CN106680612A - 卫星场致发射电推力器发射体的性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星场致发射电推力器发射体的性能测试装置，包括一真空装置，真空装置内设置金属正电极和金属负电极，负电极与高压直流源的负极电连接，正电极的底部设置在加热装置上，同样与直流源的正极电连接，加热装置对金属负电极加热，负电极上还设置有与真空装置外的测温装置电连接的铂电阻，其中，测试时，根据测温装置显示的温度，调节稳压直流源，将发射体加热至所需温度，使发射体中的工质充分熔化，通过高压直流源使金属正负电极之间的电压稳定提高，并通过电流表测量回路中的电流，得到发射电流及开启电压等测试结果。

Description

卫星场致发射电推力器发射体的性能测试装置

技术领域

本发明属于航天器场致发射微推力器发射体的性能技术领域，具体而言，本发明涉及一种卫星场致发射微推力器发射体的性能测试装置。

背景技术

卫星小型化是当代卫星的发展方向之一，而推进系统是卫星的主要分系统之一，卫星小型地球重力场探测卫星等超净平台卫星对轨道控制要求很高。这些卫星需要μN量级的推力器才能保证相对轨道保持控制效果满足任务要求，传统姿轨控制系统提供的推力较大，难以满足高精度调控的要求。基于场致发射电推进的电推力器是提供该量级推力的最好手段之一，其推力控制精度高(μN量级)，比冲大(3000s-10000s)，可以用于重力探测等超静平台卫星的轨道阻力补偿。

场致离子发射技术是一种先进的静电式电推技术，它以针形或孔型材料为发射体，利用毛细作用使得推进剂(主要为液态金属)流向发射体尖端。在强电场作用下，液态金属将形成Taylor形状。进一步增大电场后，Taylor尖尖端金属将离子化，并克服表面张力脱离液体金属表面，同时由同一电场加速喷出，从而产生微牛级推力。场致离子发射器的性能与发射体的尺寸有密切关系，一般来讲，发射体尺寸越小，其性能越优异。

为对所研制的场发射微推力器的发射体进行性能测试，需要对场发射微推力器性能测试系统进行精确设计。测试系统需要满足高真空度、强电场、可加热等特性，通过测量其发射电压，发射电流等特性对发射体的发射性能进行评估。首先，所设计的真空装置需满足场致离子发射对真空度的要求；同时需要对发射装置进行精确的结构设计，以使电极板间的电场强度能够满足发射要求；为使真空罐外的高压直流源对内部的电极供电，还需加工安装耐高压电极的法兰。此外，需要对场致离子发射加热装置进行设计，使用于发射的金属能够加热至熔点之上，进而实现场致离子发射。

发明内容

为满足对场发射微推力器性能测试的要求，基于场致离子发射的原理，需对其测试系统进行设计。首先，所设计的真空装置需满足场致离子发射对真空度的要求；同时需要对发射装置进行精确的结构设计，以使电极板间的电场强度能够满足发射要求；为使真空罐外的高压直流源对内部的电极供电，还需加工安装耐高压电极的法兰。此外，需要对场致离子发射加热装置进行设计，使用于发射的金属能够加热至熔点之上，进而实现场致离子发射。

本发明提出了一种场发射性能测试装置，该装置可以使场发射满足真空度要求的同时，对发射体中的工质加热到液态，并在强电场作用下进行发射，并测量发射电压及发射电流，为发射体性能测试及评估提供依据。

本发明采用了如下的技术方案：

一种卫星场致发射电推力器发射体的性能测试装置，包括一真空装置，真空装置内相对平行设置一对金属正电极和金属负电极，金属负电极通过真空装置侧壁上的耐高压法兰与真空装置外高压直流源的负极经电流表电连接，用于通过导电胶连接待测试发射体的金属正电极的底部设置在加热装置上，加热装置与其承载的金属正电极的底部结构配合设置在隔热基板的凹槽中，金属正电极同样通过耐高压法兰与真空装置外高压直流源的正极经限流电阻电连接，加热装置通过真空装置侧壁上的加热及测温用法兰由真空装置外的稳压直流源供电以对金属负电极进行加热，金属负电极上还设置有铂电阻，铂电阻同样通过加热及测温用法兰与真空装置外的测温装置进行电连接，其中，测试时，首先将真空装置抽真空，达到测试所需的真空度(一般为10^-3Pa)，随后调节稳压直流源使加热装置对待测试发射体加热，通过测温装置观察加热温度并适当调节稳压直流源，直至将发射体加热至所需温度，发射体中的工质充分熔化，最后通过高压直流源稳定提高加载在金属正负电极之间的电压，并通过电流表测量回路中的电流，得到发射电流及开启电压等测试结果。

