CN113217318B - 一种电喷雾推力器组件结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电喷雾推力器组件结构及其制备方法，所述电喷雾推力器组件结构包括框架模块、发射体模块、栅极模块，框架模块包括一体式设置的框架主体、发射体模块安装结构、栅极安装结构、推进剂贮箱连接结构；所述发射体模块安装设置在框架模块的发射体模块安装结构中，其一端与推进剂贮箱相连通，相对的另一端设置有发射体加工凸台，发射体加工凸台上阵列分布的设置有若干轴对称的锥形发射体；栅极模块，包括中部区域、一体式的设置在中部区域外围的栅极框架，中部区域设置有若干栅极孔，栅极框架通过连接螺钉或粘结剂连接设置在栅极安装结构的安装接口上。本申请提供的电喷雾推力器组件结构装配精度高、寿命长以及加工成本低。

Description

一种电喷雾推力器组件结构及其制备方法

技术领域

本申请涉及电喷雾推力器领域，特别地，涉及一种电喷雾推力器组件结构及其制备方法。

背景技术

电喷雾推力器是一种以导电液体作为推进剂工质，利用静电场在推进剂中提取或产生带电液滴/离子并对其进行加速的静电式电推力器，栅极与发射体间施加强静电场，发射体上的液态推进剂工质在静电力、推进剂压力和表面张力共同作用下，在发射体顶端弯曲并形成泰勒锥。随后，泰勒锥尖端的推进剂在静电力的作用下将形成带电液滴或离子，并在同一静电场的作用下加速从栅极孔喷出，从而获得推力。

发射体在结构形式上，目前主要有毛细管式发射体、外部浸润式发射体和多孔材料式发射体。毛细管式发射体可以提供较大推进剂供给流量，推力器一般工作在锥射流模式或混合模式下，发射的电流较大，能够产生较大的推力，但是束流中的带电粒子荷质比存在较大分散性，推进效率低，同时毛细管易于发生堵塞；外部浸润式发射体一般工作在纯离子模式下，因此推进效率高。但是由于发射体与推进剂接触面积较小，推进剂供给能力有限，导致离子发射电流小，单发射体的最大离子电流不超过1mA，难以获得较高推力密度，并且难以保持连续均匀的发射；多孔材料发射体内部具有较多的毛细通道，可以避免毛细管式发射体中的堵塞问题，同时相对于外部浸润式发射体可以提供较大的推进剂流量，单发射体离子电流处在几百nA-10mA较宽范围内。鉴于多孔材料发射体在性能方面表现出的明显优势，目前电喷雾推力器多采用多孔材料制作发射体。然而，单个发射体产生的推力无法满足实际空间任务要求，需要采用发射体阵列的方式增加离子发射总电流进而增加推力。

目前发射体阵列规模可以达到每平方厘米数百个，在增加推力的前提下同时提高推力器的工作寿命是目前亟需解决的关键技术问题。据目前公开文献报道的性能测试数据显示，推力器工作寿命仅约为300h，远未达到期望的寿命时长。高速粒子对栅极的侵蚀、沉积以及发射体与栅极的短路是导致推力器性能损失和失效的主要机制。阵列式发射体与栅极的加工及装配是推力器性能与寿命提升的关键，发射体构型及尺寸、栅极孔径、发射体与栅极距离以及栅极孔孔与发射体轴心的对中性是影响推力器推力、比冲、效率以及寿命的关键因素。栅极与发射体距离主要影响推力器的启动电压和电压-推力特性，距离过大将导致推力器的工作启动电压过高，增加电路复杂程度并容易引起其它部件的尖端放电。距离过小容易造成发射体尖端液滴与栅极接触而短路，致使推力器失效，典型的距离一般约为300微米；为了维持一定的流阻并提高发射体尖端的电场强度，发射体设计成锥形结构，高度约为200微米、尖端球冠直径为20-30微米、底部直径为约为150微米；栅极孔径大小主要影响栅极与发射体间的电场分布以及粒子束流，发射体尖端引出的粒子束流的发散半角约25°，栅极孔径应使主束流无障碍通过，避免对束流阻挡而影响推力器的性能，同时防止束流粒子对栅极的侵蚀以及在栅极表面的沉积。栅极孔径过大，将降低发射体尖端的电场强度而导致工作电压升高。为了满足以上要求，栅极的孔径一般约为300微米，栅极厚度一般不超过0.1mm。栅极孔中心与发射体轴心还要保证极高的对中性，一般理想的偏差不大于10微米，偏差过大将导致束流被栅极拦截，高能粒子冲击将导致栅极过早的损坏，同时还可能造成粒子在栅极表面的沉积，引起发射体与栅极短路问题。因此需要综合考虑材料的加工性和加工方法的适应性问题，加工出具有较高一致性的高定位精度的发射体阵列和栅极孔阵列，以确保装配的精度。

现有技术方案1

发射体的作用是提升发射体尖端的局部电场，同时提供推进剂供给流动通道。电喷雾推力器的性能主要由发射体的特征参数决定，具有较高形状和定位精度的高密度发射体阵列加工是关键，而发射体特征参数最终依赖于所采用的加工工艺。多孔材料由于其材料结构的特殊性以及发射体几何尺度问题，不适用于离子刻蚀以及传统的机械切削等具有更高加工精度的干式加工形式。研究人员试图将外化学刻蚀加工方法直接用于钨多孔材料的加工，但是，由于目前没有高精度掩膜可以与材料本体以及化学刻蚀溶液相容，因此难以加工出具有较好一致性的高精度发射体阵列。为了解决这一问题，麻省理工学院(MIT)的Courtney在材料选择上转向具有良好化学刻蚀加工特性的多孔镍，虽然高精度掩膜相容性问题得以解决，但是其加工精度也仅在10微米量级。具体的加工流程包括：(1)将多孔镍片采用环氧树脂粘结在硅框架上(2)刻蚀掩膜，将开有微孔阵列的二氧化硅膜片覆盖在硅框架上，通过边缘上的微孔与框架的定位标记进行定位，采用紫外光对光刻胶进行照射，(3)形成刻蚀掩膜，露出被加工表面，(4)采用电化学刻蚀的方法进行发射体阵列加工，(5)将加工好的硅栅极与发射体框架上的定位点进行装配并固定，(6)完成推力器模块的加工。

