CN105649906B - 小孔阵列微型静电式电推力器 - Google Patents

小孔阵列微型静电式电推力器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小孔阵列微型静电式电推力器，包括相互连接的中和器和推力器主体，推力器主体包括从上往下依次配合连接的栅极组件、小孔阵列组件和推进剂贮存室，小孔阵列组件由输运板和小孔阵列板构成，输运板安装在小孔阵列板的下表面，小孔阵列板上均匀分布有小孔阵列，所述栅极组件由引出栅、加速栅和绝缘支架组成，引出栅、加速栅、小孔阵列板通过绝缘支架依次相连，且引出栅、加速栅上开有与小孔阵列对应的同轴小孔，加热器和推进剂均位于推进剂贮存室内。本发明具有结构简单，尺寸小，比冲可达700‑2000s，集成推进剂贮存和输运功能，推进剂不带压存储，无活动部件等优点，可以芯片形态封装，作为标准的推进模块应用于微小卫星。

Description

小孔阵列微型静电式电推力器
技术领域
本发明涉及一种小孔阵列微型静电式电推力器，适用于微小卫星轨道转移、姿态控制、动量轮卸载和大气阻力补偿等任务。
背景技术
目前，高功能集成度的微小卫星发展极为迅速，尤其是重量在1～10kg的微小卫星，如立方星(Cubesat)。立方星的标准外形是10cm×10cm×10cm的立方体，称之为1U，质量1～2kg，根据卫星功能需要，可以将其扩展到2个单元(2U)或多个单元，执行遥感、通信、空间实验、编队飞行组网等任务。微小卫星由于研制周期短、研制和发射成本低、发射灵活、探测难度大，可组网和编队飞行，以星座形式形成“虚拟大卫星”，完成大卫星因尺寸等问题不能完成的任务，如大范围遥感等，受到了世界各国的高度重视，近年来发射数量快速上升。然而，常规的卫星推进系统，如化学推进、霍尔电推进、离子电推进等，目前的一个趋势在向小型化发展，以满足微小卫星的需求，但由于阀门等组件数量多、尺寸大，需要带压存储推进剂的贮箱等，系统较为复杂，成本高，研制周期长，小型化困难很大，难以适应微小卫星严格的重量、尺寸、价格等限制要求。目前10kg以下的微小卫星中，绝大部分没有配备推进系统，少数配备了比冲、总冲、推力调节能力等性能较低的微型冷气推进系统(比冲约30～90s)、微型单组元化学推进系统(比冲约210s)、微型双组元化学推进系统(比冲约260～300s)等，大大限制了微小卫星的机动性、姿态稳定度和寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于微小卫星，特别是重量10kg以下微小卫星的小孔阵列微型静电推力器，推力在微牛至毫牛量级。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供小孔阵列微型静电式电推力器，包括相互连接的中和器和推力器主体，中和器发射与带电液滴相反电性的粒子，中和喷出的带电液滴，使卫星保持电中性。例如，推力器本体发射的是带正电的液滴时，中和器喷射的可以是电子，也可以是带负电的液滴(此时中和器结构同推力器本体，但电路连接极性与推力器本体相反，从而喷出的是带负电的液滴)；如果推力器发射的是带负电的液滴时，中和器要发射带正电的液滴。推力器主体包括从上往下依次配合连接的栅极组件、小孔阵列组件和推进剂贮存室，所述小孔阵列组件由输运板和小孔阵列板构成，输运板安装在小孔阵列板的下表面，用于吸附推进剂和将推进剂输运至小孔阵列下表面，小孔阵列板上均匀分布有小孔阵列，所述栅极组件由引出栅、加速栅和绝缘支架组成，引出栅、加速栅、小孔阵列板通过绝缘支架依次相连，且引出栅、加速栅上开有与小孔阵列对应的同轴小孔，小孔阵列板下方设有相互配合的加热器和推进剂，加热器和推进剂均位于推进剂贮存室内。
其中，绝缘支架由陶瓷或其他材料制成，用于使栅极和发射体阵列的绝缘。液体推进剂由于毛细作用，顺着小孔穿过小孔阵列板，并在引出栅和小孔阵列板形成的一定强度的静电场的共同作用下突出小孔阵列板并形成锥形发射体，发射体顶端在一定强度的局部电场作用下形成泰勒锥，当电场达到足够强度时，泰勒锥顶端的微量液体被吸出，形成带电液滴，带电液滴被引出栅吸引并通过引出栅，接着在加速栅和引出栅形成的静电场作用下加速并从加速栅孔中喷出，产生推力。在某些应用下，为简化推力器结构，也可省略加速栅
