CN113606102B - 一种磁聚焦场致发射微电推进装置 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种磁聚焦场致发射微电推进装置，包括推进剂存储腔、支撑连接结构、绝缘基底、发射极、绝缘支撑结构、栅极和环形磁铁，支撑连接结构安装于推进剂存储腔的输出端，发射极通过绝缘基底安装于支撑连接结构上，支撑连接结构、绝缘基底的通孔与推进剂存储腔的输出孔贯通；栅极通过绝缘支撑结构安装于支撑连接结构上方，绝缘支撑结构的高度高于栅极和绝缘基底的高度之和，栅极和发射极间隔设置，发射极位于绝缘支撑结构、栅极以及绝缘基板之间形成的空间内；环形磁铁套设于绝缘支撑结构上。本申请在装置电极附近增加电磁场，对产生的离子束流约束，驱使离子束流沿轴向方向喷出形成推力，有效降低羽流发散程度，减小羽流发散带来的推力损失。

Description

一种磁聚焦场致发射微电推进装置

技术领域

本发明属于空间电推进技术领域，涉及一种磁聚焦场致发射微电推进装置。

背景技术

场致发射微电推进装置由于具有结构简单、效率高、比冲大等优点，是未来微纳小卫星平台理想的动力装置。这种推进装置在使用过程中通常依靠电极间的强电场将推进剂电离并在电场力的作用下喷射出去，形成推力作用于卫星平台。推进剂电离后喷射出去的方向主要由电极间的电场位形来决定。目前已有的电推进装置设计存在的问题是因装置本身电极结构引起所产生的离子束流在高强电场中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、电极烧蚀和推进效率降低等。

发明内容

为了解决相关技术中的问题，本申请提供了一种磁聚焦场致发射微电推进装置，技术方案如下：

一种磁聚焦场致发射微电推进装置，包括推进剂存储腔、支撑连接结构、绝缘基底、发射极、绝缘支撑结构、栅极和环形磁铁，其中：

所述支撑连接结构安装于所述推进剂存储腔的输出端，所述发射极通过所述绝缘基底安装于所述支撑连接结构上，所述支撑连接结构、所述绝缘基底上均开设有通孔，所述支撑连接结构、所述绝缘基底上的通孔L与所述推进剂存储腔的输出孔贯通且同轴排布；

所述栅极通过所述绝缘支撑结构安装于所述支撑连接结构上方，所述绝缘支撑结构的高度高于所述栅极和所述绝缘基底叠加后的高度之和，所述栅极和所述发射极间隔相对设置，所述发射极位于所述绝缘支撑结构、所述栅极以及所述绝缘基底之间形成的空间内；

所述环形磁铁套设于所述绝缘支撑结构上。

可选的，所述环形磁铁的外径与所述支撑连接结构的外径相同，且所述环形磁铁与所述支撑连接结构同轴安装。

可选的，所述绝缘支撑结构包括支撑部和用于承载所述栅极的承载部，所述承载部与所述支撑部的内径相同且同轴心设置，所述承载部的外径大于所述支撑部的外径；所述承载部、所述支撑部的外径壁、所述支撑连接结构之间形成环形空间，所述环形磁铁容置于所述环形空间内。

可选的，所述环形磁铁远离所述栅极的一端搭载于所述支撑连接结构上。

可选的，所述环形磁铁的内径与所述绝缘支撑结构的外径匹配，所述环形磁铁的内径壁与所述绝缘支撑结构的外径壁贴合安装。

可选的，所述环形磁铁为永磁铁。

可选的，所述环形磁铁为电磁线圈。

可选的，所述环形磁铁采用铷铁硼磁铁材料制成。

可选的，所述环形磁铁在栅极与发射极间区域所形成的磁场沿所述电推进装置轴线方向向上，并与所述栅极与所述发射极之间所形成的电场方向一致。

可选的，所述环形磁铁在栅极与发射极间区域形成的磁场的磁场强度为0～0.1T。

基于上述技术方案，本申请至少可以实现如下有益效果：

通过在装置电极附近增加附加电磁场，实现对产生的离子束流的约束，驱使离子束流沿轴向方向喷出形成推力，有效降低羽流发散程度，减小羽流发散带来的推力损失；提高了场致发射微电推进装置的推力水平，且结构简单可靠。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的磁聚焦场致发射微电推进装置的示意图；

