一种低电压电喷雾发射装置的制作方法

本发明涉及空间推进技术领域，具体是一种低电压电喷雾发射装置。

背景技术：

电喷雾推力器是一种以导电液体为推进剂推进剂，利用静电场在推进剂中提取或产生带电液滴/离子并对其进行加速的静电式电推力器，其基本组成和工作原理如图1所示。在提取极和发射极之间施加强静电场，发射体上的液态推进剂在静电力、流体压力、表面张力和粘性力作用下，在发射体顶端弯曲并形成泰勒锥。随后，泰勒锥尖端的推进剂在静电力作用下将形成带电液体或离子。在静电场的作用下，带电液滴或离子从提取加速极喷出，进而获得推力。

从电喷雾推力器结构组成上看，主要由发射装置和推进剂供给装置组成，发射装置包括包括发射极(发射极阵列)和提取极(有些为两个电极，一个提取极和一个加速极)。早期的电喷雾推力器往往使用电介质或液态金属作为推进剂推进剂，导致推力器启动电压较高(～5kv)，功耗较大，不利于微纳卫星长时间工作。为了适应微纳卫星体积小、电功率低等特点，近年来随着离子液体合成制备的发展，离子液体作为一种室温下为液态的室温熔融盐因为其高电导率、低蒸汽压、低表面张力等优点逐步成为电喷雾推力器的主要推进剂。

电喷雾推力器可以分为两类：胶体推力器(colloidthruster,ct)与场发射电推力器(fieldemissionelectricpropulsion,feep)。

场发射电推力器主要由发射器，加速极和中和器组成。一般使用低熔点的金属(铟、铯等)作为推进剂，储存在发射器中。工作时加热推进剂储室，推进剂熔为液态并通过毛细作用吸出。在加速极和发射极间加高压静电(6～13kv)，在发射器尖端产生强电场，使金属离子克服表面张力并加速飞出，产生推力。典型场发射电推力器的推力为10-6～3×10-5n，最小冲量约为10-9n·s，比冲一般为4×103～1.2×104s。

胶体推力器的推进剂和场发射电推力器不同。胶体推力器使用导电液体作为推进剂，如碘化钠溶液、丙三醇等。典型胶体推力器的推力为5×10-7～3×10-2n，最小冲量为5×10-7s，比冲为5×102～1.5×103。场发射电推力器和胶体推力器的比冲高，推力小，场发射电推力器能提供微小脉冲冲量，而胶体推力器能提供大范围的推力和比冲。二者的共同缺点是：工作电压高(～10kv)；推功比低；功耗大；需要中和器减轻羽流污染；推力器寿命受到阴极发射器限制。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种低电压电喷雾发射装置，不仅能够大幅度降低启动电压，还能有效的拓展工作范围、提升推力密度。

为实现上述目的，本发明提供一种低电压电喷雾发射装置，包括供给装置、发射装置、加速装置与磁场装置：所述供给装置内具有作为推进剂的磁性离子液体，所述发射装置与所述供给装置相连，以用于将所述磁性离子液体以粒子束的形式发射；所述加速装置位于所述粒子束的发射路径上，以用于对所述粒子束加速；所述磁场装置上设有能够产生均匀磁场的线圈，其中，所述均匀磁场的方向与所述粒子束的发射方向相同，且所述均匀磁场包裹所述粒子束。

在其中一个实施例中，所述发射装置为多孔介质发射极，所述加速装置包括提取极与加速极，所述提取极位于所述多孔介质发射极与所述加速极之间，且所述多孔介质发射极与所述提取极之间、所述提取极与所述加速极之间均设有间隔；所述提取极与所述加速极上均设有若干栅孔，且所述多孔介质发射极上的发射孔、所述提取极的栅孔、所述加速极的栅孔一一对应。

