一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器制造技术

一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，属于航天微电推进领域，本发明专利技术为解决传统针尖式场发声发射推力器通过调节流量改变推力存在响应速度慢的问题。本发明专利技术方案：高压电极组设置在上部外壳、下部外壳交界处，k个发射极的根部均穿过高压电极组并浸入至对应的推进剂储罐中，每个推进剂储罐设置一个流量控制器；k个发射极分为m组阵列，高压电极组由m个高压电极板堆叠而成，每相邻两层高压极板之间均设置一层高压绝缘板以实现绝缘；同一阵列中的发射极统一由一块高压电极板实现外部供电，不同阵列中的发射极由不同的高压电极板实现外部供电；通过对m个高压电极板的电压等级的独立调节来实现推力的大范围连续输出。

A Cattle-Level Fast Response Field Emission Thruster with Continuously Adjustable Thrust in Large Range

A micro-cattle-level fast response field emission thruster with continuously adjustable thrust in a wide range belongs to the field of aerospace micro-electric propulsion. The present invention aims to solve the problem of slow response of traditional needle-tip field acoustic emission thruster by adjusting flow rate to change thrust. The scheme of the invention is that the high-voltage electrode group is arranged at the junction of the upper shell and the lower shell, and the roots of K emitters pass through the high-voltage electrode group and immerse into the corresponding propellant storage tank. Each propellant storage tank is provided with a flow controller; K emitters are divided into m arrays, and the high-voltage electrode group is stacked by M high-voltage electrode plates, and one is set between each adjacent two high-voltage electrode plates. High voltage insulation board is used to realize insulation; the emitter in the same array is supplied by a high voltage electrode board; the emitter in different arrays is supplied by different high voltage electrode plates; and the large-scale continuous output of thrust is achieved by independent regulation of the voltage level of m high voltage electrode plates.

