一种针式多孔材料发射体阵列微型场发射电推力器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微小卫星用针式发射体微型场发射电推力器，具体是一种针式多孔材料发射体阵列微型场发射电推力器。
【背景技术】
[0002]随着电子技术和微机电系统技术等的快速进步，高功能集成度的微小卫星成为现实，发展极为迅速，尤其是重量在1?10kg的微小卫星。微小卫星由于研制周期短、研制和发射成本低、发射灵活、探测难度大，可组网和编队飞行，以星座形式形成“虚拟大卫星”，完成大卫星因尺寸等问题不能完成的任务，如大范围遥感等，受到了世界各国的高度重视，近年来发射数量快速上升。然而，目前大部分重量10kg以下的微小卫星没有配备推进系统，或只是配备了比冲、总冲、推力调节能力等性能较低的冷气推进系统或单组元化学推进系统等，大大限制了卫星的机动性、姿态稳定度和寿命。
[0003]常规的卫星推进系统，如化学推进、霍尔电推进、离子电推进等，目前的一个趋势在向小型化发展，但由于组件数量多、尺寸大，系统较为复杂，成本高，研制周期长，即使小型化，也很难满足重量小于10kg的微小卫星的使用、成本等需求。
[0004]新型的场发射电推进技术，由于结构简单(不需要阀门、压力传感器等组件)、比冲高(4000?10000s)、元冲量小、推力小(微牛至毫牛量级)且大范围精确可调、效率高(可达90%以上)等优点，在航天器阻力补偿、精确姿态控制等任务中具有显著的优势。按发射体不同，目前研制成功的场发射电推力器可分为以发射针作为发射体的针式场发射电推力器和以窄缝作为发射体的窄缝式场发射电推力器。这两种推力器各有特点。
[0005]目前这两种场发射电推力器存在如下问题:
[0006](1)目前的针式场发射电推力器大都只采用单个实体发射针，材料一般为钨，推力较小(一般20?50 μ N)，发射针较长，需精细装配，导致推力器尺寸、重量较大，实际上难以用于重量10kg以下的微小卫星，也难以用于轨道转移等需要较大推力的场合。
[0007](2)目前针式场发射电推力器为了使推力能达到毫牛量级，以满足微小卫星的快速机动等任务需求，一个增大推力的方法是采用多个场发射电推力器组成整列，但导致重量、尺寸更大，更难以用于重量10kg以下的微小卫星。
[0008](3)针式场发射电推力器增大推力的另一种方法是采用具有多个发射针的发射体阵列。目前国际上研制的发射体阵列场发射电推力器主要包括基于MEMS技术的硅基发射针阵列场发射电推力器和皇冠型多孔材料钨发射针阵列推力器两种。硅基发射针阵列场发射电推力器的发射针阵列采用MEMS刻蚀工艺，工艺要求高，且由于发射针顶端温度高，但硅熔点较低，发射针顶端容易破坏，导致推力器寿命很短，要达到实用存在材料瓶颈问题，难度非常大。皇冠型多孔材料钨发射针阵列推力器采用皇冠状发射针阵列来增加发射体数量，但由于发射针位于皇冠型外围圆周上，皇冠中心区域没有发射针，导致发射针密度很低，空间利用率低，且皇冠状发射针阵列轴向尺寸较长，导致推力器尺寸、重量仍然较大，小型化难度大。
[0009](4)窄缝式场发射电推力器推力较针式场发射电推力器大，但由于形成窄缝的结构件工艺复杂，且尺寸、重量较大，导致推力器尺寸、重量较大，实际上难以用于重量10kg以下的微小卫星。
[0010]综上，目前的场发射电推力器结构难以小型化，很难满足重量10kg以下微小卫星的需求。
【发明内容】
[0011]本发明提供了一种针式多孔材料发射体阵列微型场发射电推力器，适用于微小卫星，特别是重量10kg以下微小卫星的微型场发射电推力器，推力在微牛至毫牛量级。
