進步，開展了3D打印電噴推力器發(fā)射體（圖7）和柵極研究，利用水熱生長法在3D打印發(fā)射體上生長氧化鋅納米管實現(xiàn)推進劑輸運，從而改善離子發(fā)射[30-32]。項目組開展了耐溫性較好的結(jié)合劑黏接3D打印316L不銹鋼發(fā)射體和成本較低的數(shù)字光投影3D打印聚合物發(fā)射體制備。氧化鋅納米管直徑約150nm。試驗表明，采用1、7、19個發(fā)射針聚合物發(fā)射體的電噴推力器的起始工作電壓約4000V。本研究的亮點是在發(fā)射體上生長了碳納米管，項目組通過質(zhì)譜法測試，證明實現(xiàn)了全離子發(fā)射狀態(tài)，推測與納米管有關(guān)，但尚不清楚具體原因。

（a）3D打印不銹鋼發(fā)射體; （b）不銹鋼發(fā)射針;（c）生長了氧化鋅納米管的不銹鋼發(fā)射針頭部;（d）不銹鋼發(fā)射針頭部的氧化鋅納米管;（e）3D打印聚合物發(fā)射體;（f）聚合物發(fā)射針;（g）生長了氧化鋅納米管的聚合物發(fā)射針頭部;（h）不銹鋼發(fā)射針頭部的氧化鋅納米管圖7 MIT的3D打印電噴推力器發(fā)射體部件Fig.7 3D printed electrospray thruster emitter part developed by MIT

MIT的科研成果在N.Bailey和L.Perna的努力下，以Accion System公司為載體，正在開展產(chǎn)業(yè)化工作[33-34]，實現(xiàn)了科研成果的商業(yè)化，非常有利于電噴推進技術(shù)的良性發(fā)展。

3.1.2 Busek公司主攻大推力和寬調(diào)節(jié)

Busek公司作為美國具有代表性的創(chuàng)新推進技術(shù)公司，將電噴推進作為其主要業(yè)務(wù)方向之一。Busek公司針對電噴推進的大推力和寬調(diào)節(jié)需求，大力發(fā)展采用平面多孔材料發(fā)射體或窄縫發(fā)射體的基于常規(guī)制備方法的電噴推進技術(shù)以及被動和主動推進劑供應(yīng)技術(shù)，形成了多款電噴推進樣機，并率先實現(xiàn)了電噴推力器在正式型號上的成功應(yīng)用。Busek公司在2000年左右開始電噴推進技術(shù)研究[35]，形成了系列化電噴推力器產(chǎn)品，在研產(chǎn)品最大推力達到20mN，可支撐一系列立方體衛(wèi)星和引力波探測器等空間任務(wù)。

（a） 模塊組成

（b） 模塊剖面圖圖8 Busek公司的9發(fā)射體1mN電噴推力器模塊Fig.8 1mN electrospray thruster module with 9 emitters developed by Busek Company

平面多孔材料發(fā)射體或窄縫發(fā)射體有利于增大發(fā)射面積，從而實現(xiàn)較大的推力、較小的尺寸，但缺點是需要較高的工作電壓。Busek公司在推力200μN、比沖250～1000s的單平面發(fā)射體電噴推力器研究的基礎(chǔ)上，進一步開展了1mN平面發(fā)射體電噴推力器技術(shù)研究[36]。Busek公司研制的最大推力為1mN的9平面發(fā)射體的電噴推力器模塊，由推力器和推進劑貯供系統(tǒng)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。模塊功率<9W，額定推力0.7mN，最大推力1mN，額定比沖800s，比沖調(diào)節(jié)范圍400～1300s，總沖675N·s，最高柵極電壓10kV，模塊質(zhì)量1.15kg，推進劑為EMI-Im離子液體，體積約50mL，推力器采用推進劑主動供液技術(shù)，由膜盒貯箱和流量控制閥控制微流量推進劑。

圖9 由4臺1mN電噴推進模塊組成的4機組模塊Fig.9 Schematic diagram and physical objects of 4-thruster module composed of 4 1mN electrospray propulsion modules