该技术方案的湿式加工技术无法获得较高的加工精度和一致性，采用电化学刻蚀的方法对金属多孔材料加工，各发射体形状差异较大，无法加工出数百个具有良好一致性的高精度发射体单元阵列。此外，各发射体轴心相对于发射体框架的定位基准精度很难保证，栅极安装时亦采用发射体框架上的定位基准进行定位，而发射体与栅极采用不同的加工方式分别进行，装配时的最大偏差为各加工环节的累积偏差。基于以上考虑，无法实现发射体阵列与栅极孔阵列的高精度对中装配。此外，发射体框架与栅极采用离子刻蚀的方法加工，加工成本高；栅极与发射体框架材料具有导电性，装配时采用粘结剂进行粘结，未采用其它绝缘隔离措施，在推力器工作过程中，推进剂在毛细力和电场力的作用下容易通过发射体框架爬升至栅极处，引发短路问题。

现有技术方案2

Coffman通过分析发射体中推进剂工质的阻抗特性认为，发射体在材料选择上并不一定需要采用导体，因此将粉末烧结的多孔硼硅酸盐玻璃货架产品作为发射体基材，探索了基于纳秒脉宽激光的加工工艺，实现了具有微米级精度的480个发射体单元的二维阵列式发射体加工。针对Courtney遇到的发射体与栅极间的短路问题，Coffman对发射体框架进行了重新设计，该设计的主要特点是采用三层式结构，由下之上依次为基层(硅)、绝缘层(玻璃)和定位层(硅)，各层均采用离子刻蚀的方法进行加工，加工完成后通过粘结或者焊接组成镂空式发射体框架。其中定位层上表面加工有十字刻线，作为装配栅极的定位基准；发射体基材上下平面磨平，通过粘合剂粘结在发射体框架底端，并保证上面与定位层齐平，随后采用激光在发射体衬底材料上进行发射体阵列加工。随后，基于激光加工技术，Rojas-Herrera又探索了多孔碳干凝胶材料的发射体加工技术。在推力器模块结构的改进过程中，栅极共有两种结构形式，一种是分体式结构，栅极由金属薄片加工成，固定安装在采用离子刻蚀加工的栅极框架上(硅)，再通过粘结的方式实现栅极框架与发射体框架的装配固定，发射体与栅极孔的对中性依靠栅极框架上的定位结构和发射体框架定位层结构相互配合来保证；另外一种栅极为整体式(一体式)结构，栅极孔阵列与框架在同一基材上采用离子刻蚀的方法一次加工完成。

该技术方案的发射体框架由三层结构组成，每一层均采用离子刻蚀的方法加工，加工成本高；在进行发射体框架组装式，定位层需要借助显微放大设备或者其它辅助装置进行精密定位，确保四个定位层中两个相临定位层上表面的十字刻线中的一条线相互重合，操作难度大。

现有技术方案3

美国空军实验室采用全机械加工的方式对电喷雾推力器关键组件进行了加工，发射体材料选用粉末烧结的多孔硼硅酸盐玻璃商业货架产品，发射体阵列加工工艺包括步骤，(1)加工用于夹持发射体衬底材料的专用卡具；(2)将多孔硼硅酸盐玻璃夹持在卡具之上；(3)采用高主轴转速的数控加工中心加工出台阶，该台阶用于安装电极；(4)根据发射体高度、阵列间距等结构参数设计专用铣刀，在台阶上以高主轴转速加工出具有三角形截面的带状阵列；(5)采用相同的加工参数，在垂直阵列带的方向上进行加工；(6)加工完成后的发射体是四棱柱式结构。栅极的加工工艺包括步骤：(1)加工出长方体辅助装卡平台，并加工出螺纹孔；(2)将金属薄片(钼)粘结到具有较高平面度的厚铝板上；(3)在粘结好的金属片上打孔，并采用螺钉固定连接到辅助装卡平台上；(4)以高主轴转速进行栅极孔阵列加工；(5)孔阵列加工完成后进行切割，去除栅极外围多余部分；(6)取下厚铝板和栅极放入丙酮溶液中浸泡，溶解粘结剂取下加工好的栅极；(7)采用厚金属片加工出与栅极结构相匹配的框架，将栅极粘结到框架上，形成栅极。栅极与发射体装配过程包括：首先将加工好的发射体与其它附属部件装配组成推进剂模块，将该模块放入推力器外壳中，并依靠外壳侧面和底面的定位螺钉进行限位固定，随后将栅极固定到推力器外壳顶端，通过各定位螺钉的松紧实现推进剂模块的六自由度调节，进而实现发射体与栅极的距离调节以及发射体阵列与栅极孔阵列对中性调节。

该技术方案在发射体加工方面，机械加工存在振动和切削应力，对于颗粒(粉末)烧结的硬脆性多孔材料，其加工尺寸极限为颗粒尺寸，加工过程中的振动和加工后残存的切削应力容易造成颗粒的剥落，难以获得具有良好一致性的高精度发射体。