其中，所述小孔阵列板由导电材料制成，其上设有的小孔阵列为通孔。
其中，所述小孔阵列板、引出栅、加速栅互相绝缘，小孔阵列板与引出栅、加速栅电位相反，且加速栅电位绝对值高于引出栅。
其中，所述输运板安装在小孔阵列板下表面的小孔阵列旁，不遮挡小孔阵列，提高推进剂输运效率；
为了提高输运板对推进剂的吸附和输运能力，所述输运板为小孔阵列片、编织网片或多孔材料片。
所述加热器用于加热推进剂，使其在推力器工作时保持液态，且粘度满足流动性要求，为金属丝加热器、正温度系数(PTC)陶瓷加热器、金属陶瓷发热体(MCH)加热器中的一种。
其中，所述加热器位于推进剂贮存室内部的底面或侧面。
其中，所述推进剂采用饱和蒸气压低、无毒环保的导电溶液，如添加了氯化锂溶质的甲酰胺溶液，或者离子液体，如[EMIm]BF4、[EMIm]PF6等
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)结构简单，有利于提高可靠性；
(2)用简单的小孔阵列板和输运板实现推进剂的输运功能，不需要阀门等活动部件，推进剂不带压存储；
(3)比冲高，可达700～2000s，是微型冷气推力器、微型单组元推力器、微型双组元推力器的数倍至数十倍；
(4)可以芯片形态封装，作为标准的微推进模块，易于批量化生产；
(5)相对于使用毒性较强的肼类推进剂的微型单组元推力器和双组元推力器，小孔阵列微型静电推力器使用无毒的导电溶液或离子液体作为推进剂，符合环保要求。
除了应用于微小卫星，该小孔阵列微型静电推力器还具有如下用途：
(1)航天器的大型挠性结构(如大型天线、大型太阳电池阵)的振动消除装置；
(2)推力器本体可作为液态带电粒子发射源，用于改变航天器电位，或用作地面环境下应用的带电液滴发射源。
附图说明
图1为本发明小孔阵列微型静电式电推力器的结构示意图。
图2为图1的局部解剖图。
图3为本发明小孔阵列微型静电式电推力器中小孔阵列组件的结构示意图。
图4为本发明实施例2的结构示意图。
图5为本发明实施例3的结构示意图。
图6为本发明实施例4的结构示意图。
图7为本发明实施例5的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
如图1-3所示，该实施方式的小孔阵列微型静电推力器2采用引出栅32、加速栅 31两个栅极，输运板8采用小孔阵列片输运板，推进剂5为添加了氯化锂溶质的甲酰胺溶液。绝缘支架33为一体式结构。小孔阵列板7上以阵列形式分布着6行6列共36个小孔71，小孔阵列板7下方是三块输运板8，两块相邻的输运板8之间相隔两排小孔71。输运板8上分布着小孔阵列，以提高毛细作用效果，通过毛细作用吸附和输运推进剂。引出栅32、加速栅31上均分布着36个孔，每个孔与小孔阵列板上的对应孔的轴向重合。小孔阵列板7的电压最高，引出栅32其次，加速栅31电压最低。小孔阵列板7与引出栅32之间由一个直流的引出电源供电，引出电源正极连小孔阵列板，负极连引出栅32。引出栅32和加速栅31之间由另一个直流的加速电源供电，加速电源正极连引出栅32，且与引出电源的负极相连。发射的带电液滴带正电。中和器1发射电子对带电液滴束流进行中和。两个板式金属铠装加热器6位于推进剂贮存室4的两个侧壁面。
实施例2
该实施方式的小孔阵列微型静电推力器采用单个栅极9实现带电液滴的引出和加速，并利用多孔材料输运板，推进剂为添加了氯化锂溶质的甲酰胺溶液。小孔阵列板上以阵列形式分布着6行6列共36个小孔，小孔阵列板下方是三块输运板8，两块相邻的输运板8之间相隔两排小孔。多孔材料输运板可以大幅增加与推进剂接触面积，且多孔材料的微细缝隙有利于增强毛细作用，从而更好地吸附和输运推进剂。栅极上均分布着36个孔，每个孔与小孔阵列板上的对应孔的轴向重合。小孔阵列板的电压较高，栅极电压较低。小孔阵列板与栅极之间由一个直流电源供电，该电源承担带电液滴引出和加速的双重作用。电源正极连小孔阵列板，负极连栅极。发射的带电液滴带正电。中和器发射电子对带电液滴束流进行中和。
实施例3