基于1mN電噴推力器模塊，Busek公司改進研制了5～30μN寬范圍可調(diào)、額定比沖240s的電噴推力器及其4機組模塊（圖9）[37]。2臺模塊應(yīng)用在2015年12月3日發(fā)射的LISA Pathfinder探測器上，其推力調(diào)節(jié)性能和噪聲均滿足任務(wù)要求，且噪聲性能優(yōu)于探測器上的冷氣推力器。1臺4機組模塊由4臺電噴推力器頭部、4套推進劑供應(yīng)系統(tǒng)、4個功率處理單元、1個陰極和1個數(shù)字控制接口單元組成。每臺4機組模塊質(zhì)量為14.8kg，最大功率分別為24.6W和25.4W。通過控制推力器頭部束流電壓（2000～8000V）和推進劑流量，實現(xiàn)束流電流（2.25～5.40μA）的精確控制，獲得優(yōu)于0.1μN的推力分辨率和0.1μN/Hz0.5的推力噪聲。針對后續(xù)LISA任務(wù)對總沖要求大幅提升的問題，Busek公司正在開展改進設(shè)計工作。

針對微小衛(wèi)星需求，Busek公司在2015年左右開始了BET-300-P被動供液電噴推力器的研究。該推力器推力調(diào)節(jié)范圍5～150μN，推力分辨率0.4μN，推力噪聲優(yōu)于0.01μN/Hz0.5（10mHz ～10Hz）[38]。2020年，該推力器開展了環(huán)境試驗和461h的壽命驗證試驗，總沖達91.8N·s。

針對中小型衛(wèi)星需求，Busek公司開展了20mN推力的大推力多模式電噴推力器的研發(fā)工作，推力器樣機采用9條多孔材料平面發(fā)射體，設(shè)計功率100W，最大推力時比沖800s[39-40]。該推力器將是小功率霍爾和離子推力器的強勁對手。

3.1.3 密蘇里科技大學主攻化電雙模微推進

針對微小衛(wèi)星體積小，很難同時裝備推力較大的化學推進和比沖較高的電推進的問題，密蘇里科技大學的J.L. Rovey等提出了采用含能液體推進劑，實現(xiàn)化學微推進和電噴推進的化電雙模微推進思路[41]，并在NASA和美國空軍研究實驗室等的支持下開展研究工作[42]。圖10所示為化電雙模微推進原理圖，工作在化學推進模式時，推進劑流量較大，通過催化使推進劑燃燒并噴出，產(chǎn)生mN級的較大推力，比沖較低;工作在電噴推進模式時，推進劑流量較小，通過電噴推進原理工作，產(chǎn)生μN級的推力，比沖較高。

（a） 化學推進模式

（b） 電噴推進模式圖10 化電雙模微推進原理圖Fig.10 Schematic diagram of chemical-electric dual-mode micro propulsion

J.L.Rovey項目組開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計、推進劑配方、化學推進催化劑[43]、燃燒速率[44]、電噴束流粒子成分[45]等的研究，利用錸等催化劑實現(xiàn)了添加BMI-NO3或EMI-EtSO4離子液體的硝酸羥胺（Hydroxylammonium Nitrate，HAN）推進劑的催化點火。采用EMI-EtSO4/HAN混合溶液，實現(xiàn)了電噴推進模式，在0.19nL/s的低流量下比沖達到412s，相應(yīng)電壓3400V，推力1.08μN，功率2.22mW[46]。理論分析表明，通過優(yōu)化推進劑供應(yīng)系統(tǒng)和發(fā)射體設(shè)計，電噴推進模式比沖可超過1000s。

