CN112937921A - 一种基于电控的静电式推力器及其电极板 - Google Patents
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Abstract
本发明属于推进器领域，尤其涉及一种基于电控的静电式推力器及其电极板。本发明的静电式推力器主要包括外壳、电极板、储液腔、固定框，所述储液腔顶端外部设置有发射部件，所述电极板包括在其上均匀分布的电极板孔，在该电极板厚度方向上，所述电极板孔具有相互连通的变孔径和直孔径，避免现有技术中带电离子因紊乱电场而产生轨道偏移而直接撞击至电极板上所带来的能量损失，减少了对电极板的腐蚀，也增加了带电离子的合推力。同时，本发明在变孔径和直孔过渡区域设计为圆弧过渡，减少了附加电场对带电离子的轨道偏移，避免已进入电极板孔的带电离子因附加电场而无法逃离电极板孔所带来的带电离子损失。
Description
技术领域
本发明属于推进器领域，尤其涉及一种基于电控的静电式推力器，以及包括所述静电式推力器的应用。
背景技术
离子液体电推进器属于一种胶体电推进器，使用离子液体作为推进剂。离子液体是指室温熔融盐，即纯粹由阴离子和阳离子构成的液体，通过组合不同的阴阳离子，可广泛应用于捕获和再利用燃料脱硫、燃料电池、电镀金属等。
离子液体普遍具有高电导率、可忽略蒸汽压、低表面张力、宽液态温度范围的特性，作为电推进器的推进剂时，其高电导率使得其具有较高的发射电流，从而具备更高的推力；而蒸汽压可忽略和保持液态的特点使得推进剂的存储和补给变得更简单，低表面张力使ILT（离子液体电推进器）相比FEEP（场效应电推进器）和普通胶体推进器具备更低的启动电压，离子液体相比普通胶体推进器更易达到纯离子发射模式，使得比冲远高于后者，推进剂的利用效率更高。
现有的离子液体电推进器中，从发射锥尖端被电场吸引出的微量液滴由于复杂电场作用，而容易撞击到电极板上，进而无法穿过电极板上的通孔，导致带电微量液滴的损失，如公开号为CN110230582A的专利申请，其一方面大大降低了推进速度，浪费了推进能量，另一方面也使电极板因附着过多带电液滴而发生腐蚀和电场紊乱的不良效果，进一步降低了推进器的使用寿命。
本发明设计一种基于电控的静电式推力器，以及包括所述静电式推力器的应用来解决如上问题。
发明内容
为解决现有技术中的上述缺陷，本发明采用以下技术方案来实现。
一种用于离子液体电推进器的电极板，该电极板包括多个均匀分布的大致呈圆形的通孔，所述每个通孔在电极板厚度方向上包括多个区段，该多个区段依次连通且各个区段的平均孔径和/或外轮廓曲线均不同，以使从通孔外发射的离子液体在被加速的过程中穿过该通孔。
作为本技术的进一步改进，所述区段至少包括第一、第二和第三区段，所述离子液体依次经过第一、第二和第三区段以穿过该通孔；在离子液体行进方向上，所述第一区段孔径呈线性递减，所述第三区段孔径不变，所述第二区段的外径轮廓线为弧形，其与所述第一、第三区段分别在轮廓连接处相切。
作为本技术的进一步改进，在沿所述通孔中轴线的纵剖面上，所述第一区段外轮廓线与所述中轴线夹角为γ，且γ∈(75°,90°)。
本发明还包括一种基于电控的静电式推力器，该推力器包括上述电极板、外壳、储液腔、固定框，所述储液腔顶端外部设置有离子组件，该离子组件包括在平面上均匀分布的尖端，该尖端的尖部延长线与所述电极板通孔中轴线基本共线；所述离子组件外接正电极，所述电极板外接负电极或接地，所述离子液体浸透所述尖端并沿尖端的尖部延长线喷出，在所述离子组件与电极板所形成的电势差作用下，被喷出的所述离子液体基本沿电场线方向加速，并高速穿过所述电极板通孔以产生强推力，所述加速度为α0。
