一種針式多孔材料發射體陣列微型場發射電推力器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微小衛星用針式發射體微型場發射電推力器，具體是一種針式多孔材料發射體陣列微型場發射電推力器。
【背景技術】
[0002]隨著電子技術和微機電系統技術等的快速進步，高功能集成度的微小衛星成為現實，發展極為迅速，尤其是重量在1?10kg的微小衛星。微小衛星由于研制周期短、研制和發射成本低、發射靈活、探測難度大，可組網和編隊飛行，以星座形式形成“虛擬大衛星”，完成大衛星因尺寸等問題不能完成的任務，如大范圍遙感等，受到了世界各國的高度重視，近年來發射數量快速上升。然而，目前大部分重量10kg以下的微小衛星沒有配備推進系統，或只是配備了比沖、總沖、推力調節能力等性能較低的冷氣推進系統或單組元化學推進系統等，大大限制了衛星的機動性、姿態穩定度和壽命。
[0003]常規的衛星推進系統，如化學推進、霍爾電推進、離子電推進等，目前的一個趨勢在向小型化發展，但由于組件數量多、尺寸大，系統較為復雜，成本高，研制周期長，即使小型化，也很難滿足重量小于10kg的微小衛星的使用、成本等需求。
[0004]新型的場發射電推進技術，由于結構簡單(不需要閥門、壓力傳感器等組件)、比沖高(4000?10000s)、元沖量小、推力小(微牛至毫牛量級)且大范圍精確可調、效率高(可達90%以上)等優點，在航天器阻力補償、精確姿態控制等任務中具有顯著的優勢。按發射體不同，目前研制成功的場發射電推力器可分為以發射針作為發射體的針式場發射電推力器和以窄縫作為發射體的窄縫式場發射電推力器。這兩種推力器各有特點。
[0005]目前這兩種場發射電推力器存在如下問題:
[0006](1)目前的針式場發射電推力器大都只采用單個實體發射針，材料一般為鎢，推力較小(一般20?50 μ N)，發射針較長，需精細裝配，導致推力器尺寸、重量較大，實際上難以用于重量10kg以下的微小衛星，也難以用于軌道轉移等需要較大推力的場合。
[0007](2)目前針式場發射電推力器為了使推力能達到毫牛量級，以滿足微小衛星的快速機動等任務需求，一個增大推力的方法是采用多個場發射電推力器組成整列，但導致重量、尺寸更大，更難以用于重量10kg以下的微小衛星。
[0008](3)針式場發射電推力器增大推力的另一種方法是采用具有多個發射針的發射體陣列。目前國際上研制的發射體陣列場發射電推力器主要包括基于MEMS技術的硅基發射針陣列場發射電推力器和皇冠型多孔材料鎢發射針陣列推力器兩種。硅基發射針陣列場發射電推力器的發射針陣列采用MEMS刻蝕工藝，工藝要求高，且由于發射針頂端溫度高，但硅熔點較低，發射針頂端容易破壞，導致推力器壽命很短，要達到實用存在材料瓶頸問題，難度非常大。皇冠型多孔材料鎢發射針陣列推力器采用皇冠狀發射針陣列來增加發射體數量，但由于發射針位于皇冠型外圍圓周上，皇冠中心區域沒有發射針，導致發射針密度很低，空間利用率低，且皇冠狀發射針陣列軸向尺寸較長，導致推力器尺寸、重量仍然較大，小型化難度大。
[0009](4)窄縫式場發射電推力器推力較針式場發射電推力器大，但由于形成窄縫的結構件工藝復雜，且尺寸、重量較大，導致推力器尺寸、重量較大，實際上難以用于重量10kg以下的微小衛星。
[0010]綜上，目前的場發射電推力器結構難以小型化，很難滿足重量10kg以下微小衛星的需求。
【發明內容】
[0011]本發明提供了一種針式多孔材料發射體陣列微型場發射電推力器，適用于微小衛星，特別是重量10kg以下微小衛星的微型場發射電推力器，推力在微牛至毫牛量級。
