CN108275288B - 无毒双模式微推进系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的无毒双模式微推进系统及其工作方法，包括推力器本体及中和器；功率处理单元，功率处理单元分别与中和器及推力器本体连接；其中推力器本体包括：喷射外壳，喷射外壳分为两个相互独立的喷射外壳发射腔和喷射外壳储存腔；喷射超声振动单元设置在喷射外壳发射腔的下部；喷射静电加速单元设置在喷射外壳发射腔的上部；喷射运输元件的一端伸入喷射外壳储存腔内，喷射运输元件的另一端从喷射外壳储存腔内伸入喷射外壳发射腔内并与喷射超声振动单元连接。本发明的有益效果如下：具有推力在微牛至毫牛量级，比冲在数秒至数百秒，功率小于1瓦至数瓦，可工作在超声喷射和静电喷射两种模式，可调节微牛至毫牛级推力。
Description
技术领域
本发明涉及皮纳卫星用的推力在微牛至毫牛量级，功率在小于1瓦至数瓦量级的无毒微推进系统，特别是无毒双模式微推进系统及其工作方法。
背景技术
发射重量在1千克～10千克的皮纳卫星近年来发射数量快速增加，性能不断提升，但是大多皮纳卫星没有推进系统，导致其空间机动能力差、寿命短、功能、性能大幅受限，且寿命末期无法离轨而成为太空垃圾，不利于空间环境。
皮纳卫星功率一般在瓦量级，姿态控制、轨道转移等任务所需的推力一般为微牛至毫牛量级。
目前卫星采用的常规化学推进系统、电推进系统均需要耐压贮箱、阀门、压力传感器和管路等组成的推进剂供应系统，系统复杂，且推力一般在牛量级，小型化较为困难。化学推进系统常用的肼、四氧化二氮、一甲基肼等推进剂存在较大毒性，不利于使用维护和环境保护。常规的霍尔、离子电推进系统功率一般在百瓦至千瓦量级，很难小型化到瓦量级，或到瓦量级后推力器性能很差，导致工程上难以使用。电推进常用的氙气推进剂虽然无毒，但价格昂贵，一定程度上限制了其应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种结构简单、尺寸小、推进剂无毒、功率低、推力在微牛至毫牛级的无毒双模式微推进系统及其工作方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的无毒双模式微推进系统，包括推力器本体及中和器；
功率处理单元，功率处理单元分别与中和器及推力器本体连接；其中
推力器本体包括：
喷射外壳，喷射外壳分为两个相互独立的喷射外壳发射腔和喷射外壳储存腔；
喷射超声振动单元，喷射超声振动单元设置在喷射外壳发射腔的下部；
喷射静电加速单元，喷射静电加速单元设置在喷射外壳发射腔的上部；
喷射运输元件，喷射运输元件的一端伸入喷射外壳储存腔内，喷射运输元件的另一端从喷射外壳储存腔内伸入喷射外壳发射腔内并与喷射超声振动单元连接。
优选地，喷射静电加速单元包括喷射引出极，喷射引出极设置在喷射外壳发射腔的上部。
优选地，喷射静电加速单元包括：
喷射引出极，喷射引出极设置在喷射外壳发射腔的上部；
喷射加速极，喷射加速极设置在喷射外壳发射腔的上部，喷射加速极与喷射引出极间隔设置，喷射加速极相对于喷射引出极更靠近喷射外壳发射腔的上部。
优选地，中和器包括中和器栅极和碳纳米管发射体，中和器栅极与中和器电源的正极连接。
优选地，中和器包括：中和外壳，中和外壳分为两个相互独立的中和外壳发射腔和中和外壳储存腔；
中和超声振动单元，中和超声振动单元设置在中和外壳发射腔的下部；
中和静电加速单元，中和静电加速单元设置在中和外壳发射腔的上部；
中和运输元件，中和运输元件的一端伸入中和外壳储存腔内，中和运输元件的另一端从中和外壳储存腔内伸入中和外壳发射腔内并与中和超声振动单元连接。
优选地，中和静电加速单元包括：
中和引出极，中和引出极设置在中和超声振动单元的上方；
