专利摘要

一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，属于航天微电推进领域，本发明为解决传统针尖式场发声发射推力器通过调节流量改变推力存在响应速度慢的问题。本发明方案：高压电极组设置在上部外壳、下部外壳交界处，k个发射极的根部均穿过高压电极组并浸入至对应的推进剂储罐中，每个推进剂储罐设置一个流量控制器；k个发射极分为m组阵列，高压电极组由m个高压电极板堆叠而成，每相邻两层高压极板之间均设置一层高压绝缘板以实现绝缘；同一阵列中的发射极统一由一块高压电极板实现外部供电，不同阵列中的发射极由不同的高压电极板实现外部供电；通过对m个高压电极板的电压等级的独立调节来实现推力的大范围连续输出。

权利要求

1.一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，包括上部外壳(2)、下部外壳(5)、吸极(1)和k个发射极(11)，其特征在于，还包括高压电极组、k个推进剂储罐(6)和k个流量控制器(7)，k为正整数；

高压电极组设置在上部外壳(2)、下部外壳(5)交界处，k个发射极(11)的针尖与吸极(1)之间存在放电间隙，k个发射极(11)的根部均穿过高压电极组并浸入至对应的推进剂储罐(6)中，每个推进剂储罐(6)设置一个流量控制器(7)；

k个发射极(11)分为2组阵列，分别为第一阵列(10)和第二阵列(9)；

对应的高压电极组由2个高压电极板堆叠而成，分别为上层高压电极板(3)和下层高压电极板(4)；上层高压电极板(3)和下层高压电极板(4)之间设置一层高压绝缘板(8)；

第一阵列(10)中的发射极(11)通过上层高压电极板(3)实现外部供电，第二阵列(9)中的发射极(11)通过下层高压电极板(4)实现外部供电；

第一阵列(10)和第二阵列(9)之间通过高压绝缘板(8)实现互相绝缘；

上层高压电极板(3)包括上层导电圆板(3-1)，上层导电圆板(3-1)设置有n个第一阵列针固定柱(3-2)和k-n个上层过孔(3-3)，n个第一阵列针固定柱(3-2)设置于上层导电圆板(3-1)的下表面且位于同一圆周上，k-n个上层过孔(3-3)位于同一圆周上，两个圆周为同心圆；

下层高压电极板(4)包括下层导电圆板(4-1)，下层导电圆板(4-1)设置有k-n个第二阵列针固定柱(4-2)和n个下层过孔(4-3)，k-n个第二阵列针固定柱(4-2)位于同一圆周上，n个下层过孔(4-3)位于同一圆周上，两个圆周为同心圆；

高压绝缘板(8)包括绝缘圆板(8-1)，绝缘圆板(8-1)上表面设置有与k-n个上层过孔(3-3)对应的第二阵列针固定绝缘柱(8-2)，绝缘圆板(8-1)下表面设置有与n个下层过孔(4-3)对应的过渡绝缘柱(8-3)；

上层导电圆板(3-1)、下层导电圆板(4-1)和绝缘圆板(8-1)为直径相同的圆板，且三者堆叠在一起，相互之间无间隙；

高压绝缘板(8)的第二阵列针固定绝缘柱(8-2)对应插入上层高压电极板(3)的k-n个上层过孔(3-3)中，高压绝缘板(8)的过渡绝缘柱(8-3)对应插入下层高压电极板(4)的n个下层过孔(4-3)中，上层高压电极板(3)的n个第一阵列针固定柱(3-2)穿过高压绝缘板(8)的过渡绝缘柱(8-3)的中心通孔，且第一阵列针固定柱(3-2)伸出的端部分别与对应的推进剂储罐(6)的入口连通；

n个发射极(11)的根部插入n个第一阵列针固定柱(3-2)，由对应的n个推进剂储罐(6)提供一对一的持续稳定气源；

k-n个发射极(11)的根部依次插入第二阵列针固定绝缘柱(8-2)和第二阵列针固定柱(4-2)，由对应的k-n个推进剂储罐(6)提供一对一的持续稳定流量；

通过对2个高压电极板的电压等级的独立调节来实现推力的大范围连续输出。

2.根据权利要求1所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，2组阵列所包含的发射极(11)的数量相同或不相同。

3.根据权利要求1所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，第一阵列(10)和第二阵列(9)的发射极(11)呈同心圆排布。

4.根据权利要求1所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，推进剂储罐(6)内部存储有低蒸气压工质。

5.根据权利要求1所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，发射极(11)由石英或者金属材料制成，内有直径20μm-50μm的毛细孔。

