[发明专利]一种针式多孔材料发射体阵列微型场发射电推力器

说明书

本发明公开了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。本发明尺寸小、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。

技术领域

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

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。

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。

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。

目前这两种场发射电推力器存在如下问题：

(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20～50μN)，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。

(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。

(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。

(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。

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

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。