该实施方式的小孔阵列微型静电推力器采用与本体结构相同或相似的中和器，推进剂为[EMIm]BF4离子液体，中和器的电源连接方式除正负极性外，与本体相同。中和器正负极性与本体极性与本体相反。中和器和本体的小孔阵列板在电路上直接导通连接。中和器和本体喷出的带电液滴的正负极性相反，如本体发射的带电液滴带正电，中和器的带电液滴带负电；或者，本体发射的带电液滴带正电，中和器的带电液滴带负电。这样，小孔阵列微型静电推力器工作时，本体和中和器喷出的极性相反的带电液滴会自行中和，确保卫星的电中性。这种小孔阵列微型静电推力器称之为自中和小孔阵列微型静电推力器。图5的自中和小孔阵列微型静电推力器，本体发射的带电液滴带正电，中和器的带电液滴带负电。
实施例4
该实施方式的小孔阵列微型静电推力器结构与实施方式一相近，采用引出栅32、加速栅31两个栅极，输运板8采用小孔阵列片输运板，但绝缘支架采用分体式结构，推进剂为添加了氯化锂溶质的甲酰胺溶液(图6)。引出栅绝缘支架11用于固定引出栅，加速栅绝缘支架10叠加在引出栅绝缘支架11上，用于固定加速栅。采用分体式结构有利于降低绝缘支架制造难度。两个金属铠装加热器位于推进剂贮存室的两个侧壁面。推力器点火前，当温度较低或推进剂为固体时，加热器加热，推进剂贮藏室温度升高，使推进剂粘度减小或熔化成液态，从而流经小孔阵列形成发射体，满足推力器工作的要求。
实施例5
该实施方式的小孔阵列微型静电推力器，推进剂为[EMIm]BF4离子液体，采用一个加热器，加热器位于推进剂贮存室底部，如7所示。该推力器其他结构同实施方式二。加热器采用MCH陶瓷加热器，加热温度达200℃以上，实际使用时只需确保推进剂在推力器工作时处于液态即可。MCH陶瓷加热器相比PTC陶瓷发热体，具有相同加热效果情况下节约20～30％电能，且不含铅等有害金属，更为节能和环保等优势。MHC陶瓷加热器表面做绝缘处理，防止与推进剂等短路。推力器点火前，当温度较低或推进剂为固体时，MCH陶瓷加热器加热，推进剂贮藏室温度升高，使推进剂粘度减小或熔化成液态，从而流经小孔阵列形成发射体，满足推力器工作的要求。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.小孔阵列微型静电式电推力器，包括相互连接的中和器(1)和推力器主体，其特征在于，推力器主体包括从上往下依次配合连接的栅极组件、小孔阵列组件和推进剂贮存室(4)，所述小孔阵列组件由输运板(8)和小孔阵列板(7)构成，输运板(8)安装在小孔阵列板(7)的下表面，用于吸附推进剂(5)和将推进剂(5)输运至小孔阵列下表面，小孔阵列板(7)上均匀分布有小孔阵列，所述栅极组件由引出栅(32)、加速栅(31)和绝缘支架(33)组成，引出栅(32)、加速栅(31)、小孔阵列板(7)通过绝缘支架(33)依次相连，且引出栅(32)、加速栅(31)上开有与小孔阵列对应的同轴小孔，小孔阵列板(7)下方设有相互配合的加热器和推进剂，加热器和推进剂均位于推进剂贮存室(4)内。
2.根据权利要求1所述的小孔阵列微型静电式电推力器，其特征在于，所述小孔阵列板由导电材料制成，其上设有的小孔阵列为通孔。
3.根据权利要求1所述的小孔阵列微型静电式电推力器，其特征在于，所述小孔阵列板、引出栅、加速栅互相绝缘，小孔阵列板与引出栅、加速栅电位相反，且加速栅电位绝对值高于引出栅。
4.根据权利要求1所述的小孔阵列微型静电式电推力器，其特征在于，所述输运板安装在小孔阵列板下表面的小孔阵列旁，不遮挡小孔阵列。
5.根据权利要求1所述的小孔阵列微型静电式电推力器，其特征在于，所述输运板为小孔阵列片、编织网片或多孔材料片。
6.根据权利要求1所述的小孔阵列微型静电式电推力器，其特征在于，所述加热器为金属丝加热器、正温度系数、陶瓷加热器、金属陶瓷发热体加热器中的一种。
7.根据权利要求1所述的小孔阵列微型静电式电推力器，其特征在于，所述加热器位于推进剂贮存室内部的底面或侧面。
8.根据权利要求1所述的小孔阵列微型静电式电推力器，其特征在于，所述推进剂采用饱和蒸气压低、无毒环保的导电溶液。
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