中和加速极，中和加速极设置在中和超声振动单元的上方，中和加速极与中和引出极间隔设置，中和加速极相对于中和引出极更靠近中和外壳发射腔的上部。
优选地，喷射超声振动单元包括：
喷射超声振动片，喷射超声振动片设置在喷射外壳发射腔的下部；
喷射栅网，喷射栅网设置在喷射超声振动片上，喷射运输元件的另一端从喷射外壳储存腔内伸入喷射外壳发射腔内并与喷射栅网连接；
中和超声振动单元包括：
中和超声振动片，中和超声振动片设置在中和外壳发射腔的下部；
中和栅网，中和栅网设置在中和超声振动片上，中和运输元件的另一端从中和外壳储存腔内伸入中和外壳发射腔内并与中和栅网连接；其中
在喷射栅网及中和栅网上设有多个栅孔，栅孔为圆台形。
无毒双模式微推进系统的工作方法，包括如下步骤：
当接收到工作命令时，查询与工作命令相匹配的目标工作模式；
根据工作命令从当前工作模式切换至目标工作模式；其中
工作命令至少包括推力值及功率值；
若当前工作模式为超声喷射模式时，则目标工作模式为静电喷射模式；
若当前工作模式为静电喷射模式时，则目标工作模式为超声喷射模式。
优选地，超声喷射模式包括推力器本体超声喷射模式及中和器超声喷射模式；其中
推力器本体超声喷射模式包括如下步骤：
喷射外壳储存腔中的推进剂输送至喷射栅网；
推进剂在喷射超声振动片的带动下从喷射栅网的栅孔中通过，形成柱流；
柱流在喷射超声振动片的带动下在顶端形成液滴，液滴通过喷射超声振动片的振动加速并喷出；
中和器超声喷射模式包括如下步骤：
中和外壳储存腔中的推进剂输送至中和栅网；
推进剂在中和超声振动片的带动下从中和栅网的栅孔中通过，形成柱流；
柱流在中和超声振动片的带动下在顶端形成液滴，液滴通过中和超声振动片的振动加速并喷出。
优选地，静电喷射模式包括推力器本体静电喷射模式及中和器静电喷射模式；其中
推力器本体静电喷射模式包括如下步骤：
喷射外壳储存腔中的推进剂输送至喷射栅网；
推进剂在喷射静电振动片的带动下从喷射栅网的栅孔中通过，形成柱流；
柱流在喷射静电振动片的带动下在顶端形成液滴，液滴通过喷射静电振动片的振动加速并喷出；
喷出的液滴经过喷射静电加速单元负上电荷并加速喷出；
中和器静电喷射模式包括如下步骤：
中和外壳储存腔中的推进剂输送至中和栅网；
推进剂在中和静电振动片的带动下从中和栅网的栅孔中通过，形成柱流；
柱流在中和静电振动片的带动下在顶端形成液滴，液滴通过中和静电振动片的振动加速并喷出；
喷出的液滴经过中和静电加速单元负上电荷并加速喷出。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：具有推力在微牛至毫牛量级，比冲在数秒至数百秒，功率小于1瓦至数瓦，结构简单，重量轻，不需要阀门、耐压贮箱、压力传感器，可工作在超声喷射和静电喷射两种模式，且可实现较大范围调节的微牛至毫牛级推力等优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明无毒双模式微推进系统实施例一结构示意图；
图2为本发明无毒双模式微推进系统超声喷射模式示意图；
图3为本发明无毒双模式微推进系统喷射超声振动单元剖面结构示意图；
图4为本发明无毒双模式微推进系统中和超声振动单元剖面结构示意图；
图5为本发明无毒双模式微推进系统喷射超声振动单元产生液滴示意图；
图6为本发明无毒双模式微推进系统中和超声振动单元产生液滴示意图；
图7为本发明无毒双模式微推进系统一个超声振动周期内从栅孔处产生一个液滴示意图；
图8为本发明无毒双模式微推进系统静电喷射模式示意图；
图9为本发明无毒双模式微推进系统实施例一原理图；
图10为本发明无毒双模式微推进系统实施例二原理图；
图11为本发明无毒双模式微推进系统实施例二推动卫星加速示意加速原理图；
图12为本发明无毒双模式微推进系统实施例二推动卫星加速示意加速示意图；
