CN107416759A - 一种纳米喷射微型推进器、其制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米喷射微型推进器、其制备方法及其应用，纳米喷射微型推进器包括玻璃纳米管、离子溶液、电压可调式电源、连接机构和挡板；所述玻璃纳米管一端设有尖端，离子溶液设在玻璃纳米管内，电压可调式电源一端与纳米玻璃纳米管的尖端相接，另一端与挡板相接；挡板设在纳米玻璃纳米管的尖端外侧，挡板通过连接结构与玻璃纳米管外壁相接。本发明纳米喷射微型推进器比冲可控，灵活简单，成本低；电压值可调节，能够在不同的喷射电压下产生不同的推力，以达到不同的运动状态；在微纳卫星上可以进行阵列安装，以提供更大的推力和进行不同方向的调整；玻璃纳米管尺寸小，因此推进器达到的精度高，以实现高精度控制。

Description

一种纳米喷射微型推进器、其制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及微推进器领域，尤其涉及一种纳米喷射微型推进器、其制备方法及其应用。
背景技术
随着现代航天技术的发展，卫星朝着微小化方向发展，尤其是随着微纳卫星的出现，微推进器作为微纳卫星的重要组成部分，可以实现微纳卫星的变轨、姿态调整控制和空间制动。现在的微推进器主要可以分为有燃料推进、无燃料推进和电动驱动，微推进器正朝着小型化、轻量化和模块化方向发展。主流的微推进器制造主要有以下几种：一种是传统推进器的微型化，主要有气体推进器、微型离子发动机和固态火箭发动机等；另一种是依赖微机电技术(MEMS)的发展制造的推进器。主要涉及到的工艺如下：光刻技术将制作在光刻掩模上的图形转移到衬底表面；湿法腐蚀就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉；真空镀膜是将固体材料置于真空室内，在真空条件下使用一定的能量形态迫使固体材料的原子或分子从表面脱离，并自由地弥布到容器的器壁上；还有氧化、掺杂、化学气相沉积等方法。现在的微推进器存在着如下缺点：体积质量过大无法应用到微纳卫星上；推进剂存储复杂，易泄露等；能量消耗大，需要的启动电压比较大；比冲较小，推力达不到要求。
发明内容
发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种结构简单，易实现，并且所需启动电压小，能量消耗比较小，能够应用于微纳卫星的变轨和姿态调整的纳米喷射微型推进器。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种纳米喷射微型推进器，包括玻璃纳米管、离子溶液、电压可调式电源、连接机构和挡板；所述玻璃纳米管一端设有尖端，离子溶液设在玻璃纳米管内，电压可调式电源一端与纳米玻璃纳米管的尖端相接，另一端与挡板相接；挡板设在纳米玻璃纳米管的尖端外侧，挡板通过连接结构与玻璃纳米管外壁相接。
工作原理：本发明纳米喷射微型推进器，在玻璃纳米管尖端施加电场，离子溶液在电场的作用下喷出玻璃纳米管形成射流，并与倾斜挡板碰撞产生作用力，使推进器产生推力，推动微纳卫星运动；离子溶液先在压力和毛细作用下流动至玻璃纳米管尖端处，由于尺寸效应，在压力作用下离子溶液不能喷出纳米管，所以在纳米管底部施加电压，离子溶液在电压作用下喷出管口，离子溶液喷射至挡板上产生反作用力，改变微纳卫星的姿态或运动轨迹；电压值可调节，能够在不同的喷射电压下产生不同的推力，以达到不同的运动状态。
优选，玻璃纳米管为硅酸盐纳米管或石英纳米管。
所述玻璃纳米管直径为20-100nm；玻璃纳米管尺寸小，能使推进器达到的精度高，实现高精度控制。
所述挡板为倾斜接地挡板，能作为电压可调式电源的低电压端，以便与高压端形成电场。
