[发明专利]一种适用于微牛级场发射电推进系统的喷嘴加工工艺

说明书

本发明公开了一种适用于微牛级场发射电推进系统的喷嘴加工工艺，其中适用于微牛级场发射电推进系统的喷嘴结构，主体是由喷嘴微管道组成的发射体阵列，并且在微管道的内壁和外表面分别均匀沉积有一维纳米材料。本发明主要采用半导体微纳加工技术，通过对SOI硅片进行刻蚀得到理想的发射体喷嘴结构，以此为衬底，在该衬底外表面和内管壁均引入适当形貌和性能的一维纳米材料进行均匀包覆，实现表面修饰和功能化的目的，使喷嘴管口表面的发射点阵列增多的同时，增加内管壁的液压阻力，以降低流速，使发射体工作在离子体系，以便在不产生液滴的情况下，最大程度上利用推进剂产生的电流，从而提升推进器的性能。

技术领域

本发明属于航天器推进技术和微纳加工制备的研究领域，更具体地，涉及一种适用于微牛级场发射电推进系统的喷嘴加工工艺，该工艺是将纳米材料应用到微牛级场发射电推进系统的发射体结构由此实现对微牛级场发射电推进系统中喷嘴的加工。

背景技术

航天领域的发展极大促进了电推进技术在航天器姿态调整、轨道控制和精确定位及复位等方面的应用。对于微小型卫星和航天器，要求推进器尺寸、重量的微型化和高度集成化，以及能提供稳定的低推力，而电推进技术的推进剂效率是化学推进技术的几倍到几十倍。因此，基于微牛级的电推进器成为潜在的解决方案。

其中，电喷嘴推进器非常适合于精密拖曳补偿以及小型卫星的姿态控制和初级推进，由Busek公司开发的用来抵消太阳压力的电喷嘴推进器作为第一个应用的案例，已成功飞行在NASA的太空技术(ST7)任务中。小型卫星所需要的最小的推力、功率、每个发射点的面积和高效率以及推力的可伸缩性，让微加工技术实现发射点阵列制作电喷嘴推进器成为理想方法。

根据推进剂传输至发射点的方式不同，这种微型阵列可分为两种，一种是每个发射点以突起的针尖制作在平面上，推进剂通过其表面的毛细润湿或多孔介质到达其顶端，叫做外馈式阵列。另一种的发射点阵列是通过刻蚀硅得到的管道，与装载推进剂的密封歧管连接，通过施加压降驱动推进剂的流动，叫做内馈式阵列。这两种推进器都是基于场发射效应，通过在抽取电极和液态推进剂润湿的针尖或喷嘴管口之间施加几千伏的高电位，形成离子束，由于推进剂的表面张力与静电力的相互作用，在针尖上或喷嘴管口形成泰勒锥。

对于外馈式阵列，F.A.Hill等人通过在发射表面引入高润湿性的碳纳米管以增加发射点数目和调控发射表面的液压阻力，实现了降低起始电压和增强传输效率的目的。对于内馈式阵列，一般管口直径需要低至几微米以提供歧管和发射点尖端之间的压降，但这受限于深刻蚀的制造工艺极限和制造公差，使发射点之间的流速存在差别，而流速的变化直接影响表面电流的同向变化。为了解决这一问题，Krpoun等人在微管道中放入微珠来调整发射点内部的液压阻力，因为根据理论分析，发射点内部的流速与液压阻力成反比。但是这种技术不能保证发射点内部的填充均匀调控，也不能保证微珠在使用寿命期间维持在适当的位置，还易于堵塞，不易清洁。如果能通过引入一维纳米材料，将这两种反馈方式结合，恰当的应用在场发射电推进器系统中，在提升表面发射点阵列数目的同时，还能实现更方便的调控发射管道内的液压阻力等优势。迄今为止，尚未有文献报道过这种结合方式。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种适用于微牛级场发射电推进系统的喷嘴加工工艺，相应得到一种适用于微牛级场发射电推进系统的喷嘴结构及加工方法，本发明主要采用半导体微纳加工技术，通过对SOI硅片进行刻蚀得到理想的发射体喷嘴结构，以此为衬底，在该衬底外表面和内管壁均引入适当形貌和性能的一维纳米材料进行均匀包覆，实现表面修饰和功能化的目的，使喷嘴管口表面的发射点阵列增多的同时，增加内管壁的液压阻力，以降低流速，使发射体工作在离子体系，以便在不产生液滴的情况下，最大程度上利用推进剂产生的电流，从而提升推进器的性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于微牛级场发射电推进系统的喷嘴结构，主体是由喷嘴微管道组成的发射体阵列，其特征在于，在所述微管道的内壁上均匀沉积有一维纳米材料，所述发射体阵列的外表面上也沉积有一维纳米材料。