6.根据权利要求1所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器，其特征在于，发射极(11)的针尖与吸极(1)之间的放电间隙为1mm-5mm。

说明书

技术领域

本发明属于航天微电推进领域，涉及一种在不调节流量的情况下就可以实现推力大范围连续可调且可以快速响应的场发射推力器。

背景技术

场发射推力器是一种可以产生高分辨率、低噪声的微牛级电推力器，可以应用于引力波探测等对推力要求极高的科研任务。其主要包括吸极、发射极、工质储罐和一些支撑结构。工质一般采用具有低蒸气压的流体，通过发射极中微米级别的细孔产生的毛细作用将工质引导到针尖，发射极的电位较高，一般高达1000V以上，吸极为低电位，二者距离在1mm-5mm，由此可以产生极大的电场，针尖的工质在此场强作用下被电离、加速，然后从吸极孔离开推力器产生推力。场发射推力器可以精确的补偿航天器平台微牛级别的残余干扰力，为高精度空间科研任务如引力波探测提供支撑，实现无拖曳控制。

结合图11对传统场发射推力器的基本原理进行说明，工质被发射极的毛细作用引导向针尖，发射极与高压电极提供的高电位连接，吸极是低电位，在未通电状态下针尖上的工质不会被加速产生推力，由于其低蒸气压在真空环境下被蒸发的工质有限，因此可以在针尖维持工质的通流状态，而不是将流量供应切断。当接通电源后，吸极与发射极之间建立起强电场，工质被电离然后沿着吸极孔被加速出推力器，产生推力。

传统的针尖式场发射推力器有单针尖、多针尖形式，图11给出了多针尖形式，且多个针尖由一个高压电极统一供电，由一个储罐统一供气，多针尖形式除了与单针尖的针尖数量不同之外，其他原理基本是一致的，如果要改变推力，可以通过改变电压和工质流量来增加推力。在高精度的科研任务中，不仅要求推力具备高的分辨率和低噪声，也会对其推力的响应速度提出高要求。传统的针尖式场发射器调节推力只有两个方法：提高电压和改变流量。由于电压本身已是1000V量级，可以调节的倍率在5倍左右。通过流量控制器进行的流量调节也可以达到10倍左右，由此产生的推力调节倍数小于50倍。但是，调节流量时会由于工质本身的粘度、较小的运动速度引入长的时间延迟，响应速度较慢。

发明内容

本发明目的是为了解决传统针尖式场发声发射推力器通过调节流量改变推力存在响应速度慢的问题，提供了一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器。

本发明所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器包括上部外壳2、下部外壳5、吸极1和k个发射极11，其特征在于，还包括高压电极组、k个推进剂储罐6和k个流量控制器7，k为正整数；

高压电极组设置在上部外壳2、下部外壳5交界处，k个发射极11的针尖与吸极1之间存在放电间隙，k个发射极11的根部均穿过高压电极组并浸入至对应的推进剂储罐6中，每个推进剂储罐6设置一个流量控制器7；

k个发射极11分为m组阵列，高压电极组由m个高压电极板堆叠而成，m为正整数，且m＝2～k，每相邻两层高压极板之间均设置一层高压绝缘板8以实现绝缘；

同一阵列中的发射极11统一由一块高压电极板实现外部供电，不同阵列中的发射极由不同的高压电极板实现外部供电；

通过对m个高压电极板的电压等级的独立调节来实现推力的大范围连续输出。

优选地，m组阵列所包含的发射极11的数量相同或不相同。

优选地，m＝2，k个发射极11分为2组阵列，分别为第一阵列10和第二阵列9；

对应的高压电极组由2个高压电极板堆叠而成，分别为上层高压电极板3和下层高压电极板4；上层高压电极板3和下层高压电极板4之间设置一层高压绝缘板8；

第一阵列10中的发射极11通过上层高压电极板3实现外部供电，第二阵列9中的发射极11通过下层高压电极板4实现外部供电；

第一阵列10和第二阵列9之间通过高压绝缘板8实现互相绝缘。

优选地，第一阵列10和第二阵列9的发射极11呈同心圆排布。

优选地，上层高压电极板3包括上层导电圆板3-1，上层导电圆板3-1设置有n个第一阵列针固定柱3-2和k-n个上层过孔3-3，n个第一阵列针固定柱3-2设置于上层导电圆板3-1的下表面且位于同一圆周上，k-n个上层过孔3-3位于同一圆周上，两个圆周为同心圆；

下层高压电极板4包括下层导电圆板4-1，下层导电圆板4-1设置有k-n个第二阵列针固定柱4-2和n个下层过孔4-3，k-n个第二阵列针固定柱4-2位于同一圆周上，n个下层过孔4-3位于同一圆周上，两个圆周为同心圆；

