一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統的製作方法
2023-06-28 06:48:56 1
專利名稱：一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種液態金屬離子推進器，具體涉及一種液態金屬離子推進器的推進劑管理系統。
背景技術：
離子推進器是電推進的一種，其特點是推力小、比衝高、廣泛應用於空間推進，如太空飛行器姿態控制、位置保持、軌道機動和星際飛行等。離子推進器也是一種動力裝置，評價性能的方法是在保證其推力和比衝的條件下，評價效率的高低，效率越高，說明推進器性能越好，直觀表現為在一定的推力和比衝下，離子推進器所消耗的功率越小，那麼性能就越優。在進行離子推進器性能評價時，首先要測量推力和比衝，然後再測量或推算效率，或者說是測量推進劑的利用率和所消耗的電功率。空間科學的發展對衛星及其推進系統提出越來越高的要求。而衛星的體積、重量、壽命主要影響因素為推進系統。在以液態金屬作為工質的場發射電推進器中，工質的消耗速率遠小於一般冷氣推進器，因此常規系統無法適用於液態金屬工質的流動控制。也有國外公司正在研究場發射電推進器(FEEP)，例如，義大利Alta公司正在研究的場發射電推進器(FEEP)與本發明有類似的用途，區別如下:1)本發明提出了適用於狹縫型場發射推進劑的限流結構，使用刻蝕工藝形成的毛細通道來限制推進劑的流速，以此降低中性液滴的發射，提高推進器的比衝和壽命，中性液滴的減少也極大地降低了由於液滴攀附在兩極之間造成的短路風險；2)使用工質不同因而結構不同，前者適用於金屬銫，本發明適用於金屬鎵為推進劑，從而降低結構複雜性提高可靠性；3)熱膨脹爆破目的不同，前者只是用於打開密封結構，後者則增加了主動浸潤，因此爆破片及密封圈的位置不同。
發明內容
本發明提供一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，以解決現有技術中存在的常規系統無法適用於液態金屬工質的流動控制的問題。為實現上述目的，採用以下技術方案:一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，包括:存儲室，所述存儲室具有球柱或球型的內腔結構，所述內腔結構的內壁上設置有毛細導流板；毛細通道，所述毛細通道連接限流微通道與存儲室；發射極，所述發射極由發射極上部分和發射極下部分組成，所述發射極上部分和下部分相接的狹縫面為光潔平面；限流微通道，所述限流微通道設置在發射極下部分的狹縫面上，所述限流微通道的前端設置有面狀刻蝕區域，所述面狀刻蝕區域與發射極的狹縫口連接，所述限流微通道的中間部分為線狀溝槽，所述限流微通道的後端與毛細通道的開口相連；爆破膜，所述爆破膜設置在毛細通道與發射極下部分的交接處；密封圈，所述密封圈設置在發射極下部分與發射極支架的連接處。優選地，所述限流微通道的線寬為10 1000 μ m,深度為0.5 5 μ m。
優選地，所述存儲室的材料為低膨脹率合金。
優選地，所述發射極上部分和下部分的光潔平面的平面度小於0.3 m。優選地，所述發射極的尖端弧度小於5 iim，線狀噴口直線度小於5 iim。優選地，所述爆破膜為聚四氟乙烯膜或者金屬薄膜。優選地，所述密封圈為C型或0型彈性金屬密封圈。優選地，所述存儲室的外側設置有加熱裝置，所述加熱裝置為電阻型加熱器。優選地，所述存·儲室的一側設置有推進劑加注閥。本發明的有益效果:由於在系統中設置了毛細通道和限流微通道，因此能利用微流結構限制流速，從而減少中性液滴的產生，避免流速過大導致產生大液滴引起的短路風險，提高了電離率和可靠性；由於在系統中設置了加注閥和爆破膜，並利用液態金屬密度隨溫度變化特性，用加熱器對推進劑進行加熱，利用推進劑膨脹壓力打開本系統設置的爆破膜，從而使推進劑從存儲室膨脹至狹縫口，提高推進劑與限流微通道表面之間的浸潤效果，降低由於毛細通道表面汙染導致浸潤失效而引起的可靠性問題，所以有效地解決了工質加注、存儲、供給的多工況需要，進一步地優化了系統的機構設置；除此之外，本發明還具有總體無運動機構、結構簡單、過程可控、可靠性高的優點。