发明内容

本申请一方面提供了一种电喷雾推力器组件结构，以解决现有电喷雾推力器的装配精度低、寿命短以及加工成本高的技术问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种电喷雾推力器组件结构，包括：

采用绝缘材料的框架模块，所述框架模块包括一体式设置的框架主体、发射体模块安装结构、栅极安装结构、推进剂贮箱连接结构，所述发射体模块安装结构设置在所述框架主体中心处；所述栅极安装结构均匀分布地凸出地设置在所述框架主体上，各栅极安装结构上均设置有安装接口，所述安装接口为螺纹孔或粘结剂槽；所述推进剂贮箱连接结构设置在所述框架主体的底部两侧；

采用非颗粒烧结材料的发射体模块，所述发射体模块安装设置在所述框架模块的发射体模块安装结构中，其一端与推进剂贮箱相连通，相对的另一端设置有发射体加工凸台，所述发射体加工凸台上阵列分布的设置有若干轴对称的锥形发射体；

栅极模块，包括中部区域、一体式的设置在所述中部区域外围的栅极框架，所述栅极框架的厚度为0.2～2mm，所述中部区域的厚度≤0.1mm，或与所述栅极框架的厚度相同，所述中部区域根据厚度均匀设置有若干与所述锥形发射体一一相对的圆柱形或圆锥形栅极孔，所述栅极框架通过连接螺钉或粘结剂连接设置在所述栅极安装结构的安装接口上。

本申请另一方面还提供了一种电喷雾推力器组件结构的制备方法，包括步骤：

S1、采用机加工方法对切割好的发射体框架基材进行初加工得到框架模块；

S2、采用机加工方法在切割好的发射体基材上加工出发射体加工凸台，并在发射体基材安装粘固在发射体模块安装结构上的前提下，以发射体基材上表面为参考平面，对栅极安装结构的上表面进行再加工，使栅极安装结构的上表面相对于发射体基材上表面的平面度≤±5微米，且两者的间距满足发射体模块与栅极模块的间距需要；

S3、根据所选的栅极孔形状对栅极基板进行相应的初加工；

S4、采用同一加工平台、同一定位基准、在同一加工步在初加工的发射体基材上和栅极基板上分别激光加工出锥形发射体、栅极孔。

本申请具有以下有益效果：

本申请的电喷雾推力器组件结构包括框架模块、发射体模块和栅极模块，其中发射体模块的材料采用非颗粒烧结材料，加工过程中无颗粒剥落，发射体形状精度更高；一体式框架模块采用绝缘材料，无需采用层状结构实现复杂电绝缘功能；栅极模块结构简单，框架式结构的薄栅极为一体式结构，解决了薄栅极的翘曲变形问题；充分利用激光易于进行锥形深孔加工的特点，采用厚金属板加工栅极孔阵列，解决了栅极翘曲变形问题，同时也解决了厚栅极对束流阻挡的问题，本申请所采用的制备方法除激光加工外，均为常规加工手段，易于获得实现，相对于现有技术中采用的等离子体刻蚀方法，具有极高的加工灵活性，成本低；制备过程中，栅极模块与框架模块装配时无需设计专门的定位结构，栅极孔阵列的加工与锥形发射体阵列的加工为同一加工平台、同一定位基准，并且由同一加工步完成，避免了现有方案中因不同加工方式中定位基准不同导致装配过程的误差累积，因此能够获得更高的对中性，解决了栅极孔阵列与发射体阵列的对中性问题。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请优选实施例的电喷雾推力器组件结构装配示意图。

图2是本申请优选实施例的电喷雾推力器组件结构爆炸示意图。

图3是本申请优选实施例的框架模块结构示意图。

图4是本申请优选实施例的电喷雾推力器组件结构装配示意图(不含栅极模块)。

图5是本申请优选实施例的发射体模块单个锥形发射体放大示意图。

图6是本申请另一优选实施例的框架模块结构示意图。

图7是本申请优选实施例的栅极孔结构示意图(圆柱形)。

图8是本申请另一优选实施例的电喷雾推力器组件结构装配示意图。

图9是本申请另一优选实施例的电喷雾推力器组件结构爆炸示意图。

图10是本申请另一优选实施例的栅极孔结构示意图(圆锥形)。

图11(a)～图11(b)是本申请优选实施例的框架模块制备过程示意图。

图12(a)～图12(c)是本申请另一优选实施例的框架模块制备过程示意图。

图13(a)～图13(d)是本申请优选实施例的发射体模块制备过程示意图。

图14(a)～图14(d)是本申请优选实施例的栅极制备过程示意图。

图15(a)～图15(e)是本申请另一优选实施例的栅极制备过程示意图。

图中所示：

1、框架模块；101、栅极安装结构；102、发射体模块支撑面；103、粘结剂槽；104、发射体模块安装结构；105、推进剂贮箱连接结构；106、框架安装孔；107、中心通孔；108、发射体模块侧向定位面；109、螺纹孔；110、吸附沟槽；111、阻断槽；2、连接螺钉；3、栅极模块；301、圆柱栅极孔加工区；302、栅极孔；303、栅极安装孔；4、发射体模块；401、发射体加工凸台；402、锥形发射体；5、发射体框架基材；6、发射体基材；7、粘结剂；8、压板；9、压紧螺钉；10、栅极基板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图1至图5，本申请的优选实施例提供了一种电喷雾推力器组件结构，包括采用绝缘材料的框架模块1、采用非颗粒烧结的多孔硼硅酸盐玻璃的发射体模块4、导电性的栅极模块3。