作为本技术的进一步改进，所述电极板外接负电极时，其与所述离子组件之间的电势差是实时变化的。
作为本技术的进一步改进，所述电势差以一定频率呈现脉冲式增大，使得其相对于初始电势差具有附加电场，其对所述离子液体产生附加加速度α′，在该附加电场作用下，所述离子液体的加速度呈现脉冲式递增，使得合加速度为α0+α′，其中，所述初始电势差为推力器初始启动时，所述离子组件与电极板之间的电势差。
作为本技术的进一步改进，所述脉冲式递增即随着时间的推移，所述离子液体在上一脉冲至当前脉冲时，其加速度值从α0开始突增，在当前脉冲结束并在下一脉冲开始时，其加速度值从α0+α′开始突降至α0，并依次重复循环所述脉冲。
本发明具有如下有益效果：
1、在现有技术的直通孔边缘线所产生的干扰电场作用下，由于离子液滴在多种电场作用下会直线偏移或者呈螺旋线盘旋直至到达所述电极板，多数液滴会撞击至电极板而无法穿过所述通孔。本发明电极板通孔包括至少三个区段，并且第一区段在离子液滴行进方向上的孔径线性递减，增大了离子液滴进入所述通孔处的孔径，避免了因孔径尺寸过小而导致液滴撞击至电极板，增大了带电液滴的捕获范围，减少了液滴撞击到电极板的数量，进而也增加了推进速度。
2、由于离子液滴通常会沿电场线行进，因而在通孔内的不同孔径的区段交界处会存在不必要的电场线而对行进中的穿入通孔内的离子液滴形成干扰，使其容易撞击至通孔内壁而产生离子液滴的损失，并且也使通孔内因附着大量离子液滴而产生腐蚀与电势中和，降低了推进效率与推进器的使用寿命；本发明在不同孔径的相邻区段设置弧形过渡，以避免在该区域产生附加电场而使离子液滴撞击到所述通孔内壁，减少了离子液滴的损失，也增加了推进效率与推进器的使用寿命。
3、本发明在离子组件与电极板所存在的电势差的基础上，在离子组件与电极板之间增设附加电场以产生另一变化的呈现为脉冲式增加的电势差，使得离子液滴在行进的过程中，其加速度也会产生脉冲式增加，加快了所述离子液滴在电场空间以及在电极板通孔内的逃离速度，减少了离子液滴因速度过低而撞击至电极板的概率，同时也增加了电推进效率和推进器的使用寿命。
附图说明
图1是用于离子液体电推进器的电极板示意图。
图2是多种电场线分布示意图。
图3是离子液体电推进器结构示意图。
图4是合电势差的变化示意图。
图5是离子液体加速度变化趋势。
具体实施方式
本发明提供如下具体实施方式：
一种用于离子液体电推进器的电极板，该电极板如附图1所示，其包括多个均匀分布的大致呈圆形的通孔，且该通孔在电极板上的分布可以对应跟随离子组件的尖端的分布，其中的具体实施方式之一则是通孔与尖端分别在电极板和离子组件上均具体呈矩形阵列分布，矩形阵列为35×16，所述每个通孔在电极板厚度方向上包括多个区段，该多个区段依次连通且各个区段的平均孔径或外轮廓曲线均不同，以使从通孔外发射的离子液体在被加速的过程中穿过该通孔。附图2（a）为现有技术的直通孔电极板在推力器中的应用，包括了电极板直通孔的电场线分布，从离子组件尖端发射的离子液体随电场线行进而容易与所述通孔发生碰撞，尤其是碰撞至电极板直通孔处的下表面位置，由该图2（e）和图2（f）进一步可见，在直通孔与电极板平面的交汇边缘线处由于近乎直角棱角的出现会导致在该位置出现附加电场线，该附加电场线会使得在行进过程中的离子液体直线偏离或螺旋偏移预订轨道（即基本上垂直于电极板的方向）而使得所述离子液体撞击至电极板，此时会产生如本发明背景技术中所列的一系列问题。