[0012]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種針式多孔材料發射體陣列微型場發射電推力器，包括相互連接的中和器和推力器主體，所述推力器主體包括從上往下依次配合連接的柵極、絕緣支架和推進劑貯存室，所述絕緣支架呈框型結構，所述絕緣支架內設有與柵極相配合的發射體陣列，所述發射體陣列下方設有相配合的加熱器和推進劑，所述推進劑和加熱器均位于推進劑貯存室內。
[0013]其中，柵極加負電壓，發射體陣列加正電壓。
[0014]其中，發射體陣列包括發射針和基體，發射針底部與基體相連形成為一體化結構，每個發射針規格相同。
[0015]其中，所述發射體陳列的下底面為平面或凹進形狀，與推進劑直接接觸。并通過多孔材料表面、微小縫隙吸附住推進劑，推進劑通過微小縫隙和多孔材料表面輸送到發射針頂端。
[0016]其中，發射針陣列的材料為鎢多孔材料。
[0017]其中，柵極為至少一個平面柵極，柵極上對應每個發射針上方處開有柵極孔，柵極加負電壓，發射針陣列加正電壓，使發射針陣列發射金屬離子，調整推力大小。
[0018]其中，加熱器為金屬加熱器、正溫度系數(PTC)陶瓷加熱器、金屬陶瓷發熱體(MCH)加熱器中的一種。
[0019]其中，加熱器位于推進劑貯存室內部的底面或側面。
[0020]其中，金屬推進劑采用銦等低熔點、低電離能金屬，常溫下為固態，安放在推進劑貯存室中；絕緣支架由陶瓷制成，用于使柵極和發射體陣列的絕緣；發射體陣列由整塊高熔點金屬多孔材料(如鎢多孔材料)制成，以陣列方式在發射體上表面排布多個發射針，通過毛細作用和表面張力作用吸附、輸運液態金屬推進劑，并將推進劑輸運至每個針式發射體頂端，同時多孔材料金屬縫隙可貯存少量金屬推進劑；在配對的柵極和針式發射體之間的電場達到一定強度時，相應發射體頂端的液態推進劑在表面張力和電場力的作用下形成泰勒錐。當電場達到足夠強度時，泰勒錐頂端的原子由于場發射作用電離，離子被引出并被靜電場加速，穿過柵極孔噴出，產生推力。同時，中和器發射電子，中和噴出的離子，使衛星保持電中性，該微型場發射電推力器可實現很小的尺寸、重量，還可以芯片形式封裝，形成芯片式推力器。
[0021]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0022](1)尺寸小、結構緊湊、結構簡單，可做成芯片狀微型推力器，適用于微小衛星，特別是重量10kg以下的微小衛星；
[0023](2)采用多個柵極時，可根據任務所需的不同推力大小和推力軸線相對于航天器質心的力臂(以改變力矩)要求，選擇不同的柵極工作模式，使不同組合的發射針發射金屬離子，從而在較大范圍內改變推力大小，并在一定范圍內改變推力軸線相對于航天器質心的力臂。
[0024](3)由于采用了較為致密的針式多孔材料發射體陣列，相對于目前的單發射針場發射推力器、場發射推力器陣列、皇冠型多孔材料鎢發射針整列場發射推力器，推力密度高，即可在較小面積的條件下實現較大的推力，有利于減小推力器尺寸和重量。
[0025](4)相對于硅基發射針陣列場發射電推力器，具有發射體熔點高、工藝簡單、推力器壽命長等優點；
[0026](5)相對于窄縫式場發射電推力器，具有重量小、尺寸小的特點，不存在窄縫式場發射電推力器窄縫形成工藝復雜的問題。
【附圖說明】
[0027]圖1為單柵極針式多孔材料發射體陣列微型場發射電推力器示意圖。
[0028]圖2為針式多孔材料發射體陣列微型場發射電推力器本體爆炸視圖。
[0029]圖3為針式多孔材料發射體陣列微型場發射電推力器本體剖面圖。
[0030]