【技术实现步骤摘要】
一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器
本专利技术属于航天微电推进领域，涉及一种在不调节流量的情况下就可以实现推力大范围连续可调且可以快速响应的场发射推力器。
技术介绍
场发射推力器是一种可以产生高分辨率、低噪声的微牛级电推力器，可以应用于引力波探测等对推力要求极高的科研任务。其主要包括吸极、发射极、工质储罐和一些支撑结构。工质一般采用具有低蒸气压的流体，通过发射极中微米级别的细孔产生的毛细作用将工质引导到针尖，发射极的电位较高，一般高达1000V以上，吸极为低电位，二者距离在1mm-5mm，由此可以产生极大的电场，针尖的工质在此场强作用下被电离、加速，然后从吸极孔离开推力器产生推力。场发射推力器可以精确的补偿航天器平台微牛级别的残余干扰力，为高精度空间科研任务如引力波探测提供支撑，实现无拖曳控制。结合图11对传统场发射推力器的基本原理进行说明，工质被发射极的毛细作用引导向针尖，发射极与高压电极提供的高电位连接，吸极是低电位，在未通电状态下针尖上的工质不会被加速产生推力，由于其低蒸气压在真空环境下被蒸发的工质有限，因此可以在针尖维持工质的通流状态，而不是将流量供应切断。当接通电源后，吸极与发射极之间建立起强电场，工质被电离然后沿着吸极孔被加速出推力器，产生推力。传统的针尖式场发射推力器有单针尖、多针尖形式，图11给出了多针尖形式，且多个针尖由一个高压电极统一供电，由一个储罐统一供气，多针尖形式除了与单针尖的针尖数量不同之外，其他原理基本是一致的，如果要改变推力，可以通过改变电压和工质流量来增加推力。在高精度的科研任务中，不仅要求推力具备高的分辨率和低噪声，也会对其推力的响应速度提出高要求。传统的针尖式场发射器调节推力只有两个方法：提高电压和改变流量。由于电压本身已是1000V量级，可以调节的倍率在5倍左右。通过流量控制器进行的流量调节也可以达到10倍左右，由此产生的推力调节倍数小于50倍。但是，调节流量时会由于工质本身的粘度、较小的运动速度引入长的时间延迟，响应速度较慢。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决传统针尖式场发声发射推力器通过调节流量改变推力存在响应速度慢的问题，提供了一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器。本专利技术所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器包括上部外壳2、下部外壳5、吸极1和k个发射极11，其特征在于，还包括高压电极组、k个推进剂储罐6和k个流量控制器7，k为正整数；高压电极组设置在上部外壳2、下部外壳5交界处，k个发射极11的针尖与吸极1之间存在放电间隙，k个发射极11的根部均穿过高压电极组并浸入至对应的推进剂储罐6中，每个推进剂储罐6设置一个流量控制器7；k个发射极11分为m组阵列，高压电极组由m个高压电极板堆叠而成，m为正整数，且m＝2～k，每相邻两层高压极板之间均设置一层高压绝缘板8以实现绝缘；同一阵列中的发射极11统一由一块高压电极板实现外部供电，不同阵列中的发射极由不同的高压电极板实现外部供电；通过对m个高压电极板的电压等级的独立调节来实现推力的大范围连续输出。优选地，m组阵列所包含的发射极11的数量相同或不相同。优选地，m＝2，k个发射极11分为2组阵列，分别为第一阵列10和第二阵列9；对应的高压电极组由2个高压电极板堆叠而成，分别为上层高压电极板3和下层高压电极板4；上层高压电极板3和下层高压电极板4之间设置一层高压绝缘板8；第一阵列10中的发射极11通过上层高压电极板3实现外部供电，第二阵列9中的发射极11通过下层高压电极板4实现外部供电；第一阵列10和第二阵列9之间通过高压绝缘板8实现互相绝缘。优选地，第一阵列10和第二阵列9的发射极11呈同心圆排布。优选地，上层高压电极板3包括上层导电圆板3-1，上层导电圆板3-1设置有n个第一阵列针固定柱3-2和k-n个上层过孔3-3，n个第一阵列针固定柱3-2设置于上层导电圆板3-1的下表面且位于同一圆周上，k-n个上层过孔3-3位于同一圆周上，两个圆周为同心圆；下层高压电极板4包括下层导电圆板4-1，下层导电圆板4-1设置有k-n个第二阵列针固定柱4-2和n个下层过孔4-3，k-n个第二阵列针固定柱4-2位于同一圆周上，n个下层过孔4-3们于同一圆周上，两个圆周为同心圆；高压绝缘板8包括绝缘圆板8-1，绝缘圆板8-1上表面设置有与k-n个上层过孔3-3对应的第二阵列针固定绝缘柱8-2，绝缘圆板8-1下表面设置有与n个下层过孔4-3对应的过渡绝缘柱8-3；上层导电圆板3-1、下层导电圆板4-1和绝缘圆板8-1为直径相同的圆板，且三者堆叠在一起，相互之间无间隙；高压绝缘板8的第二阵列针固定绝缘柱8-2对应插入上层高压电极板3的k-n个上层过孔3-3中，高压绝缘板8的过渡绝缘柱8-3对应插入下层高压电极板4的n个下层过孔4-3中，上层高压电极板3的n个第一阵列针固定柱3-2穿过高压绝缘板8的过渡绝缘柱8-3的中心通孔，且第一阵列针固定柱3-2伸出的端部分别与对应的推进剂储罐6的入口连通；n个发射极11的根部插入n个第一阵列针固定柱3-2，由对应的n个推进剂储罐6提供一对一的持续稳定气源；k-n个发射极11的根部依次插入第二阵列针固定绝缘柱8-2和第二阵列针固定柱4-2，由对应的k-n个推进剂储罐6提供一对一的持续稳定流量。优选地，推进剂储罐6内部存储有低蒸气压工质。优选地，发射极11由石英或者金属材料制成，内有20μm-50μm的毛细孔。优选地，发射极11的针尖与吸极1之间的放电间隙为1mm-5mm之间。本专利技术的有益效果：为实现推力的快速调节，发射极针尖一直独立的维持稳定的工质流量，降低流量调节过程中的时间延迟。通过与发射极阵列的组合，根据任务对推力调节范围提出的要求，设计出一款在不调节流量的情况下就可以实现推力大范围连续可调且可以快速响应的场发射推力器。所述的发射极阵列的布置方式，不限于多个针尖组成一个阵列，为了实现推力的大范围调节，可以布置尽可能多的针尖，并且对每一个针尖都可以实现电压、流量控制。通过控制不同数量的针尖产生推力，并且结合电压调节，实现推力的大范围连续可调，推力调节范围可实现在1μN～100μN之间。为了实现推力器的高度集成化和小型化，可以进一步引入MEMS技术，结合本专利技术流量控制和供电控制设计，得到一款阵列场发射推力器。附图说明图1是本专利技术所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器的结构示意图；图2是本专利技术推力器的发射极阵列结构，分为两组阵列；图3是吸极的平面结构示意图，其中图3(a)为俯视图，图3(b)为图3(a)的A-A剖视图；图4是两组高压电极、高压绝缘板组合立体结构示意图，其中图4(a)、(b)为不同视角的立体结构示意图；图5是上层高压电极的平面结构示意，其中图5(a)为上层高压电极俯视图，图5(b)为图5(a)的B-B剖视图；图6是上层高压电极的立体结构示意图，其中图6(a)、(b)为不同视角的立体结构示意图；图7是下层高压电极的平面结构示意图，其中图7(a)为上层高压电极俯视图，图7(b)为图7(a)的C-C剖视图；图8是下层高压电极的立体结构示意图，其中图8(a)、(b)为不同视角的立体结构示意图；图9是高压绝缘板的平面结构示意，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，包括上部外壳(2)、下部外壳(5)、吸极(1)和k个发射极(11)，其特征在于，还包括高压电极组、k个推进剂储罐(6)和k个流量控制器(7)，k为正整数；高压电极组设置在上部外壳(2)、下部外壳(5)交界处，k个发射极(11)的针尖与吸极(1)之间存在放电间隙，k个发射极(11)的根部均穿过高压电极组并浸入至对应的推进剂储罐(6)中，每个推进剂储罐(6)设置一个流量控制器(7)；k个发射极(11)分为m组阵列，高压电极组由m个高压电极板堆叠而成，m为正整数，且m＝2～k，每相邻两层高压极板之间均设置一层高压绝缘板(8)以实现绝缘；同一阵列中的发射极(11)统一由一块高压电极板实现外部供电，不同阵列中的发射极由不同的高压电极板实现外部供电；通过对m个高压电极板的电压等级的独立调节来实现推力的大范围连续输出。

