离子液体静电喷雾推力器研究进展及关键技术

杨云天，李小康，郭大伟，车碧轩，程谋森

(国防科技大学空天科学学院，长沙 410073)

0 引 言

近年来微纳卫星成为航天器设计和应用研究的热点，但是受微纳卫星平台体积、质量和电源功率等限制，只有极小部分微纳卫星具有推进系统[1]，这极大限制了其任务范围。冷气和化学推进比冲低，有效载荷比小，无法满足微纳卫星长寿命、精确控制任务需求；电推进系统由于可实现比冷气推进和化学推进更高的比冲，且能够产生微小精确冲量，有效提高载荷比，被认为更适合应用于微纳卫星。

目前技术成熟的电推力器是以气态氙或氪为推进剂的离子推力器(Ion Thruster)和霍尔推力器(Hall Effect Thruster)。但将这两种推力器微型化以匹配微纳卫星的尺寸和功率时，会显著降低推力器的性能及寿命。其它如以脉冲等离子体推力器为代表的烧蚀固体型电推力器，存在着功推比高、束流污染和电磁兼容性等局限问题，因此需要专门开发符合微纳卫星技术特点的新型微电推进技术。

离子液体静电喷雾推力器(Ionic liquid elect-rospray thruster, ILET)是一种新型静电式电推力器，具有高比冲、低功推比、束流自中和以及工作电压低(～1 kV)等优点，在结构上易于小型化和模块化，其产生的亚毫牛级推力适合用于微纳卫星的精确姿态和轨道控制，在微纳卫星可应用的推进系统方案中具有明显优势。

本文在前人阶段性总结的基础上通过梳理ILET工作过程数值分析、结构设计和性能测试及束流诊断三方面的研究进展和关键研究成果，分析并总结了ILET系统的关键技术和瓶颈，为我国以后研发ILET工作提供参考。

1 ILET工作原理和特点

离子液体是一种由阴阳离子组成的液态物质，具有较高电导率(1～10 S/m)[2]、相对较低的表面张力(20～70 mN/m)[3]、极低的饱和蒸汽压(<10-10Pa)[4]等优良性质。离子液体的高电导率可以大幅降低其静电喷雾启动电压；较低的表面张力能够较容易产生以离子和离子簇为主的带电粒子；极低的饱和蒸气压可以避免推进剂在真空环境中的蒸发损耗。

ILET是一种以离子液体为推进剂，以静电喷雾为工作原理的静电式电推力器。如图1所示，ILET主要由发射极、提取极和贮箱等结构组成。发射极和提取极之间通过施加高电压形成极间电场，当发射极尖端附近电场达到1V/nm的量级时，强电场将带电粒子从离子液体中提取并加速，从而获得推力。与传统等离子体电推力器相比，ILET具有以下优点：

图1 离子液体静电喷雾推力器结构图Fig.1 Schematic of ionic liquid electrospray thruster

1)结构简单、体积小、质量轻，推进剂可通过毛细作用被动供给，并且工作时无需复杂电磁场构型；

2)无需中和器，离子液体由阴阳离子组成，因此ILET通过施加不同极性的电压能够分别提取阴阳离子，以完成束流的电荷自中和；

3)比冲高(1000～8000 s)，有效提高载荷比，并且比冲和推力可以通过调整极间电压灵活控制；

4)功推比低，带电粒子的提取和加速在同一电场中进行，无需消耗额外功率用于推进剂的电离。

2 ILET的研究现状

2.1 ILET工作过程数值分析研究

如图1所示，ILET的工作过程可以分为两个阶段：推进剂通过发射极提供的流动通道流动到发射极尖端形成泰勒锥的带电粒子提取过程和带电粒子提取后通过极间电场加速的带电粒子运动过程。

2.1.1带电粒子提取过程

带电粒子提取过程主要从宏观和微观两种尺度进行分析：使用电流体动力学(Electro-hydro dynamic, EHD)方法从宏观尺度进行分析；使用分子动力学(Molecular dynamics, MD)方法从微观尺度分析。

