專利名稱：一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液態(tài)金屬離子推進器，具體涉及一種液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)。
背景技術：
離子推進器是電推進的一種，其特點是推力小、比沖高、廣泛應用于空間推進，如航天器姿態(tài)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沖的條件下，評價效率的高低，效率越高，說明推進器性能越好，直觀表現(xiàn)為在一定的推力和比沖下，離子推進器所消耗的功率越小，那么性能就越優(yōu)。在進行離子推進器性能評價時，首先要測量推力和比沖，然后再測量或推算效率，或者說是測量推進劑的利用率和所消耗的電功率?？臻g科學的發(fā)展對衛(wèi)星及其推進系統(tǒng)提出越來越高的要求。而衛(wèi)星的體積、重量、壽命主要影響因素為推進系統(tǒng)。在以液態(tài)金屬作為工質的場發(fā)射電推進器中，工質的消耗速率遠小于一般冷氣推進器，因此常規(guī)系統(tǒng)無法適用于液態(tài)金屬工質的流動控制。也有國外公司正在研究場發(fā)射電推進器(FEEP)，例如，意大利Alta公司正在研究的場發(fā)射電推進器(FEEP)與本發(fā)明有類似的用途，區(qū)別如下:1)本發(fā)明提出了適用于狹縫型場發(fā)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(fā)射，提高推進器的比沖和壽命，中性液滴的減少也極大地降低了由于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，前者適用于金屬銫，本發(fā)明適用于金屬鎵為推進劑，從而降低結構復雜性提高可靠性；3)熱膨脹爆破目的不同，前者只是用于打開密封結構，后者則增加了主動浸潤，因此爆破片及密封圈的位置不同。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術中存在的常規(guī)系統(tǒng)無法適用于液態(tài)金屬工質的流動控制的問題。為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術方案:一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，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(fā)射極，所述發(fā)射極由發(fā)射極上部分和發(fā)射極下部分組成，所述發(fā)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(fā)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(qū)域，所述面狀刻蝕區(qū)域與發(fā)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，所述限流微通道的后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(fā)射極下部分的交接處；密封圈，所述密封圈設置在發(fā)射極下部分與發(fā)射極支架的連接處。優(yōu)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(yōu)選地，所述存儲室的材料為低膨脹率合金。
優(yōu)選地，所述發(fā)射極上部分和下部分的光潔平面的平面度小于0.3 m。優(yōu)選地，所述發(fā)射極的尖端弧度小于5 iim，線狀噴口直線度小于5 iim。優(yōu)選地，所述爆破膜為聚四氟乙烯膜或者金屬薄膜。優(yōu)選地，所述密封圈為C型或0型彈性金屬密封圈。優(yōu)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(yōu)選地，所述存·儲室的一側設置有推進劑加注閥。本發(fā)明的有益效果:由于在系統(tǒng)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；由于在系統(tǒng)中設置了加注閥和爆破膜，并利用液態(tài)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(tǒng)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，降低由于毛細通道表面污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(yōu)化了系統(tǒng)的機構設置；除此之外，本發(fā)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(yōu)點。


下面根據實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)的整體結構示意圖；圖2是本發(fā)明所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)的內部結構示意圖；圖3是圖2的D— D向視圖；圖4是本發(fā)明所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)的剖面圖；圖5是圖4中標號10所示區(qū)域的局部放大圖。圖中:1、狹縫面；2、加熱裝置；3、發(fā)射極支架；4、發(fā)射極上部分；5、發(fā)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(qū)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(fā)明的一個具體實施例，本發(fā)明包括存儲室8、發(fā)射極、發(fā)射極支架3、加熱裝置2、推進劑加注閥7，發(fā)射極由發(fā)射極上部分4和發(fā)射極下部分5組成，二者之間構成一個狹縫面1，發(fā)射極上部分4和發(fā)射極下部分5的狹縫面I為光潔平面，平面度小于0.3 y m。對發(fā)射極的狹縫尖端進行光學研磨拋光，使發(fā)射極的尖端弧度小于5 um,線狀噴口直線度小于5 ii m。發(fā)射極支架3設置在發(fā)射極和存儲室8之間，將發(fā)射極和儲存室8連接在一起，并設有允許工質從存儲室8到發(fā)射極的毛細通道11，發(fā)射極支架3與發(fā)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，并且高壓絕緣，其內附有溫熱電偶。