图13为本发明无毒双模式微推进系统实施例二使卫星顺时针旋转示意图；
图14为本发明无毒双模式微推进系统实施例二使卫星逆时针旋转示意图；
图15为本发明无毒双模式微推进系统实施例三原理图。
图中：
1-推力器本体 2-中和器 3-功率处理单元
4-喷射外壳 5-喷射超声振动单元 6-喷射静电加速单元
7-喷射运输元件 8-喷射引出极 9-喷射引出电源
10-喷射超声驱动电源 11-中和器电源 12-喷射加速极
13-喷射加速电源 14-中和器栅极 15-碳纳米管发射体
16-中和外壳 17-中和超声振动单元 18-中和静电加速单元
19-中和运输元件 20-中和引出极 21-中和加速极
22-中和引出电源 23-中和加速电源 24-中和超声驱动电源
25-喷射超声振动片 26-喷射栅网 27-中和超声振动片
28-中和栅网 29-栅孔 30-带电束流
31-正束流 32-负束流 33-中和束流
34-推进剂液柱 35-推进剂液滴 36-推进剂
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例一
本发明无毒双模式微推进系统，推力器本体1直径20mm，采用180kHz频率的喷射超声振动单元5，直径15mm，喷射栅网26直径15mm，中心处分布着320个顶部直径2μm，底部直径30μm的锥型栅孔29，栅孔29距离0.13mm。推进剂36采用EMI-Im(1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺)离子液体，贮存量30ml，喷射外壳4由聚醚醚酮制成。喷射运输元件7由纤维制成。中和器2采用不需要推进剂的碳纳米管场发射中和器，直径15mm，采用碳纳米管发射体15发射电子，由中和器栅极14加一定电压即可引出电子。功率处理单元3由喷射超声驱动电源10、喷射引出电源9、喷射加速电源13和中和器电源11等模块组成。
液滴35的产生方式：喷射栅网26或中和栅网28向上运动，带动推进剂液柱34向上运动，喷射栅网26或中和栅网28运动到最高处，推进剂液柱34由于惯性继续向上运动，顶端感应出电荷，喷射栅网26或中和栅网28向下运动，推进剂液柱34顶端分离出带电液滴35，带电液滴35在电场下加速喷出，喷射栅网26或中和栅网28运动到最低处，带动推进剂液柱34向下运动，分离出液滴35。
超声喷射模式时，喷射静电加速单元6不加电压，中和器2不工作，只通过喷射超声振动片25产生1微米～2微米量级直径的液滴，功率处理单元3中只需喷射超声驱动电源10工作，此时推力约为80μN，功率可小于1W。
静电喷射模式时，喷射超声振动单元5的喷射栅网26和碳纳米管中和器2的碳纳米管发射体15接地，喷射引出极8与喷射引出电源9连接、加负电，喷射加速极12与喷射加速电源13连接、在喷射引出极8的基础上再加负电压。中和器栅极14与中和器电源11连接、加正电压。该模式下推力器本体1产生正带电液滴并形成带电束流30喷出，中和器2喷出包括中和电子的中和束流33进行中和。根据喷射静电加速单元6电压的不同，推力器本体1的带电束流30喷出速度不同，电压越高，喷出速度越快，从而推力、比冲越大。此时推力达100μN～500μN，比冲达到数十至数百秒，功率为数瓦。功率处理单元3中的喷射超声驱动电源10、喷射引出电源9、喷射加速电源13和中和器电源11等模块均工作。
实施例二
本发明无毒双模式微推进系统，推力器本体1与中和器2采用结构相同的模块。中和器2的中和外壳16直径20mm，采用180kHz频率的中和超声振动单元17，直径15mm，中和栅网28直径15mm，中心处分布着320个顶部直径2μm，底部直径30μm的锥型栅孔29，栅孔29距离0.13mm。推进剂36采用EMI-Im(1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺)离子液体，贮存量30ml，通过。中和外壳16由聚醚醚酮制成。中和运输元件19由纤维制成。中和静电加速单元18由中和引出极20与中和加速极21组成。