由于提取极对空间电荷的屏蔽作用，使得带电粒子的提取过程主要受推进剂性质和发射极的影响。文献[5]通过Taylor-Melcher模型分析了外部电场构型、推进剂流动阻抗等因素对离子液体带电粒子提取过程的影响，定性描述了外部电场对泰勒锥形态变化的影响、带电粒子提取阈值电压的存在以及推进剂流动阻抗对发射电流的影响[6]。

文献[7]在Higuera的工作基础之上对其数值模型进行进一步优化，描述了离子液体提取带电粒子时泰勒锥的平衡形态，并成功模拟出离子液体界面处相关电学参数分布(表面电荷、电流密度、电场分布等)，并且发现在先前研究中一直被忽略的介电常数在带电粒子提取过程中存在不可忽视的作用。

虽然EHD方法对泰勒锥形成过程、带电粒子提取阈值电压的研究中提供了重要帮助，但是带电粒子提取过程本质上是在外部电场作用下发生的微观化学反应，要解释内在机理必须从微观尺度出发。

文献[8-9]使用AMBER势函数描述EMI-BF4离子之间的相互作用，对离子和离子簇(溶剂化离子)状态下EMI-BF4的带电粒子提取过程进行了详细研究。但是由于MD方法计算量过大，限制了模拟的空间尺度。

为了降低MD方法的计算量，研究者们主要利用离子液体的粗粒度模型简化计算。文献[10]利用EMI-BF4的两种粗粒度模型分别对带电粒子提取过程进行研究：使用多尺度粗粒度模型研究带电粒子提取及离子簇的裂解过程；使用有效粗粒度模型研究供给流量、工作电压对离子液体带电粒子提取的影响。

文献[11]对EAN和EMI-BF4两种离子液体的泰勒锥形成及带电粒子提取过程进行了MD模拟。Mehta发现由于EAN中的氢键数量更多，导致库伦相互作用强度约为EMI-BF4的三倍，因此需要更高的电场才能实现带电粒子的提取。模拟中获得的带电粒子成分信息不仅可以用于预测ILET的工作模式，而且可以给ILET推进剂的选择提供指导。

目前广泛使用的各种粗粒度模型虽然可以极大降低运算量，但是忽略了原子之间的相互作用，在计算离子液体属性(电导率、扩散系数等)时存在偏差，尤其是在外界环境条件发生改变时难以正确反映离子液体性质的变化。相比之下全原子模型计算量虽然大，但是能够精确反应离子液体性质。

综上所述，对发射界面处的电学参数分布以及带电粒子之间、带电粒子和场之间的相互作用进行详细描述是带电粒子提取过程研究的重点和难点。

2.1.2带电粒子运动过程

带电粒子运动过程的数值研究主要通过MD方法和粒子方法对带电粒子(离子、离子簇、带电液滴)在电场中的运动过程进行研究。

文献[12]使用MD方法对3～5 nm直径的EMI-BF4液滴带电粒子发射行为进行了模拟，发现带电粒子发射主要集中在电场强度为1.2～2 V/nm范围内的区域，并通过发射的带电粒子数来计算发射电流，获得的结果与实验结果高度吻合。

采用电荷残留机理(Charged residue mechan-ism, CRM)和离子蒸发机理(Ion evaporation mecha-nism, IEM)这些经典理论在分析较高电导率离子液体的带电液滴加速过程发现，较大液滴中的粒子将以带电粒子发射的方式完全蒸发。但是文献[13]采用MD方法针对离子液体液滴加速过程的模拟结果显示液滴质量和体积降低到某一值后带电粒子停止发射，并且液滴的最终质量和体积依赖于电场强度。文献[13]的结果表明，关于离子液体带电粒子在静电场中的行为理论还需要进一步完善。