加熱裝置2，加熱裝置2用于使推進劑熔化，并有利于毛細通道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制成的結構，設置在發(fā)射極狹縫面I上，具體地設置在發(fā)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(qū)域與發(fā)射極的狹縫口連接，中間為線狀溝槽，后端與毛細通道11的開口相連。爆破膜12設置在毛細通道11與發(fā)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，線膨脹系數(shù)高，可利用加熱膨脹原理開啟密封保護機構。根據液態(tài)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體積之比需小于1%，以此使液態(tài)鎵能自主膨脹至發(fā)射極的狹縫口。本發(fā)明所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)在工作過程中，推進劑加注建議在真空環(huán)境下進行，將發(fā)射極、爆破膜12、密封圈13和存儲室8徹底清洗、除氣并配合之后，在真空環(huán)境中將存儲室8的推進劑加注閥7打開并浸沒液態(tài)鎵池中，開啟真空室放氣閥，利用大氣壓與重力使液態(tài)鎵注滿存儲室且無氣泡，封閉推進劑加注閥7，并移出真空室。由于固態(tài)鎵密度小于 液態(tài)鎵，為防止凝固膨脹，在存儲階段需要保持存儲室溫度高于金屬鎵的熔點。首次點火前，先在發(fā)射極與加速極之間施加高于電離閥值的高電壓，持續(xù)至液態(tài)推進劑到達發(fā)射狹縫口時，即可產生場發(fā)射。期間開啟用于控溫的加熱裝置2，以不高于10°C /h的升溫速率緩慢升溫，使推進劑膨脹并壓破爆破膜12，流至發(fā)射狹縫口，持續(xù)升溫至產生場發(fā)射現(xiàn)象，停止升溫。重復升降溫，使在推進劑熔點溫度附近可以產生穩(wěn)定場發(fā)射現(xiàn)象，正常工作狀態(tài)時恒溫至推進劑熔點附近。場發(fā)射現(xiàn)象由高壓電源回路判斷。本發(fā)明充分利用熱膨脹原理，通過合理選擇體積比，利用液態(tài)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并打開設置在毛細通道11與發(fā)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，并與狹縫面I形成可靠浸潤，降低由于表面污染導致的浸潤失效引起的可靠性問題。本發(fā)明具有總體無運動機構、結構簡單、過程可控、可靠性高的優(yōu)點。本發(fā)明充分利用熱膨脹原理，通過合理選擇體積比，利用液態(tài)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并打開設置在毛細通道11與發(fā)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，降低由于表面污染導致的浸潤失效引起的可靠性問題，提高可靠性。本發(fā)明具有總體無運動機構、結構簡單、過程可控、可靠性高的優(yōu)點。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)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(fā)明的`保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，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(fā)射極，所述發(fā)射極由發(fā)射極上部分和發(fā)射極下部分組成，所述發(fā)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(fā)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(qū)域，所述面狀刻蝕區(qū)域與發(fā)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，所述限流微通道的后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(fā)射極下部分的交接處；密封圈，所述密封圈設置在發(fā)射極下部分與發(fā)射極支架的連接處。
2.如權利要求1所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，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所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲室的材料為低膨脹率合金。
4.如權利要求1所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射極上部分和下部分的光潔平面的平面度小于0.3 y m。
5.如權利要求1所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射極的尖端弧度小于5 u m，線狀噴口直線度小于5 u m。
6.如權利要求1所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，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所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，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所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，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所述的一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲室的一側設置有推進劑加注閥。
全文摘要
一種用于液態(tài)金屬離子推進器的推進劑管理系統(tǒng)，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制成的結構；爆破膜，所述爆破膜設置在毛細通道與發(fā)射極下部分的交接處。本發(fā)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，并膨脹至發(fā)射極狹縫口，增加浸潤效果；由于在系統(tǒng)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(yōu)先權日2013年5月7日
發(fā)明者高輝, 康琦, 段俐, 胡良 申請人:中國科學院力學研究所