为了降低框架模块1制造及组装的复杂程度，所述框架模块1采用绝缘的一体式结构，同时，由于框架模块1在机构功能上，除用于安装固定发射体模块4和栅极模块3外，还用于实现发射体模块4与推进剂贮箱的连接，因此，所示框架模块1包括一体式设置的矩形的框架主体、发射体模块安装结构104、四个栅极安装结构101、推进剂贮箱连接结构105，所述发射体模块安装结构104设置在所述框架主体中心处；四个所述栅极安装结构101均匀分布地凸出设置在所述框架主体四个顶角上，从而在框架主体侧面形成镂空式结构，各栅极安装结构101上均设置有安装接口，所述安装接口为螺纹孔109；所述推进剂贮箱连接结构105设置在所述框架主体的底部两侧，设置有框架安装孔106，采用螺钉实现与贮箱的固定连接，由于框架模块1为一体式结构且选用绝缘材料，从而简化了框架模块1与栅极模块3间的电绝缘结构，同时避免了复杂的装配过程。

所述发射体模块4安装设置在所述框架模块1的发射体模块安装结构104中，其一端与推进剂贮箱相连通，相对的另一端设置有发射体加工凸台401，所述发射体加工凸台401上阵列分布的设置有若干轴对称的锥形发射体402，所述锥形发射体402高为50～300微米，尖端为半径5～15微米的球冠形，相邻锥形发射体402的间距为350～450微米。所述锥形发射体402采用轴对称的锥形结构，可以避免发射体局部高电场导致非理想粒子发射点产生。

所述栅极模块3包括中部区域、一体式的设置在所述中部区域外围的栅极框架，所述栅极框架的厚度为0.2～2mm，所述中部区域的厚度≤0.1mm，或与所述栅极框架的厚度相同，所述中部区域均匀设置有若干与所述锥形发射体402一一相对的圆柱形或圆锥形栅极孔302，所述栅极框架通过连接螺钉2或粘结剂7连接设置在所述栅极安装结构101的安装接口上。

本实施例的发射体模块4的材料采用非颗粒烧结的多孔硼硅酸盐玻璃，加工过程中无颗粒剥落，发射体形状精度更高；框架模块1采用一体式的绝缘材料，无需采用层状结构实现复杂电绝缘功能；本实施例的栅极模块3结构简单，采用一体式框架结构且厚度达到0.2～2mm，解决了薄栅极的翘曲变形问题；本实施例的栅极模块3采用较厚的导电性金属板加工栅极孔302阵列，并根据栅极模块3的中间区域的厚度确定栅极孔302的形状为圆柱形或圆锥形，既解决了栅极模块3翘曲变形的问题，同时通过设置栅极孔302为相应的形状，解决了厚栅极对束流阻挡的问题，因此能够获得更高的对中性，解决了各栅极孔302与各锥形发射体402的对中性问题，确保电喷雾推力器的性能和使用寿命。

如图3所示，在本申请的优选实施例中，所述发射体模块安装结构104包括：

支撑框，所述支撑框呈矩形并下沉地设置在所述框架主体中部，其中心贯穿设置有作为推进剂供给通道的中心通孔107，所述中心通孔107的截面形状和尺寸与所述发射体加工凸台401的截面形状和尺寸相一致，保证推进剂向各锥形发射体402尖端的供给通畅且均匀；中心通孔107作为推进剂的供给通道，当框架模块1与推进剂贮箱装配时，贮箱系统中的推进剂供给机构通过中心通孔107与发射体模块4底部接触，实现推进剂向各锥形发射体402的供给；

发射体模块支撑面102，所述发射体模块支撑面102设置在所述支撑框朝向发射体模块4的端面，且与四个栅极安装结构101的顶面平行，用于支撑发射体模块4的底部，限制发射体模块4与栅极模块3的间距；

粘结剂槽103，所述粘结剂槽103均匀设置在所述发射体模块支撑面102的四个顶角处，在实际粘结安装中，所述发射体模块支撑面102的四个顶角处的位置距锥形发射体402阵列区域最远，可以避免粘结剂7在毛细作用下进入发射体模块4内部去阻碍或影响推进剂向锥形发射体402阵列的供给；

若干均匀分布的发射体模块侧向定位面108，所述发射体模块侧向定位面108垂直于所述发射体模块支撑面102，并由所述框架主体的内侧向中心方向凸出形成，用于发射体模块4粘结时的周向限位。

如图3所示，在本申请的另一优选实施例中，所述发射体模块安装结构104还包括：

吸附沟槽110，所述吸附沟槽110镂空设置在所述支撑框与所述框架主体之间，所述吸附沟槽110内填充设置有用于吸附溢出的推进剂的吸附材料。

为了避免因推进剂导致的发射体模块4与栅极模块3的短路问题，本实施例在发射体模块安装结构104的支撑框与所述框架主体之间设有镂空的L形吸附沟槽110，所述吸附沟槽110内填充设置有用于吸附溢出的推进剂的吸附材料，如多孔材料、纤维簇、滤纸等，用于吸附溢出的推进剂，从而切断发射体模块4溢出的推进剂通过栅极安装结构101爬升至栅极模块3的路径。

如图6所示，在本申请的另一优选实施例中，所述框架主体上还间隔设置有用于阻断发射体模块4溢出的推进剂向栅极模块3攀升路径的若干阻断槽111，以完全阻断推进剂由发射体模块4向栅极模块3的攀升路径。