下面根據實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明。圖1是本發明所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統的整體結構示意圖；圖2是本發明所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統的內部結構示意圖；圖3是圖2的D— D向視圖；圖4是本發明所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統的剖面圖；圖5是圖4中標號10所示區域的局部放大圖。圖中:1、狹縫面；2、加熱裝置；3、發射極支架；4、發射極上部分；5、發射極下部分；6、限流微通道；7、推進劑加注閥；8、存儲室；9、毛細導流板；10、放大區域；11、毛細通道；12、爆破膜；13、密封圈。
具體實施例方式如圖1至圖5所示，給出了本發明的一個具體實施例，本發明包括存儲室8、發射極、發射極支架3、加熱裝置2、推進劑加注閥7，發射極由發射極上部分4和發射極下部分5組成，二者之間構成一個狹縫面1，發射極上部分4和發射極下部分5的狹縫面I為光潔平面，平面度小於0.3 y m。對發射極的狹縫尖端進行光學研磨拋光，使發射極的尖端弧度小於5 um,線狀噴口直線度小於5 ii m。發射極支架3設置在發射極和存儲室8之間，將發射極和儲存室8連接在一起，並設有允許工質從存儲室8到發射極的毛細通道11，發射極支架3與發射極下部分5之間設置有密封圈13，密封圈為C型或0型彈性金屬密封圈。存儲室8的一側設置有推進劑加注閥7，存儲室8的外側設置有加熱裝置2，加熱裝置2為電阻型加熱器，並且高壓絕緣，其內附有溫熱電偶。加熱裝置2，加熱裝置2用於使推進劑熔化，並有利於毛細通道11的初次浸潤。存儲室8為球柱或球型內腔結構，內壁附有毛細導流板9，毛細導流板9的作用為使推進劑在表面張力作用下，主要流向毛細通道11，毛細通道11連接限流微通道6與存儲室8。存儲室8的材料為低膨脹率合金。限流微通道6是利用離子刻蝕工藝而製成的結構，設置在發射極狹縫面I上，具體地設置在發射極下部分5的狹縫面I上，限流微通道6的線寬為10 1000 μ m，深度為
0.5 5 μ rn。限流微通道6的前端設置有面狀刻蝕區域與發射極的狹縫口連接，中間為線狀溝槽，後端與毛細通道11的開口相連。爆破膜12設置在毛細通道11與發射極下部分5的交接處，爆破膜12為一次性聚四氟乙烯或金屬薄膜，在推進劑填裝、存儲階段使用，在推進器從存儲階段轉入點火階段時，利用液體熱膨脹原理將膜片壓破，使推進劑流出。在本實施例中，選取金屬鎵作為推進劑，其熔點低可以降低額外液化功率的消耗，線膨脹係數高，可利用加熱膨脹原理開啟密封保護機構。根據液態鎵升溫100攝氏度的熱膨脹比率估算，爆破膜12和狹縫面I之間的毛細通道11體積與存儲室8體積之比需小於1%，以此使液態鎵能自主膨脹至發射極的狹縫口。本發明所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統在工作過程中，推進劑加注建議在真空環境下進行，將發射極、爆破膜12、密封圈13和存儲室8徹底清洗、除氣並配合之後，在真空環境中將存儲室8的推進劑加注閥7打開並浸沒液態鎵池中，開啟真空室放氣閥，利用大氣壓與重力使液態鎵注滿存儲室且無氣泡，封閉推進劑加注閥7，並移出真空室。由於固態鎵密度小於 液態鎵，為防止凝固膨脹，在存儲階段需要保持存儲室溫度高於金屬鎵的熔點。首次點火前，先在發射極與加速極之間施加高於電離閥值的高電壓，持續至液態推進劑到達發射狹縫口時，即可產生場發射。期間開啟用於控溫的加熱裝置2，以不高於10°C /h的升溫速率緩慢升溫，使推進劑膨脹並壓破爆破膜12，流至發射狹縫口，持續升溫至產生場發射現象，停止升溫。重複升降溫，使在推進劑熔點溫度附近可以產生穩定場發射現象，正常工作狀態時恆溫至推進劑熔點附近。場發射現象由高壓電源迴路判斷。