CN109204888A - 一种场聚焦效应的电推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种场聚焦效应的电推进装置，属于卫星推进领域，解决了现有技术中推进效率低的问题。包括：栅极、第一支撑、场聚焦极、第二支撑、发射极、基底；发射极上设有发射锥，场聚焦极设置在发射锥的尖端，且不与发射锥的尖端接触；栅极设置在发射锥尖端方向，且栅极与发射锥之间留有距离；栅极通过第一支撑与基底连接，场聚焦极通过第二支撑与基底连接；场聚焦极和栅极对应发射锥的位置均设有形状和尺寸相同的通孔；栅极与发射极之间设有电位差，发射极和场聚焦极之间无电位差；发射极为多孔材料，孔中填充推进剂。本发明通过场聚焦极能够有效降低羽流发散程度，减小羽流发散带来的推力损失。

Description

一种场聚焦效应的电推进装置

技术领域

本发明涉及卫星推进技术领域，尤其涉及一种场聚焦效应的电推进装置。

背景技术

在当前微卫星推进领域，为了增强卫星的轨道能力，提出了一种电喷推进装置。该装置由一种阵列化的微型发射锥体和栅极(或称为加速极)构成，锥体是一种多孔材料，在发射锥体与栅极之间施加高压静电场，锥体内部的推进剂由于高压静电场的作用，在锥尖处被电离并加速，进而产生推力。该装置存在的问题是由于锥尖处高强电场对所产生的离子束流存在一种场发散效应，导致羽流发散角过大，进而导致推力损失，降低推进效率。为了减少羽流发散带来的效率降低的问题，并提高比冲，采用了吸取极与加速极两层栅极，该装置需要设置两套电路，一组用来使推进剂电离拉出，一组用来加速电离后的离子，整个电路较为复杂，控制难度较大，而且发射极、吸极、栅极之间多个电势容易发生飞弧造成装置损坏。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种场聚焦效应的电推进装置，用以解决现有电推进羽流角过大导致的推力损失问题的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案中，一种场聚焦效应的电推进装置，电推进装置包括：栅极、第一支撑、场聚焦极、第二支撑、发射极、基底；

发射极上设有发射锥，场聚焦极设置在发射锥的尖端，且不与发射锥的尖端接触；栅极设置在发射锥尖端方向，且栅极与发射锥之间留有距离；

栅极通过第一支撑与基底连接，场聚焦极通过第二支撑与基底连接；

场聚焦极和栅极对应发射锥的位置均设有形状和尺寸相同的通孔；栅极与发射极之间设有电位差，发射极和场聚焦极之间无电位差；发射极为多孔材料，孔中填充推进剂。

本发明技术方案中，栅极、第一支撑、场聚焦极、第二支撑和发射极均设置在基底的同一侧；

发射锥设有多个，且在发射极上呈圆形或正多边形阵列。

本发明技术方案中，基底未与第一支撑连接的一侧设有存储腔；存储腔内存有推进剂。

本发明技术方案中，场聚焦效应的电推进装置还设有推进剂通道，推进剂通道贯穿存储腔的腔壁和基底；

存储腔内的推进剂能够通过推进剂通道补充进入发射极的多孔材料的孔中。

本发明技术方案中，场聚焦效应的电推进装置还设有电源，电源的一端与栅极连接，另一端与场聚焦极和发射极均连接。

本发明技术方案中，场聚焦极和第二支撑为一体结构，且通过钣金方法制成。

本发明技术方案中，场聚焦效应的电推进装置还包括子基底；子基底设置在基底上，且第二支撑通过子基底与基底连接；推进剂通道贯穿子基底。

本发明技术方案中，第一支撑为绝缘材料制成。

本发明技术方案中，场聚焦极为金属材料制成；

或，场聚焦极为硅基材料或玻璃材料制成，且场聚焦极的表面镀有金属层。

本发明技术方案中，场聚焦极的厚度为0.04～0.2mm；

场聚焦极的通孔的直径为0.15～0.5mm；

发射锥的尖端穿出场聚焦极的距离为+0.1mm～-0.5mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：

1、本发明通过设置场聚焦极来调整发射锥尖端至栅极之间的电场，从而使发射锥电离后的推进剂更加汇聚，明显削弱了场发散效应对推进力的损耗；

2、本发明设置的场聚焦极与发射极采用相同的电位，整个装置只需要一组电路进行控制，简化了控制电路的复杂程度，有利于整个装置的集成化设计；

3、本发明的发射极和栅极之间采用多组绝缘部件连接，能够有效的减弱由于表面飞弧导致的绝缘问题。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的电路原理示意图；

图3为现有技术的测试图；

图4为本发明实施例的测试图。

附图标记：

1-栅极、2-第一支撑、3-第二支撑、4-场聚焦极、5-发射极、6-子基底、7-存储腔、8-基底、9-电源。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