而附图2（b）则为本发明的采用三段式通孔布局方式的推力器剖视图（附加磁场线未绘出），在位于电极板通孔处的下表面附近的部分离子液体不会撞击至电极板，而是进入通孔，并沿通孔内壁表面电场线方向行进，最终穿过所述通孔，由该图可见，相比于现有技术的直通孔，由于本发明第一区段的设计而使得其端部的附加电场线消失，且在第一区段的电极板厚度方向上的两侧均为弧面结构而平滑过渡，也不会产生干扰离子液体行进的附加磁场，使得所述离子液体顺利穿过所述通孔。尤其的，本发明在通孔内部所设置的第二区段，也能够有效防止因电场线干扰而发生的离子液体撞击到通孔内壁的问题。附图2（c）为附图2（b）的局部A视图，附图2（d）为三段式通孔的详细剖面图，可以明显看到，本发明的通孔包括多个区段，该区段至少包括第一、第二和第三区段，离子液体依次经过第一、第二和第三区段以穿过该通孔；在离子液体行进方向上，所述第一区段孔径呈线性递减，而所述第三区段孔径不变，所述第二区段的外径轮廓线为弧形，其与所述第一、第三区段分别在轮廓连接处相切。具体的，所述电极板厚度为0.1-0.2mm，其中，所述第一区段在厚度方向上的长度为0.03-0.06mm，其在沿所述通孔中轴线的纵剖面上，所述第一区段外轮廓线与所述中轴线夹角为γ，且γ∈(75°,90°)，优选地，γ∈(85°,90°)，具体的，γ=85°；同时，所述第三区段在所述电极板厚度方向上的长度为0.05-0.1mm。
本发明还包括一种基于电控的静电式推力器，如图3所示（仅为示意图，未示出通孔三区段），该推力器包括上述电极板1、外壳2、储液腔3、固定框4，所述储液腔3顶端外部设置有离子组件5，该离子组件5包括在平面上均匀分布的尖端6，其位置与电极板1通孔7的位置一一对应，优选的，所述尖端6在所述平面上为阵列分布，并且，该尖端6的尖部延长线与所述电极板1通孔7中轴线基本共线，以使得在电场作用下离子液体沿该中轴线加速喷出；所述离子组件5外接正电极，所述电极板1外接负电极或接地，由此形成离子组件5与电极板1之间的初始电势差，所述离子液体在所形成的初始电势差作用下基本沿电场线方向加速，并高速穿过所述电极板1通孔7以产生强推力，设所述加速度为α。
尤其的，所述尖端6为立体圆锥，该立体圆锥包括在竖直平面的圆锥角，在竖直平面内，所述尖端6的顶端与其所对应的电极板1通孔7两侧壁的连线构成一夹角，该夹角大于所述圆锥角，以使得从尖端6顶端喷射出的离子液滴不撞击电极板1通孔7的侧壁或侧壁以外的电极板区域，因为通常情况下，从立体圆锥的顶端喷射出的离子在竖直平面内会大致位于其圆锥角的对角线所在的区域，使得在空间范围内所述对角线所在的区域相对于所述圆锥角呈对角倒圆锥，如此可以进一步降低离子液体撞击至电极板1上的概率。
而当所述电极板外接负电极时，其与所述离子组件之间的电势差是实时变化的。在电极板处增设一附加电势，从而使得离子组件与电极板之间在初始电势差的基础上还包括一附加电势差，该附加电势差以一定频率呈现脉冲式增大，使得其相对于初始电势差具有附加电场，其对所述离子液体产生附加加速度α′，在该附加电场作用下，所述离子液体的加速度呈现脉冲式递增，使得合加速度为α0+α′。其中，所示初始电势差为w0，附加电势差为w1，合电势差w=w0+w1。图4所示即为合电势差的变化示意图，电势U随着时间t的变化而呈现周期性变化。其中，初始电势差为斜率不变的直线，其随着时间的推移，其值恒定，斜率为0；而附加电势差由于脉冲作用，其呈现突增与突减样式，其由0电势在单个脉冲周期内突变为电势差最大值w1，再在下一周期开始，其又从0电势突变为电势差最大值w1，由此循环，所述附加电势差最大值优选为600V或800V。由此，在初始电势差与附加电势差的基础上产生合电势，该合电势即为直接影响离子液体行进速度与加速度的电场因素。