在本申请的另一优选实施例中，所述框架模块1选择具有良好的加工性、尺寸稳定性的绝缘材料，如PEEK，特别是陶瓷PEEK，也可以选择聚酰亚胺或陶瓷；所述发射体模块4的材料为非颗粒烧结的多孔硼硅酸盐玻璃，通过相析法烧结的硼硅酸盐玻璃可以获得更小、更均匀的孔隙，加工过程中无颗粒性剥落，相对于颗粒烧结的多孔玻璃可以获得更好的尺寸加工精度和更稳定的供给特性。

如图8和图10所示，在本申请的另一优选实施例中，所述栅极模块3包括：

板状主体，厚度为0.3～2mm，包括中部区域、一体式的设置在所述中部区域外围的栅极框架，所述中部区域均匀设置有若干与所述锥形发射体402一一相对的圆锥形的栅极孔302，圆锥形的栅极孔302的锥角略大于粒子束流的发散角，以避免束流与孔壁相互作用；当安装接口为螺纹孔109时，所述板状主体的边缘均匀设置有若干与所述连接螺钉2对应的栅极安装孔303。

本实施例中，所述板状主体具有足够的厚度，因此，可有效防止栅极模块3在后续加工或装配过程中发生翘曲，同时，由于所述板状主体厚度大，因此，所述栅极孔302设置为圆锥形(倒置)，可避免因厚度大导致束流与孔壁相互作用的问题，确保束流顺利从栅极孔302中喷出。

如图1和图7所示，在本申请的另一优选实施例中，所述栅极模块3包括：

板状主体，厚度为0.2～2mm，包括中部区域、一体式的设置在所述中部区域外围的栅极框架，所述中部区域下沉地设置有厚度≤0.1mm的圆柱栅极孔加工区301，所述圆柱栅极孔加工区301内均匀设置有若干与所述锥形发射体402一一相对的圆柱形的栅极孔302，当安装接口为螺纹孔109时，所述栅极框架均匀设置有若干与所述连接螺钉2对应的栅极安装孔303。

本实施例中，由于栅极模块3中间区域的圆柱栅极孔加工区301的厚度很小，而栅极框架具有足够的厚度，因此，即可有效防止栅极模块3在后续加工或装配过程中发生翘曲，同时，由于圆柱栅极孔加工区301的厚度很小，因此，所述栅极孔302设置为常规的圆柱形即可避免因厚度大导致束流与孔壁相互作用的问题，确保束流顺利从栅极孔302中喷出，便于加工。

本申请另一优选实施例还提供了一种电喷雾推力器组件结构的制备方法，包括步骤：

S1、采用机加工方法对切割好的发射体框架基材5进行初加工得到框架模块1(见图11(a)至图11(b)、图12(a)至图12(c))；

S2、采用机加工方法在切割好的发射体基材6上加工出发射体加工凸台401，并在发射体基材6安装粘固在发射体模块安装结构104上的前提下，以发射体基材6上表面为参考平面，对栅极安装结构101的上表面进行再加工使栅极安装结构101的上表面相对于发射体基材6上表面的平面度≤±5微米，且两者的间距满足发射体模块4与栅极模块3的间距需要；

S3、根据所选的栅极孔302形状对栅极基板10进行相应的初加工；

S4、采用同一加工平台、同一定位基准、在同一加工步在初加工的发射体基材6上和栅极基板10上分别激光加工出锥形发射体402、栅极孔302。

本实施例中所采用的加工手段除激光加工外，均为常规加工手段，易于获得实现，相对于现有技术中采用的等离子体刻蚀方法，具有极高的加工灵活性，成本低；栅极与发射体框架装配时无需设计专门的定位结构，本实施例在加工方法选择上，为了保证加工精度，选用具有高重复定位精度的干式加工，而且，为了获得较高的定位精度和装配精度，栅极孔阵列加工与发射体阵列加工为在同一加工平台、同一定位基准，并且由同一加工步完成，不涉及二次定位，避免了现有方案中因不同加工环节中定位基准不同导致的误差累积，因此能够获得更高的对中性。

本实施例在栅极模块3与框架模块1安装的过程中，锥形发射体402阵列的加工基准未发生移动，加工栅极孔302阵列时采用的加工基准与其相同，因此无需设计和加工出高精度的定位结构，在不借助任何装配辅助设备的前提下即可获得很高的对中性，解决了栅极孔302阵列与锥形发射体402阵列的对中性问题。

在本申请的另一优选实施例中，所述步骤S2具体包括步骤：

S201、根据框架模块1中发射体模块安装结构104的尺寸，切割得到发射体基材6；

S202、在发射体模块安装结构104的粘结剂槽103中放入粘结剂7，将切割好的发射体基材6放入发射体模块安装结构104(见图13(a))，随后将压板8压在发射体基材6之上，并采用压紧螺钉9进行固定(见图13(b))；

S203、将框架模块1和发射体基材6放入热真空环境中进行固化干燥后，取下压板8，接着在粘固好的发射体基材6上加工出发射体加工凸台401(见图13(c))，固化干燥可排除粘结剂7中空气残留，避免后续工作在真空环境中发生出气现象，导致粘结破坏或发射体堵塞、放电等故障；

S204、以发射体基材6上表面为参考平面，对栅极安装结构101上表面进行再加工(见图13(c))，使其相对于发射体基材6上表面的平面度≤±5微米，且发射体模块4与栅极模块3的间距满足设计需要，所述间距为50～400微米；

S205、根据栅极模块3与框架模块1的安装固定方式，在栅极安装结构101上加工出相应的安装接口，本实施例的安装接口采用螺纹连接方式的螺纹孔109(见图13(c))。