3.1.4 密歇根理工大學主攻鐵磁流體成型發(fā)射體新型電噴推進

針對傳統(tǒng)電噴推進發(fā)射體均為固體結(jié)構(gòu)，制備難度高，工作時不可避免地存在電極燒蝕、通道堵塞等問題，密歇根理工大學L.B. King等在2013年提出了采用鐵磁流體在磁場中的羅森茨維格不穩(wěn)定原理，形成基于流體成型發(fā)射體的新型電噴推進技術(shù)[47]。圖11所示為鐵磁流體在磁場作用下形成錐狀凸起陣列原理圖及其陣列局部照片。當羅森茨維格不穩(wěn)定性產(chǎn)生的力與液體表面張力平衡時，液體表面將形成錐狀凸起陣列，該陣列可作為電噴推進的發(fā)射體。

（a） 原理圖

（b） 整體

（c） 局部圖11 鐵磁流體在磁場作用下形成錐狀凸起陣列原理圖及其陣列照片F(xiàn)ig.11 Schematic diagram and photos of cone convex array formed by ferrofluid under the action of magnetic field

項目組開展了鐵磁離子液體（Ionic Liquid Ferrofluid，ILFF）配方、束流粒子成分、貯存結(jié)構(gòu)、發(fā)射體陣列調(diào)控、推力器構(gòu)型[48-49]、推進劑供給方式[50]和建模分析[51]等研究，實現(xiàn)了流體成型單發(fā)射體、發(fā)射體陣列以及電噴推進性能測試，在電壓3.72kV、磁場強度388Gs、流量26.6ng/s時，獲得了0.38μN推力和1455s比沖。同時發(fā)現(xiàn)，單發(fā)射體鐵磁流體電噴推力器產(chǎn)生的推力比MIT的iEPS電噴推力器高1個量級。

3.2 瑞士

圖12 19個發(fā)射體的硅基電噴推力器芯片及單個發(fā)射體Fig.12 19-emitter silicon based electrospray thruster chip and its single emitter

在瑞士，主要是洛桑聯(lián)邦理工大學的空間微系統(tǒng)技術(shù)實驗室在開展電噴推進技術(shù)研究，主要研究人員為S.Dandavino、H.Shea和D.G.Courtney。2012年，開展了基于硅基材料的電噴推力器芯片的制備技術(shù)、工作模式、試驗技術(shù)等研究[52]，形成了具有19個發(fā)射體的硅基電噴推力器芯片樣機（圖12），發(fā)射體高度70μm，內(nèi)徑5μm，試驗成功驗證了毛細作用推進劑輸運和點火，最高工作電壓739V，發(fā)射電流超過0.2μA，證明了方案的可行性。

在歐空局的支持下，項目組開展了基于多孔材料刀片發(fā)射體陣列的電噴推進技術(shù)及其在采用EMI-BF4和EMI-Im等不同離子液體推進劑時推力、比沖等性能測試技術(shù)研究，比較了直接和間接性能測試方法[53]。刀片發(fā)射體采用Duran集團的P5級、直徑1cm、厚3mm的多孔玻璃過濾片作為原材料，通過銑削加工成型（圖13）。采用EMIIm推進劑，功率0.1～0.8W時，推力5～50μN，0.5W時比沖約1500s，效率約50%;采用EMI-BF4推進劑，功率0.2～0.7W時，推力7～25μN，20μN時比沖約3260s，效率約65%。

圖13 刀片發(fā)射體陣列制備過程Fig.13 Preparation process of blade emitter array

3.3 英國

在英國，主要是倫敦瑪麗王后大學開展基于硅基MEMS工藝的電噴推進技術(shù)研究，攻克了硅基MEMS電噴推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝等關(guān)鍵技術(shù)，開展了點火試驗研究[54]，與薩里大學合作開展了基于納衛(wèi)星的試驗技術(shù)研究[55]。研制的試驗樣機在電壓7.3～8.6kV，流量54～151nL/s時，單發(fā)射體的發(fā)射電流為290～430nA。2012年，倫敦瑪麗王后大學與瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學合作研制了19發(fā)射體硅基電噴推力器[56]。2018年，發(fā)表了電噴射流分裂機理研究成果[57]。

