一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器

1.本发明涉及一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，属于微纳卫星微推进技术领域。


背景技术：

2.成本低、研制周期短、发射灵活是微纳卫星的主要优点，目前微纳卫星已在通信、遥感、对地观测和空间试验等领域具有广泛应用，前景广阔。由于微纳卫星受到总功率、质量和体积的限制，其推进系统需要具备功耗低、重量轻、体积小、寿命长、推力精确等特点。离子液体电喷推力器(ionic liquid electrospray thruster,ilet)具有体积小、重量轻、比冲高、推力精度高等特点，可以满足微纳卫星对推进系统提出的要求，是微纳卫星的理想推进系统之一。但其使用液体工质作为推进剂，且对流量控制要求较高，传统的毛细管型离子液体电喷雾推力器往往使用高精度泵和阀门通过压差法控制推进剂供给，缺陷在于供给系统复杂、体积大、技术难度高，不利于推力器的微型化和集成化。


技术实现要素：

3.为了简化毛细管型离子液体电喷雾推力器的供给过程，减小毛细管型离子液体电喷雾推力器的体积，本发明的主要目的是提供一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷推力器，该推力器基于电浸润原理，使用电场改变离子液体与毛细管型发射极之间浸润性，控制离子液体在毛细管道中的流动，实现推进剂的主动供给；本发明不仅能够省去高精度泵阀和管路等复杂的流体控制部件，还能够将离子液体的供给过程和发射过程耦合，简化推力器系统的操作过程，便于实现推力器系统的微型化。
4.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
5.本发明公开的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，包括推进剂储箱、上壳体、恒力弹簧、限位板、毛细管、提取极。
6.毛细管内外壁覆盖微米级厚度的介电层，内壁覆盖纳米级厚度的疏水层，毛细管与上壳体采用过盈配合固定在上壳体对应的孔洞中；提取极通过绝缘螺钉固定，并通过上壳体的凹槽与毛细管保持预定距离；上壳体与推进剂储箱固定；恒力弹簧一端固定于推进剂储箱底部凹槽，另一端与限位板固定；初始状态下，离子液体充满推进剂储箱，由于疏水层的影响，在太空微重力情况下离子液体不能进入毛细管道，随后在离子液体和毛细管之间加载正负交替的方波电压，改变离子液体与毛细管道的浸润性，控制离子液体流入毛细管道，实现离子液体的主动供给。同时，输送至毛细管末端的离子液体在高电场的作用下形成泰勒锥发射带电粒子，实现离子液体供给和发射的耦合。
7.通过控制加载的方波电压，控制液体供给质量流量和推力。由于在毛细管内流动时，离子液体仅受表面张力和粘滞阻力的作用，因此当流动稳定后，液体流速可近似为匀速。对于带电粒子，等效为电能全部转化为粒子动能，则推力通过以下公式计算：
[0008][0009]
其中，n为毛细管数量，ρ为离子液体的密度，γ为离子液体的表面张力系数，μ为离子液体的动力粘度，r为毛细管内壁半径，θ0为离子液体与疏水介电层的初始接触角，ε0为真空介电常数，εr为介质层材料的介电常数，d为介质层的厚度，u为加载方波电压的幅值，q为发射的带电粒子带电量，为发射的带电粒子平均质量。
[0010]
作为优选，所述覆盖在毛细管表面的介电层材料，包括二氧化硅、派瑞林；疏水层材料为含氟聚合物。
[0011]
作为优选，所述毛细管和上壳体对应的孔洞至少为1个。
[0012]
作为优选，所述绝缘材料要求为具有高介电系数；所述疏水层材料要求为具有低表面自由能。
[0013]
作为优选，所述恒力弹簧所提供的弹力仅需克服离子液体在推进剂储箱内流动的粘滞阻力和限位板移动收到的摩擦阻力，使得限位板跟随离子液体移动，避免推进剂储箱内的离子液体处于漂浮状态。
[0014]
本发明公开的本发明公开的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器的工作方法，在太空环境中，推进剂储箱中的离子液体主要受表面张力的作用，初始状态下，由于离子液体与毛细管处于不浸润状态，不能在毛细作用下进入毛细管道；需要工作时，将离子液体接通占空比为50％的正负交替的方波电压，毛细管和提取极接地，使毛细管内壁发生电浸润现象，毛细管内壁的表面自由能降低，离子液体与毛细管变为浸润状态，在毛细作用下推进剂储箱内的离子液体沿着毛细管道流动至末端。同时，毛细管末端和提取极之间形成高电场，在高电场作用下，毛细管末端的离子液体形成泰勒锥，发射带电粒子，带电粒子在电场中加速从提取极孔洞中喷出产生推力，形成离子液体供给和发射过程的耦合。随着离子液体流出推进剂储箱，限位板在恒力弹簧的作用下缓慢移动，使得离子液体始终与毛细管接触，从而推力器持续稳定工作。当需要改变推力大小时，仅需改变加载的方波电压幅值实现推进剂的主动高效供给，进而主动精准调节推力。