其中，真空装置是由上述两个法兰密封的圆柱形腔，内部构成真空腔，真空度控制在1×10^-3Pa左右。

其中，金属正负电极为铜电极。

其中，金属负电极放置于待测发射体上方，通过绝缘垫片来调整与待测发射体之间的距离。

其中，隔热基板选用聚四氟乙烯材料。

其中，金属负电极对应待测发射体的位置处设置锥形孔，用于金属工质在强电场作用下发射出去。

其中，加热装置通过稳压直流源供电，加热过程中通过测温装置测量发射体的温度，进而控制连接加热装置的直流源所需电流的大小，适当调整加热的温度，最终使液态金属工质的原子在场强作用下场蒸发、离子化，并发射出去。

其中，加热温度应大于在金属工质的熔点温度之上，才能使发射体中的金属工质熔化。

其中，金属正电极与金属负电极之间施加数千伏的高压。

其中，加热装置通过导热硅橡胶粘附于金属正电极下端。

本发明的场发射微推力器性能测试装置，可对场发射微推力器的发射体在真空环境下进行加热，并在测试电极上加载数千伏的高压，使发射体在强电场作用下实现场致离子发射。最终通过测量其发射电流，开启电压等关键性能参数，研究场发射微推力器发射体的场发射特性，并以测试结果为依据进行性能评估和分析。

附图说明

图1为场发射微推力器发射体性能测试装置示意图；

图中：1-金属负电极，2-待测试发射体，3-金属正电极，4-加热装置，5-铂电阻，6-隔热基板，7-真空腔，8-耐高压法兰，9-加热及测温用法兰，10-电流表，11-限流电阻，12-高压直流源，13-稳压直流源，14-测温装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的卫星场致发射电推力器发射体的性能测试装置作进一步的说明。这些都是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

参见图1，图1为本发明的一实施方式的卫星场致发射电推力器发射体的性能测试装置的结构示意图，其中，该测试装置包括有一真空度高于1×10^-3Pa的真空装置(即圆柱形真空腔7)，真空腔7内相对平行设置一对金属正电极3和金属负电极1，金属负电极1通过真空装置侧壁上的耐高压法兰8与真空腔7外高压直流源12的负极经电流表10电连接，用于通过导电胶连接待测试发射体2的金属正电极3的底部设置在加热装置4上，加热装置4与其承载的金属正电极3的底部结构配合设置在聚四氟乙烯材料制的隔热基板6的凹槽中，金属正电极3同样通过耐高压法兰8与真空腔7外高压直流源12的正极经限流电阻11电连接，加热装置4通过真空腔7侧壁上的加热及测温用法兰9由真空腔7外的稳压直流源13供电以对金属负电极1进行加热，金属负电极1上还设置有铂电阻5，铂电阻5同样通过加热及测温用法兰9与圆柱形的真空腔7外的测温装置14进行电连接，其中，测试中金属铜的负电极1和金属铜的正电极3施加2000伏的高压电场，正电极3与待测试发射体2通过导电胶电连接，负电极1放置于发射体2的上方，负电极1通过绝缘垫片(未示出)来调整与发射体之间的距离。为确保导电性，正电极3的电极中部突出平台用于粘附加热装置。负电极1在对应待测试发射体2的位置处加工一锥形孔，用于金属工质在强电场作用下发射出去。

为了将用于场致离子发射的金属工质保持液化状态，需用加热装置对发射体2进行加热。加热装置4通过导热硅橡胶粘附于金属正电极3下端。为对加热温度进行监控，在加热的正电极3侧方通过导热硅橡胶粘附一铂电阻5用于测量温度。在实际的测试中，预先通过加热装置加热一段时间(1～2小时)，这样可以一定程度解决放气问题，使真空度满足场发射要求。随后通过调节稳压直流源提高加热棒的加热功率，由于加热装置位于金属电极下端，发射体放置于金属电极上方，所以需使加热温度大于在工质熔点温度之上，才能使发射体2中的金属工质熔化。