4 發(fā)展趨勢分析

通過對國外電噴推進發(fā)展情況的分析，總結(jié)出如下發(fā)展趨勢。

1）深入開展機理研究，不斷推動原始創(chuàng)新，提升電噴推進的性能、可靠性和制備效率。如MIT開展新型推進劑研制和應(yīng)用研究，大幅提升比沖；Busek公司開展20mN電噴推力器研制，刷新電噴推力器的推力上限；美歐都面向有利于大幅提高效率的電噴推力器芯片，開展了硅基電噴推力器設(shè)計和制備工藝的研究工作，將大幅提升電噴推力器的制備效率。

2）模塊化、批產(chǎn)化、預(yù)包裝是實現(xiàn)工程應(yīng)用的必然選擇。電噴推進主要應(yīng)用在對周期、質(zhì)量、尺寸和成本有嚴格要求的微小衛(wèi)星領(lǐng)域，必須通過設(shè)計理念創(chuàng)新，采取不同于傳統(tǒng)空間推進的研制思路，實現(xiàn)推進系統(tǒng)的模塊化、制備的批產(chǎn)化、推進劑的預(yù)先包裝等，從而為電噴推進廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3）化電雙模推進是實現(xiàn)微小衛(wèi)星高性能高效率推進系統(tǒng)的重要途徑。電噴推進推力小，難以實現(xiàn)某些微小衛(wèi)星的快速變軌需求，而基于電噴推進本身采用的離子液體基推進劑，可實現(xiàn)推力較大的化學推進，從而使一套微推進系統(tǒng)既能實現(xiàn)較大推力，又能實現(xiàn)較高比沖。

4）流體成型發(fā)射體電噴推進為長壽命提供了技術(shù)途徑。傳統(tǒng)電噴推進的發(fā)射體，如毛細管發(fā)射體、外潤濕發(fā)射體、多孔材料發(fā)射體，均依靠固體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)推進劑的輸運和電場積聚，工作過程中不可避免地會產(chǎn)生腐蝕、堵塞等問題。通過磁場等實現(xiàn)不需要固體發(fā)射體的流體成型發(fā)射體，為實現(xiàn)電噴推進的長壽命提供了一種可行的技術(shù)途徑。

5）性能和壽命快速評估手段不斷豐富。電噴推進存在的μN級推力、kV量級電壓、推進劑被動輸送等特點，使其性能和壽命評估困難重重。各研究團隊提出了直接性能測試和間接性能測試方法并在不斷完善，以推動電噴推力器測試技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)束語

電噴推進作為一種高性能微推進技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，其工作機理已基本明晰，并在持續(xù)不斷地深入研究，成功實現(xiàn)了引力波探測器等極高要求的在軌應(yīng)用。國內(nèi)的上海空間推進研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所、北京控制工程研究所、北京機械設(shè)備研究所、上海交通大學、北京航空航天大學、北京理工大學和西北工業(yè)大學等多個單位和高校均在開展電噴推進技術(shù)研究，取得了大量科研成果，形成了多款樣機，北京機械設(shè)備研究所和北京航空航天大學研制的電噴推力器已實現(xiàn)空間飛行。為了進一步促進國內(nèi)電推進的發(fā)展，提出如下建議：

1）加強電噴推進技術(shù)規(guī)劃和總體牽引，提高研究的針對性，縮短成果應(yīng)用時間；

2）加強業(yè)內(nèi)溝通與交流，鼓勵提出不同電噴推進方案和途徑，實現(xiàn)差異化發(fā)展，為電噴推進技術(shù)發(fā)展、原始創(chuàng)新和外延拓展積聚力量；

3）加強產(chǎn)學研合作，實現(xiàn)電噴推進科研成果的快速轉(zhuǎn)化和可靠應(yīng)用，實現(xiàn)良性發(fā)展；

4）加強電噴推進性能測試與壽命評估技術(shù)研究，逐步統(tǒng)一測試方法，完善測試手段，建立第三方測試評估機構(gòu)，實現(xiàn)不同產(chǎn)品的可靠測試與評估。