[0015]
有益效果
[0016]
1、本发明公开的电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，基于电浸润原理，使用电场改变离子液体与毛细管型发射极之间浸润性，实现控制推力器的主动高效精准供给流量。
[0017]
2、传统的毛细管型离子液体电喷雾推力器往往使用极高精度的泵和阀门，通过压差法控制离子液体的供给，结构复杂，不利于推力器的微型化。本发明公开的电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，通过施加在毛细管和离子液体之间的电压控制供给，省去了复杂的泵、管、阀门，能够显著减小推力器的体积和重量，便于实现推力器系统的微型化。
[0018]
3、传统的毛细管型离子液体电喷雾推力器分别控制液体的供给和发射过程，操作复杂。本发明公开的电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，将离子液体的供给过程和发射过程耦合，简化了推力器的工作过程，有利于推力器操作过程的简化，提高推进剂的主动供给效率。
附图说明
[0019]
图1为本发明的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器剖视图；
[0020]
图2为上壳体示意图；
[0021]
图3为毛细管覆盖介电层和疏水层示意图。
[0022]
其中：1-推进剂储箱、2-上壳体、3-恒力弹簧、4-限位板、5-毛细管、6-提取极。
具体实施方式
[0023]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0024]
实施例1：
[0025]
如图1所示，本实施公开的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，包括储液槽1、上壳体2、恒力弹簧3、限位板4、毛细管5、提取极6。
[0026]
推进剂储箱1采用聚醚醚酮材质，长20mm，宽20mm，高10mm，壁厚2mm。底部设置圆形凹槽用于固定恒力弹簧3，直径2mm，深1mm。
[0027]
上壳体2采用聚醚醚酮材质，长20mm，宽20mm，高6mm。中间均匀分布100个孔洞以放置毛细管5，孔洞直径1mm。顶部设置凹槽以控制毛细管5与提取极6的距离，深1mm。
[0028]
毛细管5采用不锈钢材质，长5mm，外径0.8mm，内径0.6mm。为防止高电压击穿介电层，毛细管5内外壁覆盖400μm的具有高介电系数的n型派瑞林，内壁额外覆盖500nm具有低表面自由能的含氟聚合物，以使得毛细管6具有良好的介电性能和疏水性能。100根经过处理的毛细管5放置于上壳体2的孔洞中。
[0029]
离子液体选取1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(emi-bf4)，初始状态下与毛细管6内壁的接触角为100
°
。
[0030]
限位板4采用聚醚醚酮材质，长16mm，宽16mm，高1mm。底部与恒力弹簧3相连。四周环绕硅胶垫，使其与推进剂储箱1内壁之间不能通过液体。
[0031]
本实施公开的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器的工作方法为：在太空环境中，静止状态下推进剂储箱1中的离子液体主要受表面张力的作用，在初始状态下，由于推进剂储箱1内离子液体与毛细管5内壁处于不浸润状态，不能在毛细作用下进入毛细管5。需要工作时，将离子液体接通占空比为50％，幅值为4000v正负交替的方波电压，毛细管5和提取极6接地，使毛细管5内壁发生电浸润现象，毛细管5内壁的表面自由能降低，离子液体与毛细管5变为浸润状态，在毛细作用下推进剂储箱1内的离子液体沿着毛细管道流动至末端。同时，毛细管5末端和提取极6之间形成高电场；在高电场作用下，毛细管5末端的离子液体形成泰勒锥，继而发射带电粒子，带电粒子在电场中加速从提取极6孔洞中喷出产生推力。随着离子液体流出推进剂储箱1，限位板4在恒力弹簧3的作用下缓慢移动，使得离子液体始终与毛细管5接触，从而推力器持续稳定工作。需要提高或降低推力大小，可在保证介电层不被击穿的前提下，通过提高或降低加载的电压幅值，从而改变推力器的质量流量和加速电场，实现推力的调节。