为了避免现有技术中在发射体模块4与框架模块1装配过程中产生的锥形发射体402阵列的尖端平面与栅极模块3下表面的平行度与距离精度差的问题，本实施例采用先进行发射体基材6与框架模块1粘贴装配固定为整体，之后采用同一加工基准进行定位结构加工的方案予以解决，在粘固好的发射体基材6上加工出发射体加工凸台401，并以发射体基材6上表面为参考平面，对栅极安装结构101上表面进行再加工。

本实施例的发射体基材6与框架模块1先粘结再进行功能结构的加工，可以最大限度的提升锥形发射体402阵列的尖端平面与栅极模块3下表面的平行度，精确保证发射体模块4与栅极模块3的距离，从而使锥形发射体402阵列的尖端平面与栅极模块3下表面的平行度与距离精度满足设计需要。

在本申请的另一优选实施例中，所述步骤S2具体包括步骤：

S211、根据框架模块1中发射体模块安装结构104的尺寸，切割得到发射体基材6；

S212、为了避免粘结过程中渗入发射体基材6中的粘结剂7堵塞推进剂供给通道，保证推进剂向发射体尖端的供给通畅与均匀，因此在发射体基材6上加工出发射体加工凸台401，所述发射体加工凸台401的截面尺寸与发射体模块安装结构104中的中心通孔107尺寸相同；

S213、在粘结剂槽103中放入粘结剂7，将加工好发射体加工凸台401的发射体基材6放入发射体模块安装结构104，随后将压板8压在发射体基材6之上，并采用压紧螺钉9进行固定；

S214、将框架模块1和发射体基材6进行固化干燥后，取下压板8；

S215、以发射体基材6上表面为参考平面，对栅极安装结构101上表面进行再加工，使其相对于发射体基材6上表面的平面度≤±5微米，且发射体模块4与栅极模块3的间距满足设计需要，所述间距为50～400微米；

S216、根据栅极模块3与框架模块1的安装固定方式，在栅极安装结构101上加工出相应的安装接口，所述安装接口包括采用螺纹连接方式的螺纹孔109，或采用粘结方式的粘结剂槽。

本实施例中发射体基材6在切割完成后，先加工出发射体加工凸台401，接着将加工好的发射体基材6粘结固定到框架模块1中，之后的加工步骤与上述实施例相同，本实施例同样可以保证锥形发射体402阵列的尖端平面与栅极模块3下表面的平行度与距离精度满足设计需要。

在本申请的另一优选实施例中，当所选的栅极孔302形状为圆锥形时，所述步骤S3具体包括步骤：

S301、按照要求切割得到与栅极安装结构101的尺寸相匹配的栅极基板10(见图14(a))；

S302、当栅极模块3采用连接螺钉2与所述栅极安装结构101的安装接口相连接时，在所述栅极基板10的边缘均匀加工出四个与所述连接螺钉2对应的栅极安装孔303(见图14(b))；

S303、对所述栅极基板10进行热处理，去除应力以满足平整度要求。

本实施例的栅极模块3初加工过程中，切割好的栅极基板10仅仅是加工了栅极安装孔303，以及通过热处理进行了平整度调节，对于栅极基板10的厚度未做任何处理，厚度为0.3～2mm，由于栅极基板10具有足够的厚度，因此，可有效防止栅极模块3在后续加工或装配过程中发生翘曲，后续将在初加工后的栅极基板10中间区域设置有若干与所述锥形发射体402一一相对的圆锥形的栅极孔302，。

在本申请的另一优选实施例中，当所选的栅极孔302形状为圆柱形时，所述步骤S3具体包括步骤：

S311、按照要求切割得到与栅极安装结构101的尺寸相匹配的栅极基板10(见图15(a))；

S312、对所述栅极基板10进行热处理，去除应力以满足平整度要求；

S313、采用湿式刻蚀方法，在栅极基板10中间区域加工出厚度≤0.1mm的圆柱栅极孔加工区301；当栅极模块3采用连接螺钉2与所述栅极安装结构101的安装接口相连接时，采用湿式刻蚀方法在所述栅极基板10的边缘均匀加工出四个与所述连接螺钉2对应的栅极安装孔303(见图15(b))；其中，本步骤中化学刻蚀具体包括步骤：对热处理好的栅极基板10进行清洗，喷涂光刻胶，并在温度不高于80℃的环境中干燥30分钟以上；随后采用紫外光进行曝光处理，浸入显影液露出被加工区域轮廓，将处理好的待刻蚀栅极基板10，如不锈钢板，放入刻蚀液中进行电化学刻蚀，根据金属材料与刻蚀液的反应速率，通过控制反应时间实现刻蚀深度(去除厚度)的精确控制，获得理想的圆柱栅极孔加工区301厚度(不大于0.1mm)和栅极安装孔303；

S314、刻蚀完成后对栅极基板10进行清洗，去除光刻胶(见图15(c))。

本实施例采用电化学刻蚀的方法对处理好的栅极基板10进行刻蚀加工，去除非配合面中间多余材料，留下的极薄的中间区域(厚度≤0.1mm)作为圆柱栅极孔加工区301，外围未去除部分作为栅极框架，由于外围的栅极框架的厚度为0.2～2mm，从而防止栅极模块3在后续加工或装配过程中发生翘曲。本实施例采用电化学刻蚀方法实现具有栅极框架的一体式薄栅极初加工，相对于离子刻蚀，本实施例的刻蚀加工效率高，加工成本低，且不存在机械加工的机械应力问题。