所述脉冲式递增即随着时间的推移，所述离子液体在上一脉冲至当前脉冲时，其加速度值从α0开始突增，在当前脉冲结束并在下一脉冲开始时，其加速度值从α0+α′开始突降至α0，并依次重复循环所述脉冲。图5所示即为离子液体从离子组件喷射出开始，到穿过通孔瞬间为止的离子液体加速度变化趋势。
为进一步完整描述本发明的推进器结构，本发明的储液腔和外壳的同一空间对齐的位置还设置有透气的注液孔(图中未示出)，用于在装配完成后加注推进剂，以及在加注的过程中排气。所述固定框和外壳为致密绝缘材料制作，其四个对准用固定柱插入到外壳的固定槽内。所述多孔材料可选为钨多孔材料，所述每个尖端的规格均相同。所述推进剂优选为铟等低熔点金属材料，其在常温下为固态，初始状态时被安放于所述储液腔内，在储液腔内经过加热升温（例如加热至400℃）可被液化和/或气化，其可通过所述多孔材料的毛细作用而被吸附并运送至所述发射尖端，所述立体圆锥优选为泰勒锥。在离子液体经电场线被加速至电极板方向并产生推力的同时，中和器发射电子用以中和被喷出的离子，使卫星整体呈中性。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种用于离子液体电推进器的电极板，其特征在于：该电极板包括多个均匀分布的大致呈圆形的通孔，所述每个通孔在电极板厚度方向上包括多个区段，该多个区段依次连通且各个区段的平均孔径和/或外轮廓曲线均不同，以使从通孔外发射的离子液体在被加速的过程中穿过该通孔。
2.根据权利要求1所述的电极板，其特征在于：所述区段至少包括第一、第二和第三区段，所述离子液体依次经过第一、第二和第三区段以穿过该通孔；在离子液体行进方向上，所述第一区段孔径呈线性递减，所述第三区段孔径不变，所述第二区段的外径轮廓线为弧形，其与所述第一、第三区段分别在轮廓连接处相切。
3.根据权利要求2所述的电极板，其特征在于：在沿所述通孔中轴线的纵剖面上，所述第一区段外轮廓线与所述中轴线夹角为γ，且γ∈(75°,90°)。
4.一种基于电控的静电式推力器，其特征在于：该推力器包括如上述权利要求任一项所述的电极板、外壳、储液腔、固定框，所述储液腔顶端外部设置有离子组件，该离子组件包括在平面上均匀分布的尖端，该尖端的尖部延长线与所述电极板通孔中轴线基本共线；所述离子组件外接正电极，所述电极板外接负电极或接地，所述离子液体浸透所述尖端并沿尖端的尖部延长线喷出，在所述离子组件与电极板所形成的电势差作用下，被喷出的所述离子液体基本沿电场线方向加速，并高速穿过所述电极板通孔以产生强推力，其中，所述离子液体穿过所述电极板时的加速度为α0。
5.根据权利要求4所述的推力器，其特征在于：所述电极板外接负电极时，其与所述离子组件之间的电势差是实时变化的。
6.根据权利要求4或5所述的推力器，其特征在于：所述电势差以一定频率呈现脉冲式增大，使得其相对于初始电势差具有附加电场，其对所述离子液体产生附加加速度α′，在该附加电场作用下，所述离子液体的加速度呈现脉冲式递增，使得合加速度为α0+α′，其中，所述初始电势差为推力器初始启动时，所述离子组件与电极板之间的电势差。
7.根据权利要求6所述的推力器，其特征在于：所述脉冲式递增即随着时间的推移，所述离子液体在上一脉冲至当前脉冲时，其加速度值从α0开始突增，在当前脉冲结束并在下一脉冲开始时，其加速度值从α0+α′开始突降至α0，并依次重复循环所述脉冲。
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210611 |