[0032]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，其特征在于：包括推进剂储箱、上壳体、恒力弹簧、限位板、毛细管、提取极；毛细管内外壁覆盖微米级厚度的介电层，内壁覆盖纳米级厚度的疏水层，毛细管与上壳体采用过盈配合固定在上壳体对应的孔洞中；提取极通过绝缘螺钉固定，并通过上壳体的凹槽与毛细管保持预定距离；上壳体与推进剂储箱固定；恒力弹簧一端固定于推进剂储箱底部凹槽，另一端与限位板固定；初始状态下，离子液体充满推进剂储箱，由于疏水层的影响，在太空微重力情况下离子液体不能进入毛细管道，在离子液体和毛细管之间加载正负交替的方波电压，改变离子液体与毛细管道的浸润性，控制离子液体流入毛细管道，实现离子液体的主动供给；同时，输送至毛细管末端的离子液体在高电场的作用下形成泰勒锥发射带电粒子，实现离子液体供给和发射的耦合。2.如权利要求1所述的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，其特征在于：通过控制加载的方波电压，控制液体供给质量流量和推力；由于在毛细管内流动时，离子液体仅受表面张力和粘滞阻力的作用，因此当流动稳定后，液体流速可近似为匀速；对于带电粒子，等效为电能全部转化为粒子动能，则推力通过以下公式计算：其中，n为毛细管数量，ρ为离子液体的密度，γ为离子液体的表面张力系数，μ为离子液体的动力粘度，r为毛细管内壁半径，θ0为离子液体与疏水介电层的初始接触角，ε0为真空介电常数，ε
r
为介质层材料的介电常数，d为介质层的厚度，u为加载方波电压的幅值，q为发射的带电粒子带电量，m为发射的带电粒子平均质量。3.如权利要求1或2所述的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，其特征在于：所述覆盖在毛细管表面的介电层材料，包括二氧化硅、派瑞林；疏水层材料为含氟聚合物。4.如权利要求1或2所述的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，其特征在于：所述毛细管和上壳体对应的孔洞至少为1个。5.如权利要求1或2所述的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，其特征在于：所述绝缘材料要求为具有高介电系数；所述疏水层材料要求为具有低表面自由能。6.如权利要求1或2所述的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，其特征在于：所述恒力弹簧所提供的弹力仅需克服离子液体在推进剂储箱内流动的粘滞阻力和限位板移动收到的摩擦阻力，使得限位板跟随离子液体移动，避免推进剂储箱内的离子液体处于漂浮状态。7.如权利要求1或2所述的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，其特征在于：在太空环境中，推进剂储箱中的离子液体主要受表面张力的作用，初始状态下，由于离子液体与毛细管处于不浸润状态，不能在毛细作用下进入毛细管道；需要工作时，将离子液体接通占空比为50％的正负交替的方波电压，毛细管和提取极接地，使毛细管内壁发生电浸润现象，毛细管内壁的表面自由能降低，离子液体与毛细管变为浸润状态，在毛细作用下推进剂储箱内的离子液体沿着毛细管道流动至末端；同时，毛细管末端和提取极之间形成高电场，在高电场作用下，毛细管末端的离子液体形成泰勒锥，发射带电粒子，带电粒
子在电场中加速从提取极孔洞中喷出产生推力，形成离子液体供给和发射过程的耦合；随着离子液体流出推进剂储箱，限位板在恒力弹簧的作用下缓慢移动，使得离子液体始终与毛细管接触，从而推力器持续稳定工作；当需要改变推力大小时，仅需改变加载的方波电压幅值实现推进剂的主动高效供给，进而主动精准调节推力。

技术总结
本发明公开的一种电控调节推力的毛细管型离子液体电喷雾推力器，属于微纳卫星微推进技术领域。本发明包括推进剂储箱、上壳体、恒力弹簧、限位板、毛细管、提取极。毛细管内外壁覆盖微米级厚度的介电层，内壁覆盖纳米级厚度的疏水层。提取极通过绝缘螺钉固定；上壳体与推进剂储箱固定。本发明基于电浸润原理，使用电场控制离子液体的主动供给并同时调节推力器的推力大小。本发明不仅能够省去高精度泵阀和管路等复杂的流体控制部件，还能够将离子液体的供给过程和发射过程耦合，简化推力器系统的操作过程，便于实现推力器系统的微型化。本发明适用于低功率微纳卫星的阻力补偿，位置保持，姿态控制。姿态控制。姿态控制。


技术研发人员：孙伟 武志文 王云冰 虎添翼 汪宇欣
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/5/30