ILET工作时会发射由离子和分子组成的离子簇，如果这些离子簇在发射极与提取极之间裂解为离子或更小的离子簇，裂解后产生的未带电成分无法继续加速会导致推进效率和比冲显著降低[14-15]。如图2(a)所示，以[EMI-BF4]EMI+为例，根据动能定理可以得到裂解后各粒子离开提取极的速度为：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:c为粒子离开提取极的速度;g为重力加速度。

文献[16]使用MD方法模拟EMI-BF4带电粒子提取过程，并将结果作为PIC模拟中的入口边界条件，实现MD方法和PIC方法的耦合求解。通过计算ILET的推力、比冲和粒子数密度等信息，以准确量化束流对航天器造成的腐蚀和电荷积累问题。

由于离子簇在运动过程中会发生裂解进而改变束流成分，如果对单一种类带电粒子进行模拟难以准确描述束流状态。文献[17]通过PIC方法建立了一种考虑带电粒子加速过程中离子簇裂解现象的数值模型。通过引入温度、局部电场对离子簇裂解速率的影响，以提高对束流发散角、能量分布和带电粒子运动轨迹的计算精度。

在ILET工作时，束流如果处在非电中性状态会影响航天器表面电势，进而影响航天器正常工作。

图2 离子簇裂解对ILET性能的影响Fig.2 The effect of ion cluster fragmentation on the performance of ILET

文献[18]为了研究ILET束流自中和效果，建立二维全粒子(Fully particle)PIC模型对束流自中和效果进行研究。相较于传统混合PIC方法，该方法追踪所有宏粒子的运动，可以得到更加准确的结果，并对束流中的带电粒子振荡行为和相反极性束流间距对中和效果的影响进行研究。

近年来北京航空航天大学和西北工业大学等高校和研究机构也纷纷开展关于ILET的静电喷雾数值研究，并且取得了一系列的研究成果[19-22]，初步建立了ILET的数值研究体系。

但是目前ILET工作过程的数值研究基本上为使用单种方法对单个工作阶段进行模拟，在全过程数值模拟研究方面较为缺乏。EHD方法、MD方法和粒子方法在ILET各个工作阶段的模拟都有各自的优势，使用EHD方法确定发射界面形态和电场构型，使用MD方法模拟带电粒子提取过程确定束流的组成，使用粒子方法对束流的空间演化过程进行模拟，将各个过程耦合，对ILET性能进行综合分析，从而实现推力器的优化设计。

2.2 ILET结构研究

发射极结构、电极结构和推进剂贮供结构对ILET性能有着重要影响，因此ILET的结构研究主要集中在这三方面。

2.2.1发射极结构研究

ILET的发射极由发射体组成，但是单个发射体的推力较小(～100 nN)，无法满足微纳卫星任务需求，必须采用发射体阵列提高推力。如图3所示，根据推进剂输运到发射体尖端的方式不同，ILET的发射体可以分为毛细管型、外部浸润型和多孔介质型。同时，根据ILET束流中带电粒子成分不同，可以将ILET的工作模式分为液滴模式、离子-液滴混合模式、纯离子模式。在同一工作条件下，ILET工作在纯离子模式时比冲和推进效率最高，推力最小；工作在液滴模式时比冲和推进效率最低，推力最大。

图3 毛细管型、外部浸润型和多孔介质型离子液体静电喷雾推力器Fig.3 Schematic of capillary, externally wetted and porous ionic liquid electrospray thrusters

Romero-Sanz等最早将离子液体EMI-BF4作为推进剂进行ILET的相关实验[23]，并采用反应离子蚀刻(Reactive ion etching, RIE)技术制造出阵列式的毛细管型发射体。毛细管型ILET可以实现推进剂的主动供给以产生较大推力，但是束流中带电粒子的荷质比存在较大分散性，推进效率和比冲较低。虽然可以通过对流动管路填充阻塞物以增大流动阻力，实现在极低流量供给下的纯离子模式发射[24]，但工作时产生的电化学沉积容易造成流动通道堵塞。