图2是图1提供的磁聚焦场致发射微电推进装置的磁聚焦原理的示意图。

附图标记如下：

1、推进剂存储腔；2、支撑连接结构；3、绝缘基底；4、发射极；5、绝缘支撑结构；6、栅极；7、环形磁铁。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是本申请一个实施例中提供的磁聚焦场致发射微电推进装置的示意图，本申请提供的磁聚焦场致发射微电推进装置包括推进剂存储腔1、支撑连接结构2、绝缘基底3、发射极4、绝缘支撑结构5、栅极6和环形磁铁7，各个部件的安装关系如下：

所述支撑连接结构2安装于所述推进剂存储腔1的输出端，所述发射极4通过所述绝缘基底3安装于所述支撑连接结构2上，所述支撑连接结构2、所述绝缘基底3上均开设有通孔，所述支撑连接结构2、所述绝缘基底3上的通孔L与所述推进剂存储腔1的输出孔贯通且同轴排布。存储腔1内的推进剂能够通过输出孔直接进入发射极4的多孔材料的孔中。推进剂不断在发射极4电离发射，存储腔1内的推进剂不断补充到发射极4中。

所述栅极6通过所述绝缘支撑结构5安装于所述支撑连接结构2上方，所述绝缘支撑结构5的高度高于所述栅极6和所述绝缘基底3叠加后的高度之和，所述栅极6和所述发射极4间隔相对设置，所述发射极4位于所述绝缘支撑结构5、所述栅极6以及所述绝缘基板之间形成的空间内，发射极4上设有发射锥，通过绝缘支撑结构5与栅极6和绝缘基底3叠加的高度差，确保栅极6不与发射锥的尖端接触。推进剂在发射锥尖端电离，同时受到栅极6和发射极4之间的电场作用被加速。发射极4为多孔金属材料，其孔径只有几微米，因而液态的推进剂可以在多孔材料毛细力的作用下向发射极4的发射锥顶点处移动，然后在强电场作用下被电离。

所述环形磁铁7套设于所述绝缘支撑结构5上。

在一种可能的实现中，所述环形磁铁7可以为永磁铁。在另一种可能的实现中，所述环形磁铁7可以为电磁线圈。在再一种可能的实现中，所述环形磁铁7还可以采用铷铁硼磁铁材料制成。

在实际实现中，为了保证环形磁铁7的外径面与支撑连接结构2的外径面在同一个圆周面上，所述环形磁铁7的外径与所述支撑连接结构2的外径相同，且所述环形磁铁7与所述支撑连接结构2同轴安装。环形磁铁如此设置能够在简化结构的同时，通过环形磁铁形成的磁场，对发射极与栅极之间产生的离子起到约束作用，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。

可选的，所述绝缘支撑结构5可以包括支撑部和用于承载所述栅极6的承载部，所述承载部与所述支撑部的内径相同且同轴心设置，所述承载部的外径大于所述支撑部的外径；所述承载部、所述支撑部的外径壁、所述支撑连接结构2之间形成环形空间，所述环形磁铁7容置于所述环形空间内。

换句话说，环形磁铁7套设于绝缘支撑结构5的支撑部外围，且卡扣于承载部和支撑连接结构2之间，保证环形磁铁7的牢固性。所述环形磁铁在所述栅极6与所述发射极4间区域所形成的磁场沿所述电推进装置轴线方向向上，并与所述栅极6与所述发射极4之间所形成的电场方向一致，使得在栅极6与发射极4间形成能够稳定约束发射极4与栅极6之间产生的离子的磁场，通过控制离子聚拢射出的约束方向，确保电离后的离子能够向约束方向聚拢射出。

优选的，所述环形磁铁在栅极与发射极间区域形成的磁场的磁场强度为0～0.1T，其与发射极与栅极之间施加强电场(10kV左右)相互匹配，能够保证聚拢离子的同时避免对其他设备造成干扰。

在另一种可能的实现方式中，所述环形磁铁7远离所述栅极6的一端搭载于所述支撑连接结构2上。

可选的，所述环形磁铁7的内径与所述绝缘支撑结构5的外径匹配，所述环形磁铁7的内径壁与所述绝缘支撑结构5的外径壁贴合安装。环形磁铁与绝缘支撑结构贴合安装可以在一定程度上缩小整个电推进装置的尺寸，使其能在微纳小卫星平台应用，拓展了电推进装置的使用范围。