电推进装置是一种阵列化的微型发射锥体和栅极1(或加速极)，在发射锥体与栅极1之间施加高压静电场，锥体内部的推进剂由于高压静电场的作用，在锥尖处被电离并加速朝反方向射出，造成反推力，使电推进装置前进，但是由于要在栅极1上留出电离的推进剂的发射孔洞，因此，会造成电场发散，使离子散射，而影响推力，降低推进效率。

如图1所示，本发明实施例提供了一种场聚焦效应的电推进装置，电推进装置包括：栅极1、第一支撑2、场聚焦极4、第二支撑3、发射极5、基底8；发射极5上设有发射锥，场聚焦极4设置在发射锥的尖端，大致平齐即可，且不与发射锥的尖端接触，通过设置场聚焦极4，来削弱电场的发散现象，进而使电离后的离子能够更加聚拢的射出，从而提高推力的转化效率，也能够节省能源。栅极1设置在发射锥尖端方向，且栅极1与发射锥之间留有距离，推进剂在发射锥尖端电离，同时受到聚焦后的栅极1和发射极5之间的电场作用并加速，朝电推进装置前进方向的反方向射出，进而使电推进装置运动。栅极1通过第一支撑2与基底8连接，场聚焦极4通过第二支撑3与基底8连接，本发明实施例通过多个连接件固定，有利于防止绝缘部件的表面飞弧效应。场聚焦极4和栅极1对应发射锥的位置均设有形状和尺寸相同的通孔，保证电离后离子能够顺利的射出。栅极1与发射极5之间设有电位差，发射极5和场聚焦极4之间无电位差，不仅能够保证较好的电场聚焦效果，还能简化供电电路。发射极5为多孔材料，孔中填充推进剂，利用毛细现象可以将推进剂从推进剂的储藏容器中吸出不断进行电离，保持电推进装置的不断运行，类似于钢笔的出水原理。

考虑到本发明实施例常常用于微机电领域，需要保证结构的紧凑程度，以进行微机电设计，因此本发明实施例中，栅极1、第一支撑2、场聚焦极4、第二支撑3和发射极5均设置在基底8的同一侧。而单个发射锥的推力有限，因此发射锥设有多个，且在发射极5上呈圆形或正多边形阵列。

推进剂是属于消耗性的，因此需要不断的向发射极5补充推进剂，考虑到电推进装置往往需要远距离移动或控制，设置存储装置是最合理的选择，而本发明实施例中，栅极1、第一支撑2、场聚焦极4、第二支撑3和发射极5均设置在基底8的同一侧，所以本发明实施例中，基底8未与第一支撑2连接的一侧设有存储腔7；存储腔7内存有推进剂。

为了使存储腔7内的推进剂能够顺利的进入到发射极5中，本发明实施例中，场聚焦效应的电推进装置还设有推进剂通道，推进剂通道贯穿存储腔7的腔壁和基底8；存储腔7内的推进剂能够通过推进剂通道补充进入发射极5的多孔材料的孔中。推进剂不断在发射极5电离发射，存储腔7内的推进剂不断补充到发射极5中，从而使推进剂不断的反向喷射，电推进装置能够不断地正向推进。

如图2所示，作为电推进剂的电能来源，本发明实施例中，场聚焦效应的电推进装置还设有电源9，电源9的一端与栅极1连接，另一端与场聚焦极4和发射极5均连接。本发明实施例设置了场聚焦极4来调整电场，进而直接将推进剂电离、电场聚焦和离子加速使用同一个电源9来进行供电，只需要设置一套供电电路，而现有技术中，因为电离和加速的电压需求难以统一，通常将电离和加速设置为两个电路，不仅降低了效率还增加了电路的复杂程度。

考虑到生产制造的难易程度，本发明实施例中，场聚焦极4和第二支撑3为一体结构，且通过钣金方法制成。非一体结构会增加零部件的个数和零部件的固定难度，影响整个装置的结构稳定性。

为了防止场聚焦极4、栅极1和发射极5之间发生表面飞弧现象而降低电能的利用率，本发明实施例中，场聚焦效应的电推进装置还包括子基底6；子基底6设置在基底8上，且第二支撑3通过子基底6与基底8连接；推进剂通道贯穿子基底6。多个绝缘部件能够有效的缓解发生表面飞弧的绝缘问题，保证本发明实施例能够稳定的工作。基于以上原因，本发明实施例中，第一支撑2为绝缘材料制成。

