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离子液体电喷雾推进器在电压和流量变化下呈现三种喷射模式：电滴模式、纺锤模式和稳定锥形喷流模式。研究表明稳定锥形喷流模式在适当电压范围内存在，且受电压和流量共同影响，大流量需更高电压维持稳定。其中BMIM-DCA的稳定电压范围达1700V，最适用于可变推力电喷雾推进器。
郑伟杰|刘旭辉|王伟宗|孙仁国浩|程玉峰|张金瑞|王旭东
北京控制工程研究所先进空间推进技术实验室，北京，100190，中国
摘要
微牛顿级别的离子液体电喷推进器具有超高精度、大推力比和紧凑尺寸等优点。它们可以应用于高精度的基础科学研究任务以及高质量微纳卫星星座的推进系统。电喷的稳态发射受到多种因素的影响，其背后的机制仍有待探索，特别是不同离子液体的影响。因此，本文对不同离子液体进行了电喷发射实验，选择了三种离子液体：1-乙基-三甲基咪唑二氰胺（EMIM-DCA）、1-丁基-三甲基咪唑六氟硼酸盐（BMIM-PF6）和1-丁基-三甲基咪唑二氰胺（BMIM-DCA）进行研究。实验考察了工作电压、流速和离子液体物理性质的影响。观察到了三种不同的电喷发射模式：电滴模式、纺锤模式和稳定的锥形喷射模式。结果表明，在适当的电压范围内存在稳定的锥形喷射模式，并且该模式受到流速和电压的影响，较大的流速需要更高的电压来维持稳定性。此外，在这三种离子液体中，BMIM-DCA在稳定锥形喷射模式下的可调工作电压范围最广，稳定电压范围可达1700V，使其成为可变推力电喷推进器的优选推进剂之一。
引言
空间引力波探测是目前各国竞相占据的空间战略高地。它是探索宇宙科学的新窗口，也是基础科学取得新突破的关键和基础。通过多颗航天器精确编队配置，并借助高精度激光干涉仪测量航天器之间的相对距离变化，可以实现空间引力波探测，从而获得宇宙形成和演化过程的关键信息。测量数据的高精度取决于探测卫星平台在运行环境中达到“纯重力”和“无拖曳”的状态[[1], [2], [3]]。图1是无拖曳卫星的示意图。为此，卫星需要具备极低噪声、超高分辨率和微牛顿级可变推力控制等推进控制能力，以抵消大气阻力、太阳光压和宇宙粒子等非保守力产生的极小干扰[[2], [3], [4], [5]]，这对卫星平台的推进系统性能指标提出了严格要求。具有宽调节比、高精度和高分辨率的微牛顿级推进技术已成为引力波探测卫星平台的必要需求[[6]]。离子液体电喷推进器结构紧凑、比冲高、精度高、效率高、功耗低，满足了高精度无拖曳控制任务的要求。此外，它在扩展推力调节范围方面具有巨大发展潜力，也能满足微纳卫星等多样化空间任务的需求[[7]]。
离子液体电喷推进器的工作原理是：在电场的作用下，离子液体工作介质在发射针尖形成泰勒锥，进一步产生喷射流并形成粒子羽流，从而加速喷射并形成推力，如图2(a)所示[[8]]。由于其低成本、短开发周期、小尺寸、灵活的发射方式和强大的可扩展性，它能够满足当前微纳卫星和基础空间科学研究任务的发展需求，在微纳卫星和未来的深空探测任务中发挥着重要作用。20世纪90年代末，使用离子液体作为工作介质的电喷推进器被证明能够实现纯离子发射，此后受到了广泛关注并迅速发展[[9]]。在工程应用中，离子液体电喷推进器在2015年的LISA-Pathfinder任务中得到了在轨验证[[10]]，最小单位推进器推力调节范围为5 ～ 30 μN。随后，麻省理工学院的iEPS[[11]]和Busek公司的BET-300P[[12]]型离子液体电喷推进器分别具有0.05至10 μN和5至150 μN的推力调节范围，阵列型离子液体电喷推进器成为研究热点，近年来相关技术已向商业模型发展[[13]]。在中国，离子液体电喷推进器的研究起步相对较晚，但发展迅速。一些原型已通过在轨验证。2019年，北京机械设备研究院开发了一种被动式离子液体电喷推进器，在TY-11卫星上成功完成了在轨点火验证，推力范围为10-100 μN[[13]]。北航大学开发的ILT-50离子液体电喷推进器作为SSS-1卫星的自主脱离动力装置，于2022年成功完成了在轨点火测试，产生了32.8 μN的连续推力[[14]]。除此之外，还有一些更具创新性的应用概念，例如将电喷推进器与化学推进系统[[15]]或冷气体推进系统[[16]]结合的双模推进系统，通过集成操作实现扩展的推进能力。总之，当前的电喷推进器在连续和稳定推力调节范围方面存在局限性。为了满足未来多样化的探测任务需求，电喷推进器在可变推力、宽调节范围和高稳定性方面仍有很大的发展潜力。