Lozano等首次进行了外部浸润的单针离子液体静电喷雾实验[25]，随后设计了阵列式外部浸润型ILET并对其性能进行了相关研究[26]。外部浸润型ILET由于流动阻力较大，容易工作在纯离子模式下，因此比冲和推进效率较高。但是由于外部浸润型发射体表面积较小，推进剂供给能力有限，导致离子发射电流小，当发射体尖端半径在10～30 μm时，最大离子发射电流不超过1 μA[27]，单个发射体难以获得较大推力，并且难以保持长时间连续均匀发射。

Legge等首先通过掩膜电化学加工制造了钨材质的多孔介质型发射体并证实了其能够工作在纯离子模式下[28]，并且单发射体能够产生超过1 μN的推力。在多孔介质型发射体的加工工艺探索上，Legge曾尝试将钨材质的外部浸润型发射体的刻蚀加工方法直接用于钨多孔材料的加工，但是缺少能够与材料本体和化学刻蚀溶液相容的高精度掩膜[28]，因此难以加工出理想的发射体阵列。为了解决这一问题，研究人员在材料选择上转向具有良好化学刻蚀加工特性的多孔镍，虽然高精度掩膜的相容性问题得以解决，但是加工精度也仅在10 μm量级[29]。

针对金属多孔材料的发射体加工技术探索表明，湿式加工技术无法加工出由数百个发射体单元构成的高精度发射阵列，因此必须采用精度更高、一致性更好的干式加工技术。文献[30]发现发射极中离子液体的阻抗仅为10欧姆量级，由此导致的电势降仅为mV量级，因此导体并不是发射体材料的唯一选择，理论上任何亲离子液体的多孔材料都可以作为ILET的发射体材料。因此，文献[31]采用粉末/颗粒烧结硼硅酸盐作为发射体基材，探索了基于纳秒脉宽激光的加工技术，实现了具有微米级精度的480个发射体单元的二维阵列加工。

多孔介质型发射体具有较多的毛细通道，避免了毛细管型发射体存在的流动通道易堵塞问题，同时相对于外部浸润型发射体可以提供较大的供给流量以获得较大发射电流。鉴于多孔介质型发射体表现出的明显优势，目前ILET发射极的研究主要集中在以多孔材料为基材的发射体设计与制造方面。

2.2.2电极结构研究

ILET在工作时仅需一个高压电极和接地电极即可构建出所需极间电场。早期的ILET直接将发射极作为高压电极，提取极作为接地电极。但是发射体尖端与离子液体界面处的双电层电压超过电化学窗口限制将引起发射体或离子液体的电化学反应，造成发射体尖端变性或者推进剂分解产物在发射体尖端沉积，对推力器寿命造成严重影响。

文献[25]在研究外部浸润型金属单发射体的电化学腐蚀问题时发现以一定频率交替改变发射体与提取极间的电场极性，可以抑制电化学反应的发生。但是该方法在多孔介质型发射极上应用时受到了限制。文献[32]发现在发射电流产生的几分钟内，发射体尖端就存在明显的推进剂分解产物沉积。其原因可能是改变电压极性无法使双电层中电荷扩散到发射体的主体区域，并且较大的发射电流加剧了电化学腐蚀。

文献[33]采用双电层理论分析多孔介质型发射体的电荷扩散过程发现：电压极性的切换频率需要大于1 kHz才能抑制发射体尖端的电化学腐蚀。电压极性在高频切换下发射体难以稳定工作，因此需要其他方法抑制电化学腐蚀。Brikner等在发射体上游加入片状金属远端电极[33]，将产生双电层的位置由发射体尖端转移到远端电极，同时增大电极与推进剂的接触面积，通过低频的电压极性切换即可消除电化学腐蚀导致的对推力器寿命的严重限制。

带电粒子对提取极的侵蚀，是限制ILET寿命的另一个重要因素。如图4所示，目前提取极主要有两种结构：一种是单层的提取极结构，另外一种是双层的提取-加速极结构。提取-加速极结构能够将带电粒子的提取和加速过程解耦，实现推力大范围调节时有效避免发射极和提取极发生短路。但是难以实现发射体阵列、提取极和加速极之间的对准调节，所以单层提取极依旧是目前ILET的主流结构。

