一种适用于高压贮供模块的离子液体电喷雾推力器

技术领域

本发明属于空间推进技术领域，特别是一种适用于高压贮供模块的离子液体电喷雾推力器。

背景技术

离子液体电喷雾推力器是一种空间微型电推进装置。它所使用的推进剂由阴阳离子组成，在推进剂储存和工作条件下均为液态。在电场作用下，推进剂易被抽离成带电液滴或离子，发射出推力器，产生10～100μN量级的推力。具有体积小、比冲高、效率高等优势。适用于微纳卫星执行轨道调整、维轨等任务。

随着微小卫星应用的发展，对其推进系统的总冲提出了更高的要求，以完成升轨、相位调整、编队飞行等任务。近年来，国内外还提出了电-化学双模式离子液体推进系统，采用可燃烧的离子液体推进剂，以及一个推进剂贮箱的设置供给电喷雾推力器和单组元化学推力器，即能通过高比冲的电喷雾推进实现卫星长期维轨，也能在必要时通过单组元化学推力器实现快速机动响应。然而，现有离子液体电喷雾推力器主要存在以下问题：

(1)推进剂封装于其内部，储存容量有限，也不能实现推进剂的优化分配或构建电-化学离子液体双模式推进系统。

(2)推进剂贮箱需要一定压力排出推进剂，特别是对于电-化学离子液体双模式推进，单组元推进要求贮箱提供约1MPa的压力，与离子液体推力器所需的极低压力不匹配。

(3)由于推力器工作需要上千伏特的高电压，且推进剂本身具有导电性，直接连接会导致整个推进剂贮供系统带电，严重影响可靠性。

(4)如直接将推进剂贮供系统对接至推力器，还需要在μg/L量级精确控制流量，否则会影响电喷雾工作模式。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于高压贮供模块的离子液体电喷雾推力器，解决了高压贮箱的适配、电喷雾推力器与贮供系统绝缘、推进剂供给量控制的技术问题，以实现单个推进剂贮箱供给多个离子液体电喷雾推力器或实现电-化学离子液体双模式推进系统。