在本申请的另一优选实施例中，所述步骤S4具体包括步骤：

S401、采用螺钉或夹具将粘固在发射体模块安装结构104上的初加工的发射体基材6固定到飞秒激光加工平台中，调整激光加工头设定坐标原点，获得发射体基材6上表面的坐标，设定激光参数并规划加工路径在所述发射体基材6上激光加工出阵列分布的锥形发射体402(见图13(d))；

S402、阵列分布的锥形发射体402加工完成后，采用氮气吹除加工碎削；

S403、将初加工的栅极基板10通过连接螺钉2固定到框架模块1的栅极安装结构101上(见图15(d)、图14(c))；

S404、固定完成后，以锥形发射体402加工时的定位点为基础，在所述栅极基板10上激光加工出相应形状且阵列分布的栅极孔302，当栅极孔302为圆锥形时，所得栅极孔302如图14(d)所示；当栅极孔302为圆柱形时，所得栅极孔302如图15(e)所示。

考虑到在加工过程中涉及玻璃和金属的加工，本实施例选用飞秒激光器确保栅极孔302和锥形发射体402的加工精度，飞秒激光器不存在热应力和机械应力，可以保证加工精度，避免了传统金属薄栅极加工和安装过程中的翘曲变形问题。本实施例将锥形发射体402阵列和栅极孔302阵列的加工过程在同一加工平台、同一加工步采用同一定位基准进行，相较于传统技术，无需进行发射体模块4与栅极模块3的装配，因此不存在二次定位误差和装配公差，栅极孔302与锥形发射体402轴心的对中性仅由加工平台的定位精度决定。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电喷雾推力器组件结构，其特征在于，包括：

采用绝缘材料的框架模块(1)，所述框架模块(1)包括一体式设置的框架主体、发射体模块安装结构(104)、栅极安装结构(101)、推进剂贮箱连接结构(105)，所述发射体模块安装结构(104)设置在所述框架主体中心处；所述栅极安装结构(101)均匀分布地凸出地设置在所述框架主体上，各栅极安装结构(101)上均设置有安装接口，所述安装接口为螺纹孔(109)或粘结剂槽；所述推进剂贮箱连接结构(105)设置在所述框架主体的底部两侧；

采用非颗粒烧结材料的发射体模块(4)，所述发射体模块(4)安装设置在所述框架模块(1)的发射体模块安装结构(104)中，其一端与推进剂贮箱相连通，相对的另一端设置有发射体加工凸台(401)，所述发射体加工凸台(401)上阵列分布的设置有若干轴对称的锥形发射体(402)；

栅极模块(3)，包括中部区域、一体式的设置在所述中部区域外围的栅极框架，所述栅极框架的厚度为0.2~2mm，所述中部区域的厚度≤0.1mm，或与所述栅极框架的厚度相同，所述中部区域根据厚度均匀设置有若干与所述锥形发射体(402)一一相对的圆柱形或圆锥形栅极孔(302)，所述栅极框架通过连接螺钉(2)或粘结剂连接设置在所述栅极安装结构(101)的安装接口上。

2.根据权利要求1所述的电喷雾推力器组件结构，其特征在于，所述发射体模块安装结构(104)包括：

支撑框，所述支撑框下沉地设置在所述框架主体中部，其中心贯穿设置有作为推进剂供给通道的中心通孔(107)，所述中心通孔(107)的截面形状和尺寸与所述发射体加工凸台(401)的截面形状和尺寸相一致；

发射体模块支撑面(102)，所述发射体模块支撑面(102)设置在所述支撑框朝向发射体模块(4)的端面，且与四个栅极安装结构(101)的顶面平行，用于支撑发射体模块(4)的底部；

粘结剂槽(103)，所述粘结剂槽(103)均匀设置在所述发射体模块支撑面(102)上；

若干均匀分布的发射体模块侧向定位面(108)，所述发射体模块侧向定位面(108)垂直于所述发射体模块支撑面(102)，并由所述框架主体的内侧向中心方向凸出形成，用于发射体模块(4)粘结时的周向限位。

3.根据权利要求2所述的电喷雾推力器组件结构，其特征在于，所述发射体模块安装结构(104)还包括：

吸附沟槽(110)，所述吸附沟槽(110)镂空设置在所述支撑框与所述框架主体之间，所述吸附沟槽(110)内填充设置有用于吸附溢出的推进剂的吸附材料。

4.根据权利要求2或3所述的电喷雾推力器组件结构，其特征在于，所述框架主体上还间隔设置有用于阻断发射体模块(4)溢出的推进剂向栅极模块(3)攀升路径的若干阻断槽(111)。

5.根据权利要求1所述的电喷雾推力器组件结构，其特征在于，所述框架模块(1)的材料为陶瓷PEEK、聚酰亚胺或陶瓷；所述发射体模块(4)的材料为非颗粒烧结的多孔硼硅酸盐玻璃。

6.根据权利要求1所述的电喷雾推力器组件结构，其特征在于，

所述栅极模块(3)具体包括：

板状主体，厚度为0.3~2mm，包括中部区域、一体式的设置在所述中部区域外围的栅极框架，所述中部区域均匀设置有若干与所述锥形发射体(402)一一相对的圆锥形的栅极孔(302)，当安装接口为螺纹孔(109)时，所述栅极框架均匀设置有若干与所述连接螺钉(2)对应的栅极安装孔(303)。