本發明充分利用熱膨脹原理，通過合理選擇體積比，利用液態金屬密度隨溫度變化特性，通過加熱裝置2加熱推進劑使其膨脹並打開設置在毛細通道11與發射極下部分的交接處的爆破膜12，精確選擇體積比使推進劑可以膨脹至狹縫口，並與狹縫面I形成可靠浸潤，降低由於表面汙染導致的浸潤失效引起的可靠性問題。本發明具有總體無運動機構、結構簡單、過程可控、可靠性高的優點。本發明充分利用熱膨脹原理，通過合理選擇體積比，利用液態金屬密度隨溫度變化特性，通過加熱裝置2加熱推進劑使其膨脹並打開設置在毛細通道11與發射極下部分的交接處的爆破膜12，主動完成推進劑與狹縫面I的浸潤，降低由於表面汙染導致的浸潤失效引起的可靠性問題，提高可靠性。本發明具有總體無運動機構、結構簡單、過程可控、可靠性高的優點。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的`保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，包括:存儲室，所述存儲室具有球柱或球型的內腔結構，所述內腔結構的內壁上設置有毛細導流板；毛細通道，所述毛細通道連接限流微通道與存儲室；發射極，所述發射極由發射極上部分和發射極下部分組成，所述發射極上部分和下部分相接的狹縫面為光潔平面；限流微通道，所述限流微通道設置在發射極下部分的狹縫面上，所述限流微通道的前端設置有面狀刻蝕區域，所述面狀刻蝕區域與發射極的狹縫口連接，所述限流微通道的中間部分為線狀溝槽，所述限流微通道的後端與毛細通道的開口相連；爆破膜，所述爆破膜設置在毛細通道與發射極下部分的交接處；密封圈，所述密封圈設置在發射極下部分與發射極支架的連接處。
2.如權利要求1所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，所述限流微通道的線寬為10 1000 Ii m,深度為0.5 5 ii m。
3.如 權利要求1所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，所述存儲室的材料為低膨脹率合金。
4.如權利要求1所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，所述發射極上部分和下部分的光潔平面的平面度小於0.3 y m。
5.如權利要求1所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，所述發射極的尖端弧度小於5 u m，線狀噴口直線度小於5 u m。
6.如權利要求1所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，所述爆破膜為聚四氟乙烯膜或者金屬薄膜。
7.如權利要求1所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，所述密封圈為C型或O型彈性金屬密封圈。
8.如權利要求1所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，所述存儲室的外側設置有加熱裝置，所述加熱裝置為電阻型加熱器。
9.如權利要求1所述的一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，其特徵在於，所述存儲室的一側設置有推進劑加注閥。
全文摘要
一種用於液態金屬離子推進器的推進劑管理系統，包括存儲室，所述存儲室具有球柱或球型的內腔結構；限流微通道，所述限流微通道是利用離子刻蝕工藝而製成的結構；爆破膜，所述爆破膜設置在毛細通道與發射極下部分的交接處。本發明的有益效果為合理選擇體積比，利用液體熱膨脹壓破密封保護裝置，並膨脹至發射極狹縫口，增加浸潤效果；由於在系統中設置了限流微通道，因此能利用微流結構限制流速，從而減少中性液滴的產生，避免流速過大導致產生大液滴在兩極間粘附引起的短路風險，提高了電離率和可靠性。
文檔編號F02K9/58GK103244310SQ20131016359
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月7日 優先權日2013年5月7日
發明者高輝, 康琦, 段俐, 胡良 申請人:中國科學院力學研究所