图4 提取极结构示意图Fig.4 Schematic diagram of extractor structures

ILET工作时，为了实现在较低电压(～1 kV)下的稳定工作，发射极和提取极的间距一般在控制在百微米量级，以保证发射体尖端电场强度达到1 V/nm量级，提取极与发射体尖端的距离发生微小的变化都会引起发射体尖端电场强度的巨大变化，因此平面度是提取极首先要保证的结构参数。提取极一般为微孔阵列结构，微孔的形状和定位精度是提取极另外两个重要的结构参数，发射极一般由数百个发射体组成，如果微孔和发射体的相对位置发生偏移，会加剧带电粒子对提取极的侵蚀，进而导致发射电流的大幅下降和推力器寿命的降低[34]。

2.2.3推进剂贮供结构设计

ILET的发射电流密度与推进剂的供给状态有关，尤其是推进剂的流动阻力。在发射极中，各个发射体的流动阻力是相同的，所以贮箱至发射体底面的流动阻力是影响发射电流密度的重要因素。

文献[35]分析了多孔材料贮箱内的Laplace压力对带电粒子提取模式的影响，发现通过减小多孔贮箱孔隙直径增大内部Laplace压力有利于实现纯离子模式，据此设计了基于多孔材料贮箱的推进剂供给系统，但是由于推进剂贮存受材料孔隙率影响，导致多孔材料贮箱空间利用率较低。因此，Krejci等提出了组合式被动供给贮箱的概念[36]，推进剂的主供给由位于中间的纤维芯实现，贮箱外缘的多孔材料进行辅助供给。长时间点火实验表明，组合式被动供给贮箱相对于多孔材料贮箱表现出良好的发射稳定性。

文献[37]对多孔介质型ILET发射电流密度进行测量时发现，发射极中间区域的发射电流密度明显高于边缘区域。对单个发射体的测量结果显示，单个发射体的发射电流密度与推进剂到达发射体尖端的流动阻力相关。因此可以通过改变被动供给方案和使用孔径更加均匀的多孔材料来改善阵列式发射体的发射电流均匀性。

此外，贮箱的密封性也是贮供结构设计中的重要因素。如果发射极与贮箱始终处于连通状态，在卫星随运载火箭升空时大量噪声引起的随机振动作用下将不可避免导致推进剂从发射极泄露，极易引起发射极与提取极短路。因此需要设计微型化、结构简单的阀门组件，实现对贮箱和发射极之间连接通道的通断控制。

近年来，国内许多高校和研究所的主要精力集中在多孔介质型ILET的设计制造上。西北工业大学和上海交通大学[38-39]都制造了条形发射体的多孔介质型ILET，并对其性能进行测试。

综上所述，目前ILET结构主要采用发射性能较为优异的多孔介质型发射极，提取极采用对中性较好的单层提取极结构，推进剂贮供上采用简单可靠的多孔贮箱。但是在发射极的材料和加工技术、提取极的装配调节以及推进剂供给稳定性和均匀性等方面还有较大的提升空间。

2.3 ILET性能测试及束流诊断

如图5所示，ILET的性能测试可以分为直接方法和间接方法，直接方法一般通过精密质量天平或推力台架直接测量推力进而获得比冲；间接方法一般使用飞行时间(Time of flight, TOF)质谱仪和阻滞势分析仪(Retarding potential analyzer, RPA)间接获得推力器推力和比冲等性能参数。同时借助电流探针等手段对束流的空间分布特性进行测量。

图5 ILET性能和束流测试方法Fig.5 ILET performance and beam test methods

2.3.1直接测试方法

由于ILET的推力只有亚毫牛量级，采用推力台架测量信号较弱并且易受机械振动、电磁环境干扰，因此在直接测量推力上存在困难。麻省理工学院的Hicks等设计制造了一种磁悬浮推力台架通过创造无摩擦环境以提高测量精度[40]。用推力台架将CubeSat悬浮在真空舱内，ILET工作推动CubeSat旋转，通过分析卫星的旋转角度以计算推力。