电喷锥形喷射的研究可以追溯到18世纪末的瑞利喷射[[17]]。为了研究瑞利喷射的不稳定性以实现连续稳定的喷射，Zeleny在1914年进行了电喷实验研究，发现不同的电压和流速组合会产生不同的发射状态[[18,19]]。随后，在1964年，G.I. Taylor首次提出了泰勒锥的概念并理论计算了泰勒锥角度[[20]]。1960年，Thompson Ramo和航空推进实验室联合研究了将电喷作为航天器推进的方式，开启了电喷推进器在太空中的应用[[21]]。基于这项研究，Hendricks在1962年提出了用于测量电喷羽流电荷质量比的时间飞行分析（TFA）方法[[21,22]]，这决定了电喷推进器的特性[[22]]。在此基础上，开发出了胶体推进器[[23]]。1960年至1975年间，Cloupeau等学者对电喷的不同发射模式进行了分类和命名[[24]]。随着高速相机和快速电流测量技术的发展，电喷发射模式的研究取得了显著进展，但识别所有可能的发射模式并理解其背后的物理特性仍然是一个持续的挑战[[25]]。
电喷的发射模式可以直接评估电喷推进器的推进性能，因此受到了广泛的研究和关注。目前，发射模式主要通过流速和电压进行调整，此外，发射模式还与离子液体的物理性质有关。离子液体电喷具有多种工作模式，如重力滴模式、电滴模式、纺锤模式、间歇性锥形喷射模式、锥形喷射模式和多喷射模式[[25]]。在电喷推进器的应用中，稳定的锥形喷射模式具有更大的工程意义，工程上通常需要集成发射器阵列来实现推力扩展，例如具有外部润湿发射结构的电喷推进器[[26]]。为了确保推进器的稳定运行，需要每个发射器的发射一致性和稳定性，而单个发射器的稳定工作电压范围限制了推力值的可调节范围。因此，研究电喷微发射的稳定锥形喷射模式的影响机制以及流速、电压和离子液体性质的影响规律，对于可变推力电喷推进器的研发设计、集成扩展以及推力调节和控制具有重要意义[[27]]。目前，电喷的发射模式受到了相当多的关注，然而，基于实际工程应用的背景，对稳定锥形喷射模式的影响机制的研究缺乏足够的重视和深入探索，而且所使用的离子液体通常比较单一[[28]]。因此，本研究选择了这一研究方向。此外，如前所述，纯离子推进模式也因其高比冲而受到关注[[29]]。然而，本文不考虑纯离子发射模式的研究。一方面，纯离子模式的推力调节能力有限，且本质上缺乏锥形喷射，而是直接从泰勒锥表面通过蒸发发射——这使其不适合本研究的背景和目标。另一方面，实现纯离子模式需要较大的液压阻抗和极低的流速[[30]]，通常需要被动多孔介质发射器或外部润湿发射器才能实现。尽管本文研究的30微米直径的主动流体供给发射器比大多数可比研究中的发射针更小，但有效研究纯离子发射模式仍然具有挑战性[[31]]。
因此，本文通过实验方法研究了离子液体电喷稳定锥形喷射模式的影响机制，建立了离子液体电喷实验系统，对三种离子液体EMIM-DCA、BMIM-PF6和BMIM-DCA进行了电喷发射实验。这三种离子液体具有相对不同的物理性质，也是我们之前模拟研究的对象[[28]]。为了适应微米级发射器直径，确保离子液体的电喷具有多种发射模式，主要选择了六个流速工作条件：0.1 nl/s、0.3 nl/s、0.5 nl/s、1 nl/s、3 nl/s、5 nl/s，并分析了不同离子液体以及电压和流速对发射模式的影响，比较了三种离子液体电喷稳定锥形喷射模式的特性，得出了相应的影响规律。
实验方法介绍
实验方法介绍
离子液体是由阴离子和阳离子组成的盐类化合物，在室温下仍保持液态。由于它们具有高导电性、低粘度、低挥发性和低蒸气压[[29]]，因此在空间电喷推进系统中得到了广泛应用。作为推进剂，它们能够在低电势下产生最高的比冲、高束流电流和推力，同时在束流电流和推力方面具有较大的调节比[[30]]
电压对发射模式影响规律的研究
电喷的发射模式直接受电压和流速的影响，但另一个不可忽视的因素是具有不同物理性质的离子液体。通过改变工作电压（流速保持不变），可以获得不同的电喷发射模式：电滴模式、纺锤模式（见图5）和稳定的锥形喷射模式（见图6）。进一步分析了三种离子液体在不同电压下的电喷发射模式演变结论
本文对三种具有不同物理性质的离子液体（EMIM-DCA、BMIM-PF6和BMIM-DCA，其中前两种混合物的成分之一）在30 μm玻璃毛细管中的电喷发射进行了实验研究。获得了这三种离子液体的电滴模式、纺锤模式和稳定的锥形喷射模式，以及电压和流速的影响规律，得出以下结论：
作者贡献声明
郑伟杰：撰写——初稿、研究、正式分析、概念化。刘旭辉：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。王伟宗：资源获取、项目管理。孙仁国浩：研究、数据管理。程玉峰：研究、正式分析。张金瑞：方法论、正式分析。王旭东：撰写——审稿与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢中国国家重点研发计划（2022YFB4601300）和国家自然科学基金（52472392）的财政支持。