所述挡板为金属基复合材料，能使挡板导电性良好。
优选，所述离子溶液为电解质溶液。
上述纳米喷射微型推进器的制备方法：推进器用玻璃纳米管作喷嘴，玻璃纳米管采用激光拉制而成，采用激光加热，拉制稳定的纳米尖端，拉制尖端长度为20-100nm；玻璃纳米管内注入离子溶液，采用的离子溶液为电解质溶液，电压可调式电源一端与纳米玻璃纳米管的尖端相接，另一端与挡板相接；挡板采用导电性良好的金属基复合材料，作为电源的低电压端，与高压端形成电场。
上述纳米喷射微型推进器的应用：将纳米喷射微型推进器安装在微纳卫星内。
上述纳米喷射微型推进器的应用：将纳米喷射微型推进器根据需要安装在微纳卫星内不同的方位；能实现不同姿态的调整或不同方向的变轨。
上述纳米喷射微型推进器的应用：将两个以上纳米喷射微型推进器进行阵列安装在微纳卫星内，能获得不同的推力范围，提供更大推力，从而改善该推进器的机动性，并且对微纳卫星的姿态控制更加精确。
本发明未提及的技术均为现有技术。
有益效果：本发明纳米喷射微型推进器比冲可控，灵活简单，成本低；电压值可调节，能够在不同的喷射电压下产生不同的推力，以达到不同的运动状态；在微纳卫星上可以进行阵列安装，以提供更大的推力和进行不同方向的调整；玻璃纳米管尺寸小，因此推进器达到的精度高，以实现高精度控制。
附图说明
图1为本发明纳米喷射微型推进器结构示意图；
图2为本发明纳米喷射微型推进器喷射过程离子溶液移动示意图；
图3为本发明纳米喷射微型推进器喷射过程离子溶液移动示意图；
图4为本发明纳米喷射微型推进器喷射离子溶液运动至挡板示意图；
图5为本发明纳米喷射微型推进器进行阵列设计的俯视图。
图中，1为玻璃纳米管、2为离子溶液、3为电压可调式电源、4为连接机构、5为挡板。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1-4所示，一种纳米喷射微型推进器，包括玻璃纳米管1、离子溶液2、电压可调式电源3、连接机构4和挡板5；所述玻璃纳米管1一端设有尖端，离子溶液2设在玻璃纳米管1内，电压可调式电源3一端与纳米玻璃纳米管1的尖端相接，另一端与挡板5相接；挡板5设在纳米玻璃纳米管1的尖端外侧，挡板5通过连接结构与玻璃纳米管1外壁相接；玻璃纳米管1为硅酸盐纳米管；玻璃纳米管1直径为20nm；挡板5为倾斜接地挡板；挡板5为金属基复合材料；离子溶液2为KCL溶液。
一种纳米喷射微型推进器的制备方法：推进器用玻璃纳米管1作喷嘴，玻璃纳米管1采用激光拉制而成，采用激光加热，拉制稳定的纳米尖端，拉制尖端长度为20nm；玻璃纳米管1内注入离子溶液2，采用的离子溶液2为KCL溶液，电压可调式电源3一端与纳米玻璃纳米管1的尖端相接，另一端与挡板5相接；挡板5采用导电性良好的金属基复合材料，作为电源的低电压端，与高压端形成电场。
一种纳米喷射微型推进器的应用：将纳米喷射微型推进器安装在微纳卫星内。
本发明纳米喷射微型推进器用硅酸盐玻璃纳米管1作喷嘴，注入离子溶液2，离子溶液2在压力和毛细作用下运动至玻璃纳米管1末端。在玻璃纳米管1尖端施加电场，离子溶液2在电场的作用下喷出玻璃纳米管1形成射流，并与倾斜挡板(接地板)碰撞产生作用力，使推进器产生推力，推动微纳卫星运动。
本发明离子溶液2先在压力和毛细作用下流动至玻璃纳米管1尖端处，由于尺寸效应，在压力作用下离子溶液2不能喷出纳米管，所以在纳米管底部施加电压，离子溶液2在电压作用下喷出管口，离子溶液2喷射至接地挡板5上产生反作用力，改变微纳卫星的姿态或运动轨迹。纳米管尖端所需电压较小，能量消耗小，这是该推进器的优势之一。