高压绝缘板8包括绝缘圆板8-1，绝缘圆板8-1上表面设置有与k-n个上层过孔3-3对应的第二阵列针固定绝缘柱8-2，绝缘圆板8-1下表面设置有与n个下层过孔4-3对应的过渡绝缘柱8-3；

上层导电圆板3-1、下层导电圆板4-1和绝缘圆板8-1为直径相同的圆板，且三者堆叠在一起，相互之间无间隙；

高压绝缘板8的第二阵列针固定绝缘柱8-2对应插入上层高压电极板3的k-n个上层过孔3-3中，高压绝缘板8的过渡绝缘柱8-3对应插入下层高压电极板4的n个下层过孔4-3中，上层高压电极板3的n个第一阵列针固定柱3-2穿过高压绝缘板8的过渡绝缘柱8-3的中心通孔，且第一阵列针固定柱3-2伸出的端部分别与对应的推进剂储罐6的入口连通；

n个发射极11的根部插入n个第一阵列针固定柱3-2，由对应的n个推进剂储罐6提供一对一的持续稳定气源；

k-n个发射极11的根部依次插入第二阵列针固定绝缘柱8-2和第二阵列针固定柱4-2，由对应的k-n个推进剂储罐6提供一对一的持续稳定流量。

优选地，推进剂储罐6内部存储有低蒸气压工质。

优选地，发射极11由石英或者金属材料制成，内有直径20μm-50μm的毛细孔。

优选地，发射极11的针尖与吸极1之间的放电间隙为1mm-5mm。

本发明的有益效果：为实现推力的快速调节，发射极针尖一直独立的维持稳定的工质流量，降低流量调节过程中的时间延迟。通过与发射极阵列的组合，根据任务对推力调节范围提出的要求，设计出一款在不调节流量的情况下就可以实现推力大范围连续可调且可以快速响应的场发射推力器。

所述的发射极阵列的布置方式，不限于多个针尖组成一个阵列，为了实现推力的大范围调节，可以布置尽可能多的针尖，并且对每一个针尖都可以实现电压、流量控制。通过控制不同数量的针尖产生推力，并且结合电压调节，实现推力的大范围连续可调，推力调节范围可实现在1μN～100μN之间。

为了实现推力器的高度集成化和小型化，可以进一步引入MEMS技术，结合本发明流量控制和供电控制设计，得到一款阵列场发射推力器。

附图说明

图1是本发明所述一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器的结构示意图；

图2是本发明推力器的发射极阵列结构，分为两组阵列；

图3是吸极的平面结构示意图，其中图3(a)为俯视图，图3(b)为图3(a)的A-A剖视图；

图4是两组高压电极、高压绝缘板组合立体结构示意图，其中图4(a)、(b)为不同视角的立体结构示意图；

图5是上层高压电极的平面结构示意，其中图5(a)为上层高压电极俯视图，图5(b)为图5(a)的B-B剖视图；

图6是上层高压电极的立体结构示意图，其中图6(a)、(b)为不同视角的立体结构示意图；

图7是下层高压电极的平面结构示意图，其中图7(a)为上层高压电极俯视图，图7(b)为图7(a)的C-C剖视图；

图8是下层高压电极的立体结构示意图，其中图8(a)、(b)为不同视角的立体结构示意图；

图9是高压绝缘板的平面结构示意，其中图9(a)为高压绝缘板俯视图，图9(b)为图9(a)的D-D剖视图；；

图10是高压绝缘板的立体结构示意图；

图11是传统针尖式场发射推力器的结构示意图，其中图11(a)为总体结构，图11(b)为发射极布置图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明将k个发射极11分成m组阵列，阵列之间被高压绝缘隔离，实现阵列的独立工作。所有发射极阵列任意时间都保持稳定的流量供应，推力调节则主要以电参量调节实现快速响应。由于采用的工质具备低蒸汽压，在低压环境下不会因为蒸发大量流失工质。同时，通过对发射极阵列供电的控制实现多倍推力调，再结合多倍电压调节，最终达到推力大范围连续可调、快速响应的目的。