本发明的技术解决方案是：

一种适用于高压贮供模块的离子液体电喷雾推力器，包括：电磁阀对接法兰、毛细管、发射极、发射极电极、抽取极、绝缘柱和推力器外壳；

推力器外壳的一端开口，内部套装有发射极，形成腔体结构；推力器外壳的另一端通过绝缘柱固定连接电磁阀对接法兰，电磁阀对接法兰连接电磁阀；

毛细管的一端连接推力器外壳另一端上的通孔，用于向腔体结构内喷射推进剂形成雾锥；毛细管的另一端连接电磁阀，接收外部输送的推进剂；

电磁阀关闭时，毛细管内部残留的推进剂在真空条件下析出气泡，利用气泡将毛细管内的推进剂分隔为多个空腔，起到绝缘作用；

推力器外壳一端的端面上固定安装有抽取极，抽取极接地处理且与发射极之间不接触；

发射极上固定连接有发射极电极；推力器外壳上加工有通气孔；通气孔连通腔体结构和推力器外壳外部环境。

优选地，毛细管的内径小于或等于0.2mm，毛细管采用聚醚醚酮或聚全氟乙丙烯材料制作而成。

优选地，绝缘柱和推力器外壳均为绝缘材料；抽取极为金属薄片。

优选地，通气孔的孔径取值范围为0.5mm～2mm。

优选地，推力器外壳的内部朝向一侧的壁面设置有非浸润涂层，非浸润涂层采用疏水疏油纳米涂层。

优选地，发射极朝向毛细管一侧加工有凹槽结构，凹槽结构的截面尺寸大于推进剂形成雾锥的外包络；发射极凹槽结构和推力器外壳之间形成空腔结构。

优选地，发射极的材料能够通过毛细作用将空腔结构内表面的推进剂输送到抽取极一侧。

优选地，发射极由三氧化二铝颗粒、金属颗粒或硅酸盐颗粒烧结而成，或者在致密材料上通过微加工形成微通道，或者通过增材制造直接形成带有微通道的结构。

优选地，发射极朝向抽取极一侧的外表面加工有凸起结构，抽取极在发射极表面凸起结构的对应位置做镂空处理，使离子液体能够向外部发射；

优选地，凸起结构为阵列式的齿牙结构、棱状突起或柱状突起。

优选地，凸起结构截面顶端加工为尖角，尖角顶点到抽取极镂空区域两边之间的夹角取值范围不小于40°。

本发明与现有技术相比的优点在于：

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

(1)本发明可对接于高压推进剂贮供系统，实现推进剂的优化分配或构建电-化学离子液体双模式推进系统。

(2)本发明通过结构设计保证了电喷雾推力器与贮供系统之间的绝缘性。

(3)本发明的推进剂供给量通过电磁阀开启时间控制。推力器的发射极结构具有一定的缓冲作用，无需采用高精度微流量控制器。

附图说明

图1为传统离子液体电喷雾推力器；

图2为电-化学双模式离子液体推进系统；

图3为本发明离子液体电喷雾推力器结构图；

图4为本发明一实施例中发射极凸起结构的结构图；

图5为本发明一实施例中抽取极结构图；

图6为本发明一实施例中抽取极镂空尺寸与发射极凸起结构尺寸配合关系示意图。

具体实施方式

为更好地对本发明进行描述，下面配合示意图及实例对本发明进行详细说明。

本发明内容是离子液体电喷雾推力器以及适配于高压贮供模块的推进剂的供给方法。传统离子液体电喷雾推力器的结构如图1所示。主要由绝缘外壳、多孔陶瓷，发射极电极、抽取极等组成，推进剂封装在推力器内部。为了更充分地利用所携带的推进剂，本发明提供如图2所示的推进系统设计：由一个贮箱为多个推力器供给推进剂。

如图3所示，本发明为一种适用于高压贮供模块的离子液体电喷雾推力器，主要包括：电磁阀对接法兰1、毛细管2、发射极4、发射极电极6、抽取极7、绝缘柱8和推力器外壳9。

毛细管2的一端固定连接电磁阀对接法兰1，毛细管2的另一端插入推力器外壳9的通孔并固定连接推力器外壳9。毛细管2内径小于或等于0.2mm，可采用聚醚醚酮(peek)或聚全氟乙丙烯等材料，所选材料需对推进剂具有非浸润性。电磁阀对接法兰1与推力器外壳9之间通过绝缘柱8相接。电磁阀关闭时，毛细管2内部残留的推进剂在真空条件下析出气泡，确保毛细管2两端的绝缘。电磁阀开启时，毛细管2起到节流的作用，推进剂通过后压力降低，并在毛细管2出口处(即发射极4和推力器外壳9之间的空腔内)形成雾锥。

推力器外壳9的内部安装发射极4；发射极4朝向毛细管2一侧加工有凹槽结构，减少推进剂的飞溅，凹槽结构的截面尺寸大于推进剂形成雾锥的外包络。发射极4和推力器外壳9之间插接固定。发射极4凹槽结构和推力器外壳9之间形成空腔结构。如图3所示，抽取极7固定安装在推力器外壳9的上端面上，抽取极7通常采用金属薄片。

发射极4的材料可以是由三氧化二铝颗粒、金属颗粒、硅酸盐颗粒等烧结而成，或者在致密材料上通过微加工形成微通道，或者通过增材制造直接形成带有微通道的结构，发射极4的材料能够通过毛细作用将空腔结构内表面的推进剂输运到抽取极7一侧。发射极4可为一个整体加工或由多种材料加工后拼接而成。

推力器外壳9的内部朝向4一侧的壁面设置有非浸润涂层3，非浸润涂层3可采用疏水疏油纳米涂层，能够减少推力器外壳9的内部表面残留的推进剂，进一步增加绝缘性。推力器外壳9的侧壁开设通气孔5，用于平衡推力器内外压力。通气孔5的孔径取值范围为0.5mm～2mm。