本发明的玻璃纳米管1激光拉制而成，采用激光加热，可拉制稳定的纳米尖端，可拉制尖端长度为20nm。采用的离子溶液2为电解质溶液，挡板5采用导电性良好的金属基复合材料，作为电源的低电压端，以便与高压端形成电场。采用的电源为电压可调式电源3，为离子喷出提供能量。
纳米喷射微型推进器的整个喷射过程如图2-4所示；离子溶液2首先在一定压力和毛细作用的作用下运动至玻璃纳米管1尖端(如图2所示)；由于尺寸效应，需要增大压强才能使离子溶液2继续推进，但会使玻璃纳米管1破裂。所以在纳米管端部提供一个电压，以推动离子溶液2继续运动(如图3所示)；离子溶液2喷出后，在电源所形成的电场作用下运动至挡板5(如图4所示)，离子溶液2和挡板5碰撞后产生反作用力，微纳卫星会在反作用力的作用下运动，从而实现姿态调整或变轨。我们可以根据需要在不同的方位进行安装，以实现不同姿态的调整或不同方向的变轨，也可以进行阵列安装以获得不同的推力范围，从而改善该推进器的机动性。该推进器具有比冲可控，灵活简单，成本低等特点。
实施例2
与实施例1基本相同，所不同的是：玻璃纳米管1直径为100nm；拉制尖端长度为100nm；玻璃纳米管1为石英纳米管。
实施例3
与实施例1基本相同，所不同的是：纳米喷射微型推进器的应用：将纳米喷射微型推进器根据需要安装在微纳卫星内不同的方位。能实现不同姿态的调整或不同方向的变轨。
实施例4
与实施例1基本相同，所不同的是：如图5所示，纳米喷射微型推进器的应用：将两个以上纳米喷射微型推进器进行阵列安装在微纳卫星内。纳米喷射微型推进器在微纳卫星上可以进行阵列安装，以提供更大的推力和进行不同方向的调整。纳米管尺寸小，因此推进器达到的精度高，以实现高精度控制。这些特点对于微纳卫星的控制都是有利的。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米喷射微型推进器，其特征在于：包括玻璃纳米管(1)、离子溶液(2)、电压可调式电源(3)、连接机构(4)和挡板(5)；所述玻璃纳米管(1)一端设有尖端，离子溶液(2)设在玻璃纳米管(1)内，电压可调式电源(3)一端与纳米玻璃纳米管(1)的尖端相接，另一端与挡板(5)相接；挡板(5)设在纳米玻璃纳米管(1)的尖端外侧，挡板(5)通过连接结构与玻璃纳米管(1)外壁相接。
2.如权利要求1所述的纳米喷射微型推进器，其特征在于：所述玻璃纳米管(1)为硅酸盐纳米管或石英纳米管。
3.如权利要求2所述的纳米喷射微型推进器，其特征在于：所述玻璃纳米管(1)直径为20-100nm。
4.如权利要求1所述的纳米喷射微型推进器，其特征在于：所述挡板(5)为倾斜接地挡板。
5.如权利要求3所述的纳米喷射微型推进器，其特征在于：所述挡板(5)为金属基复合材料。
6.如权利要求1-5任意一项所述的纳米喷射微型推进器，其特征在于：所述离子溶液(2)为电解质溶液。
7.权利要求1-6任意一项所述的纳米喷射微型推进器的制备方法，其特征在于：推进器用玻璃纳米管(1)作喷嘴，玻璃纳米管(1)采用激光拉制而成，采用激光加热，拉制稳定的纳米尖端，拉制尖端长度为20-100nm；玻璃纳米管(1)内注入离子溶液(2)，电压可调式电源(3)一端与纳米玻璃纳米管(1)的尖端相接，另一端与挡板(5)相接；挡板(5)采用导电性良好的金属基复合材料，作为电源的低电压端，与高压端形成电场。
8.权利要求1-6任意一项所述的纳米喷射微型推进器的应用，其特征在于：将纳米喷射微型推进器安装在微纳卫星内。
9.如权利要求8所述的纳米喷射微型推进器的应用，其特征在于：将纳米喷射微型推进器根据需要安装在微纳卫星内不同的方位。
10.如权利要求8所述的纳米喷射微型推进器的应用，其特征在于：将两个以上纳米喷射微型推进器进行阵列安装在微纳卫星内。
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