文献[41]设计了一种非等长扭臂的推力台架，并且提出了推力平衡关键参数的优化设计方法，通过利用台架两臂的不对称性，可以在限制臂长的情况下获得较高的推力分辨率。Wang等使用一种新型的印刷电路板静电梳用于推力标定，实验结果表明推力台架在1 μN·s范围内总不确定度约为3.33%[41]。

除了设计专门的微牛级推力台架外，也可以通过技术难度较低的天平称重法对ILET的推力进行测量[42]。

2.3.2间接测试方法

TOF质谱仪与RPA均为多层栅极结构，其工作原理均是通过施加电场改变带电粒子运动状态，使收集极上电流信号发生变化，从而获得束流中带电粒子的质量和能量分布信息。对束流的质量和能量分布信息进行相应处理，即可获得ILET的推力和比冲等性能参数。

文献[42]通过精密质量天平和TOF质谱仪分别对推力进行直接和间接测量，两种方式测量出的推力峰值相差约5 μN。通过对测量数据进行分析后，Daniel等认为造成这种差异的原因主要有两方面，一方面是精密质量天平固有的响应时间和高频噪声的影响，另一方面是由于束流发散和离子簇的裂解给TOF质谱仪引入了测量误差。多层栅极结构的低透过率是影响TOF质谱仪信号强度的重要因素，为了提高TOF质谱仪的信噪比，文献[43]采用一种钨丝编织成的栅极，单层透过率可达95%，有效提高了信号强度。

由于ILET的束流存在发散角，当使用RPA对ILET束流进行测量时，RPA中的阻滞电势沿轴向分布与束流边缘的带电粒子运动速度存在夹角，造成位于束流边缘的带电粒子停止轴向运动时的电势小于其全部动能对应的电势，导致RPA测量信号的变化趋势变平缓，难以区分离子能量分布特征。针对该问题，Miller等设计了一种曲面构型RPA[14]，通过不锈钢框架点焊高透过率钨网构成曲面的导电栅极。实验结果表明，相较于平面构型，曲面构型RPA能够有效提高对离子能量分布的分辨率。

间接测试方法仅通过收集电流的信号曲线进行相应计算就可得到所需信息，并且测量结果除了推力和比冲之外，还能够获得束流的能量和质量分布。

2.3.3束流空间分布特性测量

ILET的束流空间分布直接影响束流发散角以及推力矢量偏角，对其性能有重要影响。

文献[37]采用微型电流探针对多孔介质型ILET发射电流密度进行测量，发现当极间电压达到带电粒子提取阈值电压时，在发射体尖端先出现单发射点，随着极间电压的升高，出现另外一个发射点，并且两个发射点形成两股独立的带电粒子束，这种现象与极间电压极性无关并且具有较好的可重复性。对阵列式发射体的发射电流密度进行测量时发现，受发射体之间形貌差异和提取极相对位置的影响，每个发射体都具有不同的阈值电压和不同的发射点位置。当发射总电流为设定电流值时，阈值电压低的发射体发射电流必然大于平均值，容易造成发射极与提取极短路引起寿命问题。为了确保发射体之间阈值电压的一致性，除了保证发射体之间的一致性之外，提取极与发射体尖端的相对位置也需要精准控制,由此对提取极的设计和加工也提出了相应要求。

文献[44]采用电流探针和石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance, QCM)，分别测量了ILET发射位置下游束流的空间分布。测量结果显示束流的电流密度和质量通量的空间分布并不相同，质量通量分布的半角要大于电流密度，表明单独使用电流密度并不能准确描述ILET束流的空间分布。

