一种新型静电推力器和提高推力器推进效率的方法

技术领域

本发明属于推进器领域，尤其涉及一种新型静电推力器和提高推力器推进效率的方法。

背景技术

在当前微卫星推进领域，为增强卫星的轨道能力，提出了一种电推进装置，尤其是一种静电推力器。该静电推力器通常主要包括阵列式的发射锥体和电极板，该发射锥体为多孔材料，在发射锥体和电极板之间施加高电势，利用所产生的电场以使推进剂离子化并从发射锥体喷射至电极板方向，从而产生强大推力。

然而，现有的从发射锥体喷射出的离子液体通常是直接利用多孔材料的材料属性，产生毛细现象以吸收推进剂至发射尖端，但推进剂是通常存储于液体存储腔内，将存储腔内的推进剂利用物理传导到达发射极，并最终传导至发射尖端会尤其耗时，且无法对毛细行进轨迹进行提前规划，无法自动化控制电离程度，从而导致电离效率低下的问题。

同时，现有的推进剂在浸润的过程中速度慢，其浸润量、浸润速度和浸润密度均过分依靠多孔材料的材质本身，导致推进剂在所述腔体外顶端分布不均，使得推进剂喷射密度不均，部分从尖端喷射出的推进离子速度快、喷射量大，而部分从尖端喷射出的推进离子速度慢、喷射量小，大大降低了推进质量，增加了推力器的推进不平衡。

本发明设计一种新型静电推力器来解决如上问题。

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。

一种新型静电推力器，主要包括机壳、储液室、离子源组件、栅极板和传输管，所述储液室内储存推进剂液体，该推进剂液体用于到达离子源组件以向栅极板方向发射离子，所述离子源组件为多孔材料制成，其包括底面和位于底面上的发射锥阵列，该发射锥阵列的每个发射锥均与位于离子发射方向的栅极板上的栅极板通孔一一对应；所述到达离子源组件为通过传输管将储液室内的推进剂液体推进至离子源组件处与通过离子源组件的多孔材料吸附所述推进剂以使其到达离子源组件处相结合的方式。

作为本技术的进一步改进，所述离子源组件与所述栅极板分别接正电极和负电极，以在所述离子源组件的发射锥阵列和栅极板之间产生电势差，使得位于发射锥尖端的推进剂液体被电离并喷射至栅极板并贯穿所述通孔，其中，所述发射锥尖端的延长线与所述通孔中轴线基本共线。

作为本技术的进一步改进，所述传输管的两端均与储液室连通。

作为本技术的进一步改进，所述推进剂优选为铟；或所述多孔材料优选为钨。

作为本技术的进一步改进，在传输管内设置有推进装置，以便于使所述推进剂液体或气体可在该传输管内流通，所述推进装置表面做绝缘处理，且优选为微型真空推进泵、驱动涡轮或磁力微型齿轮。

本发明还包括：

一种提高上述任一项所述的推力器的推进效率的方法，其特征在于：所述推力器还包括位于所述储液室内底部的加热装置，用于提高推进剂温度；

在推力器点火前，对所述加热装置进行加热，推进剂温度升高，储液室内充满气、液态推进剂，同时所述传输管内的推进装置启动，使得在其一侧产生正压，另一侧产生负压，以使在负压一侧的推进剂液体或气体从传输管的一端被吸入所述传输管，并经过该推进装置后流向所述正压一侧，使得所述推进剂液体或气体从所述传输管的另一端流回储液腔；在所述推进剂经过传输管时，由于离子源组件的多孔材料属性，使得所述推进剂被吸附于所述离子源组件上，进而传导至所述发射锥；

推力器点火后，使得在所述离子源组件的发射锥阵列和栅极板之间产生电势差，推进剂液体由发射锥尖端被喷射出，经过所述通孔并产生推力。

作为本技术的进一步改进，所述离子源组件被分为依次排布的第一区和第二区，所述传输管仅经过所述离子源组件的第一区，以使从传输管内的推进剂被该第一区的离子源组件吸附，并迅速浸润至第一区的发射锥尖端，使得在推力器点火后，相比于第二区，从该第一区发射锥尖端喷射的离子液体喷射响应速度更快、喷射量更大，在推力器第一区和第二区所受到的不平衡推力的影响下，该推力器可实现旋转。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、现有的推进剂在浸润的过程中速度慢，其浸润量、浸润速度和浸润密度均过分依靠多孔材料的材质本身以及浸润距离，导致推进剂在离子源组件上分布不均，使得推进剂喷射密度不均，部分从尖端喷射出的推进离子速度快、喷射量大，而部分从尖端喷射出的推进离子速度慢、喷射量小，大大降低了推进质量，增加了推力器的推进不平衡。本发明在离子源组件处设置传输管，该传输管在经过该离子源组件区域时，均匀分布于每个发射锥下方，使得每个发射锥下方的推进剂基本上同时开始利用多孔材料的材质特性而浸润所述发射锥，且基本上同时到达发射锥尖端。并且也可根据多孔材料物理属性与传输管的管径布置来提高推进剂的浸润路径与浸润速度，由此可以使喷射密度均匀，从各个发射锥尖端喷射出的带电离子的喷射量和喷射速度一致，同时也可自定义设计，大大提高了推进质量、推进效率和自动化程度，大大增加了推力器的可控性。

2、本发明对所述传输管的路径进行预先规划，在起点与终点确定的情况下，可以根据从离子源组件上的不同区域发射锥的不同喷射速度与喷射量的要求，来适应性地为推力器在直线行进方向上的角度旋转提供可能，由于传输管经过的发射锥区域所喷射出的离子液体通常响应速度快且喷射量大，因而这些区域所产生的推力也相比其他区域更大，在不平衡推力的影响下，该推力器可实现旋转。