在其中一个实施例中，所述磁场装置包括环绕在所述发射装置周围的第一磁场感应线圈。

在其中一个实施例中，所述磁场装置还包括环绕在所述所述提取极与所述加速极之间的间隔周围的第二磁场感应线圈。

在其中一个实施例中，所述第一磁场感应线圈、第二磁场感应线圈均为亥姆霍兹线圈。

在其中一个实施例中，所述多孔介质发射极为多孔材料微锥性阵列结构或毛细管锥柱或毛细管圆柱阵列结构或多孔材料刃口式阵列结构。

在其中一个实施例中，所述多孔介质发射极由导体材料或介电材料制成。

在其中一个实施例中，所述提取极、所述加速极由导体材料制成，或通过在介电材料上溅射导体材料制成。

在其中一个实施例中，所述磁性离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氯高铁酸盐。

本发明提供的一种低电压电喷雾发射装置具有如下有益效果：

1.相较于现有电喷雾推力器启动电压大多在1kv～2kv左右，本发明的低电压电喷雾发射装置中通过增加磁场后能够在不影响发射电流的情况下大幅降低启动电压(降低20％～30％)。

2.由于在一定的流速、电压和电流范围内泰勒锥才能工作在稳定状态，现有电喷雾推力器工作电压范围过窄，本发明的低电压电喷雾发射装置中通过增加磁场后，由于磁场对泰勒锥的稳定作用，能够拓展电喷雾推力器工作范围；

3.现有电喷雾推力器推力密度较低，仅为0.1μn/μa，本发明的低电压电喷雾发射装置中通过增加磁场对铁磁性粒子的加速作用能够提高电喷雾推力器推力密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术中电喷雾推力器的结构示意图；

图2为本发明实施例中低电压电喷雾发射装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中磁场原理示意图；

图4为本发明实施例中亥姆霍兹线圈的结构示意图。

附图标号说明：多孔介质发射极1、提取极2、加速极3、第一磁场感应线圈4、第二磁场感应线圈5、供给装置6、线圈7、线圈支架8。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图2-3所示为本实施例公开的一种低电压电喷雾发射装置，包括供给装置6、发射装置、加速装置与磁场装置：供给装置6内具有作为推进剂的磁性离子液体，发射装置与供给装置6相连，以用于将磁性离子液体以粒子束的形式发射；加速装置位于粒子束的发射路径上，以用于对粒子束加速；磁场装置上设有能够产生均匀磁场的线圈，其中，均匀磁场的方向与粒子束的发射方向相同，且均匀磁场包裹粒子束，其中，本实施例中俄均匀磁场即如图3中的实心箭头方向所示。

离子液体一般指室温离子液体，也称室温熔融盐，是一种由阴阳离子构成的液体，普遍具有高电导率、可忽略蒸汽压(～10-9pa)、低表面张力、宽液态温度范围(-40～300℃)的特性。当离子液体作为电喷雾发射装置的推进剂时，离子液体有独特的优势。高电导率使得其具有较高的发射电流，从而有更大的推力；蒸汽压可忽略和保持液态的特点降低了推进剂存贮和补给的难度；低表面张力使得离子液体电推力器相比于场发射电推力器和普通胶体推力器有更低的启动电压(～1kv)。此外，离子液体电推力发射装置相比普通胶体推力器更容易达到纯离子发射模式(purelyionicregime,pir)，使得比冲远远高于后者，推进剂利用效率更高；而且推力更小，能够达到更小的脉冲冲量，更精确的对微纳卫星进行姿态和轨道调整。而本实施例中的磁性离子液体是指能够对外界磁场产生宏观响应，并在外加磁场作用下具有一定的磁化强度的离子液体，并具有一般离子液体的物理化学特性。相对于普通离子液体为推进剂的电喷雾推力器，以磁性离子液体为推进剂的电喷雾发射装置能够在不影响发射电流和推力的情况下大大降低工作电压，并且能够拓展电喷雾发射装置的工作电压范围，能够大幅提高电喷雾发射装置工作性能。本实施例中通过采用磁性离子液体作为推进剂以及在电喷雾推力器中增设均匀磁场，不仅能够大幅度降低启动电压，还能有效的拓展工作范围、提升推力密度。

本实施例中，发射装置为多孔介质发射极1，具体为多孔介质发射极1为多孔材料微锥性阵列结构或毛细管锥柱或毛细管圆柱阵列结构或多孔材料刃口式阵列结构。多孔介质发射极1由导体材料或介电材料制成，如石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、钨、石墨气凝胶等，本实施例中的多孔介质发射极1优选为多孔材料微锥性阵列结构。