【技术特征摘要】
1.一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，包括上部外壳(2)、下部外壳(5)、吸极(1)和k个发射极(11)，其特征在于，还包括高压电极组、k个推进剂储罐(6)和k个流量控制器(7)，k为正整数；高压电极组设置在上部外壳(2)、下部外壳(5)交界处，k个发射极(11)的针尖与吸极(1)之间存在放电间隙，k个发射极(11)的根部均穿过高压电极组并浸入至对应的推进剂储罐(6)中，每个推进剂储罐(6)设置一个流量控制器(7)；k个发射极(11)分为m组阵列，高压电极组由m个高压电极板堆叠而成，m为正整数，且m＝2～k，每相邻两层高压极板之间均设置一层高压绝缘板(8)以实现绝缘；同一阵列中的发射极(11)统一由一块高压电极板实现外部供电，不同阵列中的发射极由不同的高压电极板实现外部供电；通过对m个高压电极板的电压等级的独立调节来实现推力的大范围连续输出。2.根据权利要求1所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，m组阵列所包含的发射极(11)的数量相同或不相同。3.根据权利要求1所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，m＝2，k个发射极(11)分为2组阵列，分别为第一阵列(10)和第二阵列(9)；对应的高压电极组由2个高压电极板堆叠而成，分别为上层高压电极板(3)和下层高压电极板(4)；上层高压电极板(3)和下层高压电极板(4)之间设置一层高压绝缘板(8)；第一阵列(10)中的发射极(11)通过上层高压电极板(3)实现外部供电，第二阵列(9)中的发射极(11)通过下层高压电极板(4)实现外部供电；第一阵列(10)和第二阵列(9)之间通过高压绝缘板(8)实现互相绝缘。4.根据权利要求3所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，第一阵列(10)和第二阵列(9)的发射极(11)呈同心圆排布。5.根据权利要求4所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，上层高压电极板(3)包括上层导电圆板(3-1)，上层导电圆板(3-1)设置有n个第一阵列针固定柱(3-2)和k-n个上层过孔(3-3...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文嘉，刘辉，宋培义，张开，于达仁，涂良成，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23