附图说明

图1是现有技术中的推力器结构示意图。

图2是本发明的推力器结构示意图。

图3是图2俯视方向的离子源组件示意图。

具体实施方式

本发明提供如下具体实施方式：

一种新型静电推力器，主要包括机壳1、储液室2、离子源组件3、栅极板4和传输管5，所述储液室2内储存推进剂液体，该推进剂液体用于到达离子源组件3以向栅极板4方向发射离子，所述离子源组件3为多孔材料制成，其包括底面3-1和位于底面上的发射锥阵列3-2，该发射锥阵列3-2的每个发射锥均与位于离子发射方向的栅极板4上的栅极板通孔4-1一一对应；所述达到离子源组件3为通过传输管5将储液室2内的推进剂液体推进至离子源组件3处与通过离子源组件3的多孔材料吸附所述推进剂以使其到达离子源组件3相结合的方式。

所述栅极板4共有阵列分布的640个通孔4-1，按照40×16方式排列，该栅极板4位于离子源组件3的上方，即离子行进的后方。离子源组件3的底面3-1与发射锥阵列3-2贴合，发射锥阵列3-2包括640个发射锥，也按照40×16的方式排列，其与所述栅极板4的通孔4-1一一对应，以便于从发射锥喷射的离子液体从该通孔4-1穿过。在点火后，栅极板3为负电压，离子源组件3为正电压，此时利用中和装置发射电子以对离子束进行中和。

作为本技术的进一步改进，所述离子源组件3与所述栅极板4分别接正电极和负电极，以在所述离子源组件3的发射锥阵列3-2和栅极板4之间产生电势差，使得位于发射锥尖端的推进剂液体被电离并喷射至栅极板通孔4-1，其中，所述发射锥尖端的延长线与所述通孔4-1中轴线基本共线，也可以与所述中轴线间隔一定距离，该距离小于所述通孔的半径。

作为本技术的进一步改进，所述传输管5的两端均与储液室2连通。

作为本技术的进一步改进，在传输管5内设置有推进装置6，以便于使所述推进剂液体或气体可在该传输管5内流通，所述推进装置6表面做绝缘处理，以避免推进剂短路，所述推进装置6优选为微型真空推进泵、驱动涡轮或磁力微型齿轮。

作为本技术的进一步改进，所述推进剂优选为铟；所述多孔材料优选为钨。

作为本技术的进一步改进，所述通孔4-1的直径优选为0.2-0.3mm，厚度优选为0.1mm，所述发射锥尖端距离所述栅极板3最近端的距离优选为0.2mm。

作为本技术的进一步改进，本发明尤其适合于10KG以下的微型卫星推力需求，推力在微牛或毫牛级。

本发明还包括如下实施方式：

一种提高推力器的推进效率的方法，其特征在于：所述推力器包括位于储液室2内底部的加热装置7，用于提高推进剂温度；所述加热装置7为正温度系数PTC陶瓷发热体或金属陶瓷发热体MCH陶瓷加热器。

在推力器点火前，对所述加热装置7进行加热，加热温度为180度，推进剂温度升高，储液室2内充满气和/或液态推进剂，同时所述传输管5内的推进装置6启动，使得在其一侧产生正压，另一侧产生负压，以使在负压一侧的推进剂液体或气体从传输管5的一端被吸入所述传输管，并经过该推进装置6后流向所述正压一侧，使得所述推进剂液体或气体从所述传输管5的另一端流回储液室2；在所述推进剂经过传输管5时，由于离子源组件的多孔材料属性，产生毛细现象使得所述推进剂被吸附于所述离子源组件上，进而迅速传导至所述发射锥。

推力器点火后，使得在所述离子源组件3的发射锥阵列3-2和栅极板4之间产生电势差，推进剂液体由发射锥尖端向中和器方向被喷射出，经过所述通孔4-1并产生推力。

作为本技术的进一步改进，所述离子源组件3被分为依次排布的第一区A和第二区B，如图3所示为图2的俯视方向离子源组件分区示意图，所述传输管5仅经过所述离子源组件3的第一区A（优选沿经第一区A的中线位置），以使从传输管5内的推进剂被该第一区A的离子源组件3吸附，并迅速浸润至第一区A的发射锥尖端，使得在推力器点火后，相比于第二区B，从该第一区A发射锥尖端喷射的离子液体喷射响应速度更快、喷射量更大，在推力器的不平衡推力的影响下，该推力器可实现旋转。其中，第一区A所在的区域即为附图3的矩形上部分区域，第二区B所在的区域即为附图3的矩形下部分区域。

作为本技术的进一步改进，所述传输管5的一端可以浸没于推进剂液体液面以下，且另一端位于所述推进剂液体液面以上；或者所述传输管5的两端均浸没于所述液面以下；或者均位于所述液面以上。

作为本技术的进一步改进，所述推进装置6由控制器控制，根据推进角度变化或不平衡推力变化的时机而适应性地启动或停止，或调整功率输出。

作为本技术的进一步改进，所述传输管5在储液室内壁内的布置路线可以自适应地调整，不仅限于附图中的布置路径。尤其的，所述传输管5在离子源组件3的底面3-1内的布置路径根据所述不平衡推力的角度和力度要求均可以作出适应性设计，不局限于说明书附图中的布置路径。根据实际不同的不平衡推力要求，也可以将所述离子源组件3分为多个区域，不局限于第一区A和第二区B，并且所述多个区域在所述离子源组件3上的区域划分形状也可以为规则或不规则图形，在此不再赘述。

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。