用于离子液体发射的结构与传统设计相似。发射极4朝向抽取极7一侧的外表面加工有凸起结构，抽取极7在发射极4表面凸起结构的对应位置做镂空处理，使离子液体能够向外部发射。凸起结构可以为阵列式的齿牙结构、棱状突起或柱状突起，凸起高度约为200～500微米。本发明一个实施例如图4所示，截面为三角形，截面底边的宽度约为100至300微米，顶端加工为尖角。如图6所示，凸起结构截面顶点到抽取极7镂空区域两边之间的夹角取值范围不小于40°。本发明一个实施例的抽取极7镂空区域如图5所示。

发射极4的外壁上设置有发射极电极6，两者之间贴靠接触。约1000～5000V的高压电通过发射极电极6与发射极4。发射电极6与发射极4接触面积应尽可能的增大，以保证导电性能。地线与抽取极7直接相连接。

本发明在首次工作前，推力器内部不储存推进剂，可避免长期储存对表面推进剂的氧化、发射过程的振动造成的推进剂外流。在首次工作时，电磁阀以短脉冲形式打开，推进剂经过电磁阀对接法兰1进入毛细管2，并在毛细管2末端雾化形成推进剂雾锥，到达发射极4的凹陷处。随后，发射极4迅速吸收推进剂，并通过毛细作用运输至外表面，使发射极4的突起结构外表面浸润。此时具备加电状态，可为推力器的发射极电极6提供工作电压，开始工作，进行电喷雾发射产生推力。

电源的高压供电与发射极电极6相连接，地线与抽取极7相连接。推力器的电源为推力器提供高压供电，并且能够测量回路(发射极电极6和抽取极7之间)中的电流。当发射极4内部的推进剂偏少时，推力器的工作电流下降，再次以脉冲形式打开电磁阀为推力器补充推进剂。

为满足绝缘要求，采用绝缘材料制作绝缘柱8与推力器外壳9，采用绝缘非浸润材料的毛细管2。此时，离子液体推进剂本身是电极6与电磁阀之间唯一的导电物质。由于推力器外壳9上留出通气孔5，推力器内部为真空环境。通常状态下，毛细管2内会残留一定推进剂，在真空环境中，推进剂中溶解的少量N

实施例

本发明一种适用于高压贮供模块的离子液体电喷雾推力器包括：对接结构和电喷雾发射装置。其中，对接结构与推进剂贮供系统的电磁阀直接相连。电磁阀开启时，推进剂经对接装置流入电喷雾发射装置，实现推力器的加注，满足工作条件，为电极通电时即可实现推进剂的发射，产生推力。

对接结构包括：电磁阀对接法兰1，毛细管2和绝缘柱8。电喷雾发射装置包括：发射极4，发射极电极6，抽取极7和推力器外壳9。发射极4可采用多孔陶瓷材料或具有微型液体通道的材料，可通过毛细现象将推力器内部的离子液体推进剂输运到其表面，发射极4表面通常具有阵列式的凸起，在电场多用下发射离子液体推进剂；抽取极7放置于发射极4表面上方，抽取极7在发射极4表面凸起的对应位置做镂空处理，使离子液体能够向外部发射。

所述推力器采用脉冲形式的推进剂供给，而非连续供给。电磁阀开启时，推进剂在压力作用下通过毛细管2进入电喷雾发射装置内部，在毛细管2出口形成雾锥，到达发射极4的内表面，然后通过毛细作用缓慢输运到其外表面。电磁阀关闭时，毛细管2内部的推进剂析出气泡导致液路断开，保证推力器与法兰盘1的绝缘。通过供电电源的反馈可确定电磁阀开阀时机。

电喷雾发射装置的发射极4内侧具有凹槽，减少推进剂向推力器外壳9壁面的溅射，同时推力器外壳9内表面具有非浸润涂层3，减少推进剂的附着、增加绝缘性。推力器外壳9具有通气孔5，用于平衡内外压力。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。