目前国内仅有少数单位进行了ILET的性能测试[38-39]，但是在微牛级推力测量方面以及束流空间分布方面均有较好的研究基础。

综上，对ILET的性能进行直接测试主要通过推力台架，其中推力台架的标定是微推力测量的关键，需要对推力台架的弱力发生装置输出特性进行精准测量才能保证推力测量的准确性；间接测试方法建立在所获得的带电粒子质量和能量分布信息的基础上，但是ILET产生的带电粒子种类复杂并且会发生离子簇的裂解和带电液滴的破碎，进一步增加了信号处理的难度。束流的空间分布测试技术主要通过电流探针和QCM，其技术相对成熟，难度较低。

3 ILET的关键技术

3.1 数值模拟技术

当前ILET的数值模拟主要使用EHD方法、MD方法和粒子方法。ILET的数值模拟技术主要存在以下两个方面问题：

1)ILET不同工作阶段的多尺度效应，导致各个工作过程之间难以同时进行数值仿真；

2)在对带电粒子的提取和运动过程进行模拟时，带电粒子(液滴、离子和离子簇)之间的相互作用计算量过大，需要优化计算方法以减小计算量。

如图6所示，ILET的数值模拟在对推力器优化设计以及预估推力器的性能和寿命等方面有着重要作用。一方面，带电粒子的提取与运动过程关联于发射极与提取极的极间电场；另一方面，极间电场位形受发射极与提取极结构参数、泰勒锥形态和带电粒子空间电荷效应影响。因此，为了实现推力器原理样机的优化设计，必须建立静电场作用下的发射体尖端的弯液面变形及带电粒子提取和运动全过程耦合数值模型，理清各过程间的耦合机制。

图6 数值模拟和ILET设计耦合关系Fig.6 Correspondence between numerical simulation and ILET design

3.2 高精度制造与装配技术

ILET制造上的难度主要集中在发射极。一方面，为了能够在发射体尖端区域获得较强电场，其尖端特征尺寸通常在微米量级；另一方面，为了提高推力密度，通常需要加工出阵列式发射体作为发射极。这两方面因素要求发射极具有较高的形状和定位精度，并且为了保证推力器的性能和寿命，对发射体之间的一致性也提出了较高要求。

虽然对于目前主流的硼硅酸盐材料而言，加工技术已经不是制约发射极加工精度的关键因素。但是由于硼硅酸盐粉末/颗粒烧结特性，在加工或加工完成时由于残余应力存在，容易产生发射体尖端的颗粒剥落，难以保证尖端处的几何形貌加工精度。因此还需要研发烧结颗粒更小更均匀或者整体式的多孔材料作为发射极基材。

近年来，微纳级金属增材制造技术的快速发展，为ILET的发射极设计与制造开辟了新的思路与方法。在纳米级精度增材制造技术的基础上，可以实现发射极内部流动通道的优化设计、发射极和提取极的一体化制造等ILET的新型高精度制造与装配技术。目前相关研究较少，MIT在2020年报道了其通过3D打印技术结合晶体的水热生长法对外部浸润型发射体的制备工作[45]。如图7所示，文献[45]使用3D打印技术制造实心锥体作为发射体主体，利用水热生长法制造出在主体表面均匀且密集的ZnOWN晶体簇，以增大发射体表面积，提高供给流量，以实现推进剂的稳定供给。

图7 3D打印技术在发射极制造的应用[45]Fig.7 Application of 3D printing technology in emitter manufacturing[45]

ILET装配调节的关键技术主要体现在发射极与提取极的对中性和极间距调节上。一方面，发射极和提取极的对中性直接影响带电粒子的透过率，以及极间电场的分布，进而对推力器的性能和寿命造成影响[34-44]；另一方面发射极和提取极的极间距过大会增大推力器的工作电压，极间距过小会容易造成发射极和提取极短路和放电拉弧。因此，为保证推力器的工作状态和性能，在确保发射极和提取极的对中性下，也要能够保证对极间距的控制。

综上所述，ILET制造的关键技术主要集中在以下方面：

1)发射体基材方面：发射极和提取极的形状和定位精度是影响ILET性能和寿命的重要因素，针对ILET的结构特点针对性的研究高精度的加工工艺将是提高ILET性能的重要举措；