推力器本体1与中和器2一个喷射正束流31，一个喷射负束流32，采用相同的导电液体推进剂，可采用EMI-Im(1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺)、EMI-BF4(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)等离子液体，也可采用加入了氯化铝的甲酰胺溶液等。
功率处理单元3由用于正束流31的喷射超声驱动电源10、喷射引出电源9、喷射加速电源13和用于负束流32的与中和超声振动片27连接的中和超声驱动电源24、与中和引出极20连接的中和引出电源22、与中和加速极21连接的中和加速电源23等模块组成。两者的加速极共地，喷射超声振动单元5和中和超声振动单元17以相同频率、相同波形和电压的驱动电压工作。
两者均可工作在超声喷射模式和静电喷射模式。超声喷射模式工作时，两者可同时工作，可也单独工作。两者同时工作时，推动卫星向推力器喷射束流的相反方向加速，示意图见图9。由于两者一般对称安装在卫星上，只有一个方工作时，可提供旋转力矩，从而控制卫星姿态。如图10中，正束流31工作，使卫星顺时针旋转，图11中，负束流32工作，使卫星逆时针旋转。静电喷射模式时，正束流31和负束流32在产生推力的同时实现中和。该推力器功率在数瓦，推力在百微牛至毫牛量级，比冲在数十秒至数百秒。
实施例三
本发明无毒双模式微推进系统，推力器本体1的静电加速栅极只采用一个喷射引出极8，喷射引出极8兼顾带电粒子加速功能，相应功率处理单元3由喷射超声驱动电源10、喷射引出电源9和中和器电源11灯模块组成。推力器本体1以静电喷射模式工作时，喷射引出极8加负电，喷射的粒子为带正电液滴，液滴由喷射引出极8和喷射栅网26形成的静电场加速喷出，产生推力。中和器2喷出中和束流33进行中和。根据喷射引出极8电压的不同，本体束流喷出速度不同，电压越高，喷出速度越快，从而推力、比冲越大。此时推力达100μN～500μN，比冲达到数十至数百秒，功率为数瓦。该实施方式引出极电压在一定程度上受限。因此带电液滴喷出速度要低于采用加速极时的方案，但是推力器本体1和功率处理单元3较为简单，更适用于尺寸、重量要求严格的使用场合。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.无毒双模式微推进系统，其特征在于，包括：
推力器本体及中和器；
功率处理单元，功率处理单元分别与中和器及推力器本体连接；其中
推力器本体包括：
喷射外壳，喷射外壳分为两个相互独立的喷射外壳发射腔和喷射外壳储存腔；
喷射超声振动单元，喷射超声振动单元设置在喷射外壳发射腔的下部；
喷射静电加速单元，喷射静电加速单元设置在喷射外壳发射腔的上部；
喷射运输元件，喷射运输元件的一端伸入喷射外壳储存腔内，喷射运输元件的另一端从喷射外壳储存腔内伸入喷射外壳发射腔内并与喷射超声振动单元连接。
2.根据权利要求1所述的无毒双模式微推进系统，其特征在于，喷射静电加速单元包括喷射引出极，喷射引出极设置在喷射外壳发射腔的上部。
3.根据权利要求1所述的无毒双模式微推进系统，其特征在于，喷射静电加速单元包括：
喷射引出极，喷射引出极设置在喷射外壳发射腔的上部；
喷射加速极，喷射加速极设置在喷射外壳发射腔的上部，喷射加速极与喷射引出极间隔设置，喷射加速极相对于喷射引出极更靠近喷射外壳发射腔的上部。