为了提高场聚焦极4的电场汇聚效果，本发明实施例中，场聚焦极4为金属材料制成；或者，场聚焦极4为硅基材料或玻璃材料制成，且场聚焦极4的表面镀有金属层。

考虑到本发明实施例通常适用于毫米级的微机电装置中，本发明实施例中，场聚焦极4的厚度为0.04～0.2mm；场聚焦极4的通孔的直径为0.15～0.5mm；发射锥的尖端穿出场聚焦极4的距离为+0.1mm～-0.5mm。

对基于上述尺寸参数的本发明实施例进行电场和离子运动的仿真计算，结果如图3、图4所示。图3中，灰色为现有技术的装置，从左至右依次为发射极5、发射锥和栅极1，灰色线为电场线，黑色线为离子发射的轨迹线，可以明显看出发射锥尖端的电场线比较弯曲，而且离子发射后运动相对比较发散，有一部分离子直接打到了栅极1上，很明显会影响推进的转化效率。图4中，灰色为本发明实施例的装置，从左至右依次为发射极5、发射锥、场聚焦极4和栅极1，灰色线为电场线，黑色线为离子发射后运动轨迹线，可以明显看出，发射锥尖端到栅极1之间的电场比较均匀，能够使电离后的离子几乎垂直的朝向栅极1发射，并且几乎没有打到栅极1上的离子，都能够从栅极1上的与发射锥对应的空洞中射出，明显的提高了推进的转化效率。

综上所述，本发明实施例提供了一种场聚焦效应的电推进装置，本发明通过设置场聚焦极4来调整发射锥尖端至栅极1之间的电场，从而使发射锥电离后的推进剂更加汇聚，明显削弱了场发散效应对推进力的损耗；本发明设置的场聚焦极4与发射极5采用相同的电位，整个装置只需要一组电路进行控制，简化了控制电路的复杂程度，有利于整个装置的集成化设计；本发明的发射极5和栅极1之间采用多组绝缘部件连接，能够有效的减弱由于表面飞弧导致的绝缘问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种场聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述电推进装置包括：栅极(1)、第一支撑(2)、场聚焦极(4)、第二支撑(3)、发射极(5)、基底(8)；

所述发射极(5)上设有发射锥，所述场聚焦极(4)设置在所述发射锥的尖端，且不与所述发射锥的尖端接触；所述栅极(1)设置在所述发射锥尖端方向，且所述栅极(1)与发射锥之间留有间隙；

所述栅极(1)通过所述第一支撑(2)与所述基底(8)连接，所述场聚焦极(4)通过所述第二支撑(3)与所述基底(8)连接；

所述场聚焦极(4)和栅极(1)对应所述发射锥的位置均设有形状和尺寸相同的通孔；所述栅极(1)与发射极(5)之间设有电位差，所述发射极(5)和场聚焦极(4)之间无电位差；所述发射极(5)为多孔材料，孔中填充推进剂。

2.根据权利要求1所述的场聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述栅极(1)、第一支撑(2)、场聚焦极(4)、第二支撑(3)和发射极(5)均设置在所述基底(8)的同一侧；

所述发射锥设有多个，且在所述发射极(5)上呈圆形或正多边形阵列。

3.根据权利要求1所述的场聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述基底(8)未与第一支撑(2)连接的一侧设有存储腔(7)；所述存储腔(7)内存有推进剂。

4.根据权利要求3所述的场聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述场聚焦效应的电推进装置还设有推进剂通道，所述推进剂通道贯穿所述存储腔(7)的腔壁和所述基底(8)；

所述存储腔(7)内的推进剂能够通过推进剂通道补充进入所述发射极(5)的多孔材料的孔中。

5.根据权利要求4所述的场聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述场聚焦效应的电推进装置还设有电源(9)，所述电源(9)的一端与所述栅极(1)连接，另一端与所述场聚焦极(4)和发射极(5)均连接。

6.根据权利要求5所述的场聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述场聚焦极(4)和第二支撑(3)为一体结构，且通过钣金方法制成。

7.根据权利要求1至6所述的场聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述场聚焦效应的电推进装置还包括子基底(6)；所述子基底(6)设置在所述基底(8)上，且所述第二支撑(3)通过所述子基底(6)与所述基底(8)连接；所述推进剂通道贯穿所述子基底(6)。

8.根据权利要求7所述的聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述第一支撑(2)为绝缘材料制成。

9.根据权利要求7所述的聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述场聚焦极(4)为金属材料制成；

或，所述场聚焦极(4)为硅基材料或玻璃材料制成，且所述场聚焦极(4)的表面镀有金属层。

10.根据权利要求8或9所述的聚焦效应的电推进装置，其特征在于，所述场聚焦极(4)的厚度为0.04～0.2mm；

所述场聚焦极(4)的通孔的直径为0.15～0.5mm；

所述发射锥的尖端穿出所述场聚焦极(4)的距离为+0.1mm～-0.5mm。