2)装配调节机构设计：提取极和发射极的对中性和极间距直接影响ILET的性能和寿命，并且装配误差对ILET性能有较大影响，因此有必要为ILET设计专用的装配调节机构；

3)贮供结构设计：发射电流的均匀性直接影响ILET寿命和推力矢量，需要优化推进剂供给方式实现对发射体阵列的均匀稳定供给，同时提高贮箱的密封性以防止推进剂泄露。

因此，进一步探索ILET高精度制造工艺，设计装配调节机构，优化贮供结构对提高推力器性能具有重要意义。

3.3 微功率高压电源技术

微功率高压电源是将航天器母线电压转换为ILET工作所需电压的二次电源变换设备，是ILET系统的重要组成部分。结合微纳卫星平台和ILET本身特点，ILET的微功率高压电源技术上有如下三个关键要求：

首先要求体积小、质量轻、具备高升压比(～100)；其次要求可以实现正负极性切换，且具备较短的上升/下降时间。

以上两点在先前上海交通大学对ILET研究的相关评述[46]中已经提出，就不对其进行详细叙述。

3.4 推力器性能测试技术

对于电推力器而言，推力和比冲是最基础的性能参数，直接关系到航天器的轨道姿态控制精度。在使用推力台架等直接测试方法对ILET的推力测量时，主要存在以下两个困难：

1)ILET的推力仅为亚毫牛量级，通过直接测试方法获得的测量信号较弱，易受测试环境电磁和振动干扰以及配平导致的重力影响；

2)推力台架的标定通常采用静电梳式弱力产生装置进行，扭摆转动将引起静、动梳齿发生相对偏转，造成输出特性变化，需要对梳齿进行设计以确保推力台架发生最大扭转角时静电梳输出特性不变。

比冲是指消耗单位质量推进剂所能产生的冲量，也代表着推力器对推进剂的利用效率。相较于目前应用较广的离子推力器、霍尔推力器等，ILET很难得到准确地推进剂消耗量。一方面目前ILET的推进剂主要采用被动供给方式无需流量调节装置，另一方面ILET对推进剂的消耗极低(～μL/h)难以通过称重法等方法得到推进剂消耗量。因此对ILET的比冲测量目前主要采用间接测试方法。

目前来说，使用间接测试方法对ILET进行测试主要有以下三个困难：

1)加工方面，TOF质谱仪和RPA的核心组件均为微孔栅极，其加工精度直接影响带电粒子透过率，进而影响测量数据的信噪比；

2)数据处理方面，ILET在工作时发射电流仅为数十微安量级，测量信号强度较弱(～nA)；

3)束流成分多样(带电液滴、离子、离子簇等)，带电液滴在运动过程会发生破碎并且处于亚稳态的离子簇也会发生裂解进而给束流引入新的成分，会增大数据处理难度。

4 结 论

ILET比冲高、质量轻、体积小、功率低等优点，已经逐渐成为一种极具发展前景的微电推进技术。本文对ILET的相关研究进展进行了调研，总结出需要重点克服的关键技术，并得到以下几点结论：

1)进一步深入开展ILET工作机理研究。对ILET工作过程涉及到的微通道流动机理、场蒸发理论、带电粒子加速机制深入进行研究，建立多种模拟方法结合的ILET全过程数值模型，为ILET优化设计提供理论指导。

2)优先发展被动供给式ILET。相较于主动供给式ILET，被动供给式ILET具有质量轻、结构简单可靠、技术门槛低等优点，适合于微纳卫星应用。

3)在ILET原理样机基础上小型化、模块化、功能化。通过将多台ILET集成为推进模块，降低大面积阵列式发射体和提取极的加工难度，提高发射极与提取极的对中性，扩大ILET的适用任务范围。

4)加强对ILET测试技术的研究。重点研究微弱信号下的推力和比冲测量技术，为ILET优化设计提供验证手段。