加速装置包括提取极2与加速极3，提取极2位于多孔介质发射极1与加速极3之间，且多孔介质发射极1与提取极2之间、提取极2与加速极3之间均设有间隔。提取极2与加速极3上均设有若干栅孔，且多孔介质发射极1上的发射孔、提取极2的栅孔、加速极3的栅孔一一对应，即由相互对应的多孔介质发射极1上的发射孔、提取极2的栅孔、加速极3的栅孔依次连接成一条直线，由多孔介质发射极1的发射孔发射出的离子束依次经过对应的提取极2的栅孔、加速极3的栅孔后喷出。其中，提取极2与加速极3上的栅孔均为圆孔。可以通过优化设计多孔介质发射极1上、提取极2、加速极3之间的间距、栅孔尺寸和间距、多孔介质发射极1上、提取极2、加速极3电喷雾发射装置束流结构的约束，避免因单电极式发射装置结构导致的束流发散而降低电喷雾发射装置性能，而这一优化过程为所属领域的常规技术手段，因此本实施例中不再赘述。本实施例中，提取极2、加速极3由导体材料制成，或通过在介电材料上溅射导体材料制成，导体材料可以采用如钨、钼和石墨等耐溅射且热应变小的的材料，介电材料可以采用石英玻璃或者硼硅酸盐玻璃等材料，图层在离子非直接接触侧，避免离子直接冲击造成涂层剥离。本实施例中，加速极3的工作电势与航天器上的地电势相同，避免电喷雾发射装置与航天器间产生电势降，引起束流粒子侵蚀航天器。

本实施例中，磁场装置包括环绕在发射装置周围的第一磁场感应线圈4，及环绕在提取极2与加速极3之间的间隔周围的第二磁场感应线圈5，其中，第一磁场感应线圈4、第二磁场感应线圈5均为亥姆霍兹线圈。本实施例中，第一磁场感应线圈4与第二磁场感应线圈5尺寸、绕线直径、匝数完全相同，且第一磁场感应线圈4与第二磁场感应线圈5在工作时串联连接通入同向电流，在中心区域产生匀强磁场或脉冲磁场。参考图4，单个亥姆霍兹线圈由7和线圈支架8组成，线圈7采用漆包铜线，根据工作功率、电流、所需磁感应强度等参数来选择线径和匝数。线圈支架8一般采用介电材料制作，可以选择peek等易加工、机械强度高的性能优异的特种工程材料。

下面结合具体的示例对本实施例中的低电压电喷雾发射装置作出进一步的说明。

该示例中以1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氯高铁酸盐-emimfecl4作为磁性离子液体，在纯离子工作模式下，电喷雾发射装置发射的粒子束中大部分以离子簇([emimfecl4]nemim+或者[emimfecl4]nfecl4-)的形式存在，磁性离子液体在无外加磁场的情况下不显磁性，只有在施加了外部磁场的情况下才具有顺磁性。

在电喷雾发射装置未工作时亥姆霍兹线圈不通电，当电喷雾发射装置开始工作时，亥姆霍兹线圈也通电工作，在两个平行线圈之间的区域形成均匀磁场，此时在外加磁场的作用下，磁性离子液体中的磁性金属元素会表现出顺磁性，此时磁性离子液体的运动受静电力、流体压力、表面张力、粘性力和磁场力共同作用。

无磁场条件下，发射极上磁性离子液体平衡状态方程可以表示为：

fg-fst+fe＝0

存在磁场条件下，平衡方程可以修正为：

fg-fst+fe+fm＝0

式中，fg为液体所受重力，fst为表面张力，fe为液体所受静电力，fm为沿磁感线方向液体所受磁场力。

由上式可知，平衡状态下磁场力越大所需的静电力就越小，在电喷雾发射装置几何结构确定的情况下，静电力取决于发射极和提取极2之间的电势差。因此磁场力的引入将降低电喷雾发射装置工作时所需电压。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。