不论某发射极工作与否，发射极11始终有稳定的工质供应。

小推力工作时，选择发射极数量少的阵列工作，流量不变，通过调节电压实现推力的增长。

中等推力工作时，选择发射极数量多的阵列工作，流量不变，通过调节电压实现推力的增长。

大推力工作时，所有发射极阵列工作，首先流量不变，调节电压实现推力的增长，如果推力达不到要求，可以通过具备流量调节能力的发射极增加流量，实现更大推力的调节。

通过上述三种粗调节大量实验数据，确定最优调节路径。优选较多数量的发射极、更低电压的模式实现某推力，降低对高电压的依赖。

通过合理的设计，使尽可能多的发射极具备独立调节能力，极端情况是每一个发射极都具备该能力，以此实现更加精细的调节。

第一个实施例：m＝2，k个发射极11分为2组阵列，分别为第一阵列10和第二阵列9；

对应的高压电极组由2个高压电极板堆叠而成，分别为上层高压电极板3和下层高压电极板4；上层高压电极板3和下层高压电极板4之间设置一层高压绝缘板8；

第一阵列10中的发射极11通过上层高压电极板3实现外部供电，第二阵列9中的发射极11通过下层高压电极板4实现外部供电；

第一阵列10和第二阵列9之间通过高压绝缘板8实现互相绝缘。

第一阵列10和第二阵列9的发射极11呈同心圆排布。

上层高压电极板3包括上层导电圆板3-1，上层导电圆板3-1设置有n个第一阵列针固定柱3-2和k-n个上层过孔3-3，n个第一阵列针固定柱3-2设置于上层导电圆板3-1的下表面且位于同一圆周上，k-n个上层过孔3-3位于同一圆周上，两个圆周为同心圆；

下层高压电极板4包括下层导电圆板4-1，下层导电圆板4-1设置有k-n个第二阵列针固定柱4-2和n个下层过孔4-3，k-n个第二阵列针固定柱4-2位于同一圆周上，n个下层过孔4-3位于同一圆周上，两个圆周为同心圆；

高压绝缘板8包括绝缘圆板8-1，绝缘圆板8-1上表面设置有与k-n个上层过孔3-3对应的第二阵列针固定绝缘柱8-2，绝缘圆板8-1下表面设置有与n个下层过孔4-3对应的过渡绝缘柱8-3；

上层导电圆板3-1、下层导电圆板4-1和绝缘圆板8-1为直径相同的圆板，且三者堆叠在一起，相互之间无间隙；绝缘圆板8-1的厚度由绝缘材料和最高工作电压决定。

高压绝缘板8的第二阵列针固定绝缘柱8-2对应插入上层高压电极板3的k-n个上层过孔3-3中，高压绝缘板8的过渡绝缘柱8-3对应插入下层高压电极板4的n个下层过孔4-3中，上层高压电极板3的n个第一阵列针固定柱3-2穿过高压绝缘板8的过渡绝缘柱8-3的中心通孔，且第一阵列针固定柱3-2伸出的端部分别与对应的推进剂储罐6的入口连通；

n个发射极11的根部插入n个第一阵列针固定柱3-2，由对应的n个推进剂储罐6提供一对一的持续稳定气源；

k-n个发射极11的根部依次插入第二阵列针固定绝缘柱8-2和第二阵列针固定柱4-2，由对应的k-n个推进剂储罐6提供一对一的持续稳定流量。

所述上部外壳2的长度由任务要求总冲和针尖寿命决定。

发射极11由石英或者金属材料制成，内有直径20μm-50μm的毛细孔，阵列中任意两个发射极11之间的距离由击穿电压决定。

发射极11的针尖与吸极1之间的放电间隙为1mm-5mm，用来产生强电场E，E＝1000V-10000V，用以形成强场强电离工质和加速等离子体。发射极11一端浸入推进剂储罐6内，通过毛细作用将工质输运到针尖。为了提高推力的响应速度，针尖一直维持稳定的工质供应。当推力超出该流量所能产生的最大推力后，再通过增加流量的手段，拓展推力上限。

推进剂储罐6内部存储有低蒸气压工质，防止在真空环境下被蒸发消耗。k个推进剂储罐6储罐可以与下部外壳5为一体，也可分体，根据需求定制。同时，为了满足偶然的更大推力的需求，通过对一部分流量控制器7进行流量调节以达到增大推力的目的，剩下的发射极针尖流量供应通过流量控制器7控制维持稳定。

k个推进剂储罐6独立且持续的供应流量，降低流量调节过程中的时间延迟，通过电压调节就实现快速响应的推力调节。

第二个实施例：m＝k，本实施例中，每个阵列中只包括一个发射极11，可实现每一个针尖都独立供电、供应工质，最大限定的提高推力的调节范围。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，结合MEMS技术实现推力器的小型化、微型化，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，实现推力快速响应和大范围连续可调的推力器。但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

一种推力大范围连续可调的微牛级快速响应场发射推力器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。