4.根据权利要求2或3所述的无毒双模式微推进系统，其特征在于，中和器包括中和器栅极和碳纳米管发射体，中和器栅极与中和器电源的正极连接。
5.根据权利要求3所述的无毒双模式微推进系统，其特征在于，中和器包括：中和外壳，中和外壳分为两个相互独立的中和外壳发射腔和中和外壳储存腔；
中和超声振动单元，中和超声振动单元设置在中和外壳发射腔的下部；
中和静电加速单元，中和静电加速单元设置在中和外壳发射腔的上部；
中和运输元件，中和运输元件的一端伸入中和外壳储存腔内，中和运输元件的另一端从中和外壳储存腔内伸入中和外壳发射腔内并与中和超声振动单元连接。
6.根据权利要求5所述的无毒双模式微推进系统，其特征在于，中和静电加速单元包括：
中和引出极，中和引出极设置在中和超声振动单元的上方；
中和加速极，中和加速极设置在中和超声振动单元的上方，中和加速极与中和引出极间隔设置，中和加速极相对于中和引出极更靠近中和外壳发射腔的上部。
7.根据权利要求1所述的无毒双模式微推进系统，其特征在于，喷射超声振动单元包括：
喷射超声振动片，喷射超声振动片设置在喷射外壳发射腔的下部；
喷射栅网，喷射栅网设置在喷射超声振动片上，喷射运输元件的另一端从喷射外壳储存腔内伸入喷射外壳发射腔内并与喷射栅网连接；
中和超声振动单元包括：
中和超声振动片，中和超声振动片设置在中和外壳发射腔的下部；
中和栅网，中和栅网设置在中和超声振动片上，中和运输元件的另一端从中和外壳储存腔内伸入中和外壳发射腔内并与中和栅网连接；其中
在喷射栅网及中和栅网上设有多个栅孔，栅孔为圆台形。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的无毒双模式微推进系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
当接收到工作命令时，查询与工作命令相匹配的目标工作模式；
根据工作命令从当前工作模式切换至目标工作模式；其中
工作命令至少包括推力值及功率值；
若当前工作模式为超声喷射模式时，则目标工作模式为静电喷射模式；
若当前工作模式为静电喷射模式时，则目标工作模式为超声喷射模式。
9.根据权利要求8所述的无毒双模式微推进系统的工作方法，其特征在于，超声喷射模式包括推力器本体超声喷射模式及中和器超声喷射模式；其中
推力器本体超声喷射模式包括如下步骤：
喷射外壳储存腔中的推进剂输送至喷射栅网；
推进剂在喷射超声振动片的带动下从喷射栅网的栅孔中通过，形成柱流；
柱流在喷射超声振动片的带动下在顶端形成液滴，液滴通过喷射超声振动片的振动加速并喷出；
中和器超声喷射模式包括如下步骤：
中和外壳储存腔中的推进剂输送至中和栅网；
推进剂在中和超声振动片的带动下从中和栅网的栅孔中通过，形成柱流；
柱流在中和超声振动片的带动下在顶端形成液滴，液滴通过中和超声振动片的振动加速并喷出。
10.根据权利要求9所述的无毒双模式微推进系统的工作方法，其特征在于，静电喷射模式包括推力器本体静电喷射模式及中和器静电喷射模式；其中
推力器本体静电喷射模式包括如下步骤：
喷射外壳储存腔中的推进剂输送至喷射栅网；
推进剂在喷射静电振动片的带动下从喷射栅网的栅孔中通过，形成柱流；
柱流在喷射静电振动片的带动下在顶端形成液滴，液滴通过喷射静电振动片的振动加速并喷出；
喷出的液滴经过喷射静电加速单元负上电荷并加速喷出；
中和器静电喷射模式包括如下步骤：
中和外壳储存腔中的推进剂输送至中和栅网；
推进剂在中和静电振动片的带动下从中和栅网的栅孔中通过，形成柱流；
柱流在中和静电振动片的带动下在顶端形成液滴，液滴通过中和静电振动片的振动加速并喷出；
喷出的液滴经过中和静电加速单元负上电荷并加速喷出。
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