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10-4 Pa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。