7.根据权利要求1所述的电喷雾推力器组件结构，其特征在于，

所述栅极模块(3)具体包括：

板状主体，厚度为0.2~2mm，包括中部区域、一体式的设置在所述中部区域外围的栅极框架，所述中部区域下沉地设置有厚度≤0.1mm的圆柱栅极孔加工区(301)，所述圆柱栅极孔加工区(301)内均匀设置有若干与所述锥形发射体(402)一一相对的圆柱形的栅极孔(302)，当安装接口为螺纹孔(109)时，所述栅极框架均匀设置有若干与所述连接螺钉(2)对应的栅极安装孔(303)。

8.一种电喷雾推力器组件结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1、采用机加工方法对切割好的发射体框架基材(5)进行初加工得到框架模块(1)；

S2、采用机加工方法在切割好的发射体基材(6)上加工出发射体加工凸台(401)，并在发射体基材(6)安装粘固在发射体模块安装结构(104)上的前提下，以发射体基材(6)上表面为参考平面，对栅极安装结构(101)的上表面进行再加工，使栅极安装结构(101)的上表面相对于发射体基材(6)上表面的平面度≤±5微米，且两者的间距满足发射体模块(4)与栅极模块(3)的间距需要；

S3、根据所选的栅极孔(302)形状对栅极基板(10)进行相应的初加工；

S4、采用同一加工平台、同一定位基准、在同一加工步在初加工的发射体基材(6)上和栅极基板(10)上分别激光加工出锥形发射体(402)、栅极孔(302)。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括步骤：

S201、根据框架模块(1)中发射体模块安装结构(104)的尺寸，切割得到发射体基材(6)；

S202、在发射体模块安装结构(104)的粘结剂槽(103)中放入粘结剂(7)，将切割好的发射体基材(6)放入发射体模块安装结构(104)，随后将压板(8)压在发射体基材(6)之上，并采用压紧螺钉(9)进行固定；

S203、将框架模块(1)和发射体基材(6)进行固化干燥后，取下压板(8)，接着在粘固好的发射体基材(6)上加工出发射体加工凸台(401)；

S204、以发射体基材(6)上表面为参考平面，对栅极安装结构(101)上表面进行再加工，使其相对于发射体基材(6)上表面的平面度≤±5微米，且发射体模块(4)与栅极模块(3)的间距满足设计需要，所述间距为50~400微米；

S205、根据栅极模块(3)与框架模块(1)的安装固定方式，在栅极安装结构(101)上加工出相应的安装接口，所述安装接口包括采用螺纹连接方式的螺纹孔(109)，或采用粘结方式的粘结剂槽。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括步骤：

S211、根据框架模块(1)中发射体模块安装结构(104)的尺寸，切割得到发射体基材(6)；

S212、在发射体基材(6)上加工出发射体加工凸台(401)；

S213、在粘结剂槽(103)中放入粘结剂(7)，将加工好发射体加工凸台(401)的发射体基材(6)放入发射体模块安装结构(104)，随后将压板(8)压在发射体基材(6)之上，并采用压紧螺钉(9)进行固定；

S214、将框架模块(1)和发射体基材(6)进行固化干燥后，取下压板(8)；

S215、以发射体基材(6)上表面为参考平面，对栅极安装结构(101)上表面进行再加工，使其相对于发射体基材(6)上表面的平面度≤±5微米，且发射体模块(4)与栅极模块(3)的间距满足设计需要，所述间距为50~400微米；

S216、根据栅极模块(3)与框架模块(1)的安装固定方式，在栅极安装结构(101)上加工出相应的安装接口，所述安装接口包括采用螺纹连接方式的螺纹孔(109)，或采用粘结方式的粘结剂槽。

11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

当所选的栅极孔(302)形状为圆锥形时，所述步骤S3具体包括步骤：

S301、按照要求切割得到与栅极安装结构(101)的尺寸相匹配的栅极基板(10)；

S302、当栅极模块(3)采用连接螺钉(2)与所述栅极安装结构(101)的安装接口相连接时，在所述栅极基板(10)的边缘均匀加工出若干与所述连接螺钉(2)对应的栅极安装孔(303)；

S303、对所述栅极基板(10)进行热处理，去除应力以满足平整度要求；

或者，

当所选的栅极孔(302)形状为圆柱形时，所述步骤S3具体包括步骤：

S311、按照要求切割得到与栅极安装结构(101)的尺寸相匹配的栅极基板(10)，所述栅极基板(10)的厚度为0.2~2mm；

S312、对所述栅极基板(10)进行热处理，去除应力以满足平整度要求；

S313、采用湿式刻蚀方法，在栅极基板(10)中间区域加工出厚度≤0.1mm的圆柱栅极孔加工区(301)；当栅极模块(3)采用连接螺钉(2)与所述栅极安装结构(101)的安装接口相连接时，采用湿式刻蚀方法在所述栅极基板(10)的边缘均匀加工出若干与所述连接螺钉(2)对应的栅极安装孔(303)；

S314、刻蚀完成后对栅极基板(10)进行清洗，去除光刻胶。

12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括步骤：

S401、采用螺钉或夹具将粘固在发射体模块安装结构(104)上的初加工的发射体基材(6)固定到飞秒激光加工平台中，调整激光加工头设定坐标原点，获得发射体基材(6)上表面的坐标，设定激光参数并规划加工路径在所述发射体基材(6)上激光加工出阵列分布的锥形发射体(402)；

S402、阵列分布的锥形发射体(402)加工完成后，采用氮气吹除加工碎削；

S403、将初加工的栅极基板(10)通过连接螺钉(2)或粘结剂固定到框架模块(1)的栅极安装结构(101)上；

S404、固定完成后，以锥形发射体(402)加工时的定位点为基础，在所述栅极基板(10)上激光加工出相应形状且阵列分布的栅极孔(302)。

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