为使加热装置4与真空腔7相隔离，需放置于隔热基板6上。隔热基板选用隔热材料例如聚四氟乙烯作为材料，隔热材料需要具有高耐腐蚀性、高绝缘性、耐高温、不燃等优点。在一具体实施方式中，隔热基板6为中部为凹槽状的圆形板，用于放置测试装置。此外为调整正负电极间距离，需加工不同厚度的绝缘垫片，同样选择绝缘性良好，耐高温的聚四氟乙烯材料进行加工。

测试中，采用高压直流源12为正负金属电极供电，其电压范围需满足测试要求。高压直流源供电时需串联一限流电阻11，同时采用电流表10来测试发射电流，电流表精度同样需满足场发射测试要求。加热装置通过一稳压直流源13进行供电，同时通过测温单元14来监控加热温度，进而调节稳压直流源的输出电流。

真空装置一般将真空度控制在1×10^-3Pa左右，这个真空度可以满足测试的要求，而且所要的抽真空时间也较短，可以节省试验时间，提高效率。测试采用的是两平行板电极的方式，这种方式结构简单，测得的数据结果直接，是测试发射体场致离子发射性能的最常用的方法。从发射体表面到正极的间距通过绝缘垫片进行调节，真空腔外部高压电源通过法兰连接的引线，将电压加载到电极板上，以使电极板之间的电场达到离子发射所需的最低要求。

尽管上文对本专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星场致发射电推力器发射体的性能测试装置，包括一真空装置，真空装置内相对平行设置一对金属正电极和金属负电极，金属负电极通过真空装置侧壁上的耐高压法兰与真空装置外高压直流源的负极经电流表电连接，用于通过导电胶连接待测试发射体的金属正电极的底部设置在加热装置上，加热装置与其承载的金属正电极的底部结构配合设置在隔热基板的凹槽中，金属正电极同样通过耐高压法兰与真空装置外高压直流源的正极经限流电阻电连接，加热装置通过真空装置侧壁上的加热及测温用法兰由真空装置外的稳压直流源供电以对金属负电极进行加热，金属负电极上还设置有铂电阻，铂电阻同样通过加热及测温用法兰与真空装置外的测温装置进行电连接，其中，测试时，先对真空装置抽真空以达到测试所需的真空度，随后调节稳压直流源通过加热装置将待测试发射体加热，使发射体中的工质充分熔化，加热过程通过测温装置来进行监控，最后通过高压直流源稳定提高加载在金属正负电极之间的电压，并通过电流表测量回路中的电流，得到发射电流及开启电压的测试结果。

2.如权利要求1所述的性能测试装置，其中，真空装置是由上述两个法兰密封的圆柱形腔，内部构成真空腔，真空度控制在1×10^-3Pa左右。

3.如权利要求1所述的性能测试装置，其中，金属正负电极为铜电极。

4.如权利要求1所述的性能测试装置，其中，金属负电极放置于待测发射体上方，通过绝缘垫片来调整与待测发射体之间的距离。

5.如权利要求1-4任一项所述的性能测试装置，其中，隔热基板选用聚四氟乙烯材料。

6.如权利要求1-4任一项所述的性能测试装置，其中，金属负电极对应待测发射体的位置处设置锥形孔，用于金属工质在强电场作用下发射出去。

7.如权利要求1-4任一项所述的性能测试装置其中，加热装置通过稳压直流源供电，加热过程中通过测温装置测量发射体的温度，进而控制连接加热装置的直流源所需电流的大小，适当调整加热的温度，最终使液态金属工质的原子在场强作用下场蒸发、离子化，并发射出去。

8.如权利要求1-4任一项所述的性能测试装置其中，加热温度应大于在金属工质的熔点温度之上，才能使发射体中的金属工质熔化。

9.如权利要求1-4任一项所述的性能测试装置，其中，金属正电极与金属负电极之间施加数千伏的高压。

10.如权利要求1-4任一项所述的性能测试装置其中，加热装置通过导热硅橡胶粘附于金属正电极下端。