[0012]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种针式多孔材料发射体阵列微型场发射电推力器，包括相互连接的中和器和推力器主体，所述推力器主体包括从上往下依次配合连接的栅极、绝缘支架和推进剂贮存室，所述绝缘支架呈框型结构，所述绝缘支架内设有与栅极相配合的发射体阵列，所述发射体阵列下方设有相配合的加热器和推进剂，所述推进剂和加热器均位于推进剂贮存室内。
[0013]其中，栅极加负电压，发射体阵列加正电压。
[0014]其中，发射体阵列包括发射针和基体，发射针底部与基体相连形成为一体化结构，每个发射针规格相同。
[0015]其中，所述发射体陈列的下底面为平面或凹进形状，与推进剂直接接触。并通过多孔材料表面、微小缝隙吸附住推进剂，推进剂通过微小缝隙和多孔材料表面输送到发射针顶端。
[0016]其中，发射针阵列的材料为钨多孔材料。
[0017]其中，栅极为至少一个平面栅极，栅极上对应每个发射针上方处开有栅极孔，栅极加负电压，发射针阵列加正电压，使发射针阵列发射金属离子，调整推力大小。
[0018]其中，加热器为金属加热器、正温度系数(PTC)陶瓷加热器、金属陶瓷发热体(MCH)加热器中的一种。
[0019]其中，加热器位于推进剂贮存室内部的底面或侧面。
[0020]其中，金属推进剂采用铟等低熔点、低电离能金属，常温下为固态，安放在推进剂贮存室中；绝缘支架由陶瓷制成，用于使栅极和发射体阵列的绝缘；发射体阵列由整块高熔点金属多孔材料(如钨多孔材料)制成，以阵列方式在发射体上表面排布多个发射针，通过毛细作用和表面张力作用吸附、输运液态金属推进剂，并将推进剂输运至每个针式发射体顶端，同时多孔材料金属缝隙可贮存少量金属推进剂；在配对的栅极和针式发射体之间的电场达到一定强度时，相应发射体顶端的液态推进剂在表面张力和电场力的作用下形成泰勒锥。当电场达到足够强度时，泰勒锥顶端的原子由于场发射作用电离，离子被引出并被静电场加速，穿过栅极孔喷出，产生推力。同时，中和器发射电子，中和喷出的离子，使卫星保持电中性，该微型场发射电推力器可实现很小的尺寸、重量，还可以芯片形式封装，形成芯片式推力器。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0022](1)尺寸小、结构紧凑、结构简单，可做成芯片状微型推力器，适用于微小卫星，特别是重量10kg以下的微小卫星；
[0023](2)采用多个栅极时，可根据任务所需的不同推力大小和推力轴线相对于航天器质心的力臂(以改变力矩)要求，选择不同的栅极工作模式，使不同组合的发射针发射金属离子，从而在较大范围内改变推力大小，并在一定范围内改变推力轴线相对于航天器质心的力臂。
[0024](3)由于采用了较为致密的针式多孔材料发射体阵列，相对于目前的单发射针场发射推力器、场发射推力器阵列、皇冠型多孔材料钨发射针整列场发射推力器，推力密度高，即可在较小面积的条件下实现较大的推力，有利于减小推力器尺寸和重量。
[0025](4)相对于硅基发射针阵列场发射电推力器，具有发射体熔点高、工艺简单、推力器寿命长等优点；
[0026](5)相对于窄缝式场发射电推力器，具有重量小、尺寸小的特点，不存在窄缝式场发射电推力器窄缝形成工艺复杂的问题。
【附图说明】
[0027]图1为单栅极针式多孔材料发射体阵列微型场发射电推力器示意图。
[0028]图2为针式多孔材料发射体阵列微型场发射电推力器本体爆炸视图。
[0029]图3为针式多孔材料发射体阵列微型场发射电推力器本体剖面图。
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