所述环形磁铁7可以为永磁铁，永磁铁不需要外部供电即可自身产生约束羽流所需的磁场，永磁铁为环形结构可以确保在栅极6与发射极4之间区域所形成的磁场沿电推进装置轴线方向向上，如图2所示，根据带电粒子在磁场中的运动理论，该磁场对其中带正电的离子起到了约束作用，改变带正电离子原来的运动轨迹，驱使其沿轴向螺旋喷出。本实施例中环形磁铁不需外部供电即可自身产生约束电场羽流所需的磁场，简化了电路的复杂程度。

综上所述，本申请提供的磁聚焦场致发射微电推进装置，通过在装置电极附近增加附加电磁场，实现对产生的离子束流的约束，驱使离子束流沿轴向方向喷出形成推力，有效降低羽流发散程度，减小羽流发散带来的推力损失，提高推进效率；提高了场致发射微电推进装置的推力水平，且结构简单可靠。

另一方面，由于通过永磁体生成附加磁场，使得在提高束流效应的同时，没有增加系统电源驱动的需求。

为了使本领域技术人员技术人员对本发明的技术方案有更清楚地了解，现介绍本发明的工作原理如下：

本发明的磁聚焦场致发射微电推进装置通过在发射极与栅极之间施加强电场(10kV左右，例如9-11kV)将发射极顶点处的推进剂电离，电离形成的带正电的离子在强电场作用下由发射极向栅极高速运动并穿过栅极孔形成离子流喷射出去形成推力，附加磁场同时作用到运动的离子体上，对其产生洛伦兹力，将离子体的径向运动约束到轴向上来，进一步约束了离子流的发散，产生磁聚焦效应，减小了推进装置的羽流发散角。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种磁聚焦场致发射微电推进装置，其特征在于，所述磁聚焦场致发射微电推进装置包括推进剂存储腔、支撑连接结构、绝缘基底、发射极、绝缘支撑结构、栅极和环形磁铁，其中：

所述支撑连接结构安装于所述推进剂存储腔的输出端，所述发射极通过所述绝缘基底安装于所述支撑连接结构上，所述支撑连接结构、所述绝缘基底上均开设有通孔，所述支撑连接结构、所述绝缘基底上的通孔L与所述推进剂存储腔的输出孔贯通且同轴排布；

所述栅极通过所述绝缘支撑结构安装于所述支撑连接结构上方，所述绝缘支撑结构的高度高于所述栅极和所述绝缘基底叠加后的高度之和，所述栅极和所述发射极间隔相对设置，所述发射极位于所述绝缘支撑结构、所述栅极以及所述绝缘基底之间形成的空间内；

所述环形磁铁套设于所述绝缘支撑结构上，所述环形磁铁的外径与所述支撑连接结构的外径相同，且所述环形磁铁与所述支撑连接结构同轴安装，所述环形磁铁在所述栅极与所述发射极间区域所形成的磁场沿所述电推进装置轴线方向向上，并与所述栅极与所述发射极之间所形成的电场方向一致。

2.根据权利要求1所述的磁聚焦场致发射微电推进装置，其特征在于，所述绝缘支撑结构包括支撑部和用于承载所述栅极的承载部，所述承载部与所述支撑部的内径相同且同轴心设置，所述承载部的外径大于所述支撑部的外径；

所述承载部、所述支撑部的外径壁、所述支撑连接结构之间形成环形空间，所述环形磁铁容置于所述环形空间内。

3.根据权利要求1所述的磁聚焦场致发射微电推进装置，其特征在于，所述环形磁铁远离所述栅极的一端搭载于所述支撑连接结构上。

4.根据权利要求1所述的磁聚焦场致发射微电推进装置，其特征在于，所述环形磁铁的内径与所述绝缘支撑结构的外径匹配，所述环形磁铁的内径壁与所述绝缘支撑结构的外径壁贴合安装。

5.根据权利要求1所述的磁聚焦场致发射微电推进装置，其特征在于，所述环形磁铁为永磁铁。

6.根据权利要求1所述的磁聚焦场致发射微电推进装置，其特征在于，所述环形磁铁为电磁线圈。

7.根据权利要求1所述的磁聚焦场致发射微电推进装置，其特征在于，所述环形磁铁采用铷铁硼磁铁材料制成。

8.根据权利要求1所述的磁聚焦场致发射微电推进装置，其特征在于，所述环形磁铁在栅极与发射极间区域形成的磁场的磁场强度为0～0.1T。

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