阅读说明：本技术 空间推进系统及其推进方法 (Space propulsion system and propulsion method thereof ) 是由 郭登帅 张锐 严玲玲 余勇 黄志伟 李敏 谢祥华 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种空间推进系统及其推进方法,所述空间推进系统作为超低轨道卫星或拥有大气层的行星探测器的推进系统,所述空间推进系统包括吸气装置、供气管路及纳米线阵列离子推力器,其中：所述吸气装置收集轨道中的气体作为推进剂；气体由所述供气管路提供至所述纳米线阵列离子推力器,被所述纳米线阵列离子推力器的强电场电离,并被所述强电场加速喷出产生推力；所述纳米线阵列离子推力器的材料为氧化物。(The invention provides a space propulsion system and a propulsion method thereof, the space propulsion system is used as a propulsion system of an ultra-low orbit satellite or a planetary detector with an atmosphere, the space propulsion system comprises a suction device, an air supply pipeline and a nanowire array ion thruster, wherein: the air suction device collects gas in the track as propellant; gas is provided to the nanowire array ion thruster by the gas supply pipeline, is ionized by a strong electric field of the nanowire array ion thruster, and is accelerated to be ejected by the strong electric field to generate thrust; the material of the nanowire array ion thruster is oxide.)

空间推进系统及其推进方法

技术领域

本发明涉及电推进技术领域，特别涉及一种空间推进系统及其推进方法。

背景技术

电推进技术因其比冲高、质量轻、结构简单等优点，越来越多地应用于卫星的轨道保持和姿态控制，并开始作为深空探测器的主推进，执行轨道维持和轨道转移任务。然而，由于卫星地面发射时只能携带一定量的推进剂，卫星的寿命通常受推进系统的寿命所限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间推进系统及其推进方法，以解决现有的推力器携带推进剂重量有限影响其使用寿命的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种空间推进系统，所述空间推进系统作为超低轨道卫星或拥有大气层的行星探测器的推进系统，所述空间推进系统包括吸气装置、供气管路及纳米线阵列离子推力器，其中：

所述吸气装置收集轨道中的气体作为推进剂；

气体由所述供气管路提供至所述纳米线阵列离子推力器，被所述纳米线阵列离子推力器的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；

所述纳米线阵列离子推力器的材料为氧化物。

可选的，在所述的空间推进系统中，所述纳米线阵列离子推力器包括从上而下依次配合连接的栅极挡圈、栅极、绝缘支撑体、纳米线阵列组件和底座，其中：

所述栅极挡圈为绝缘材料构成的环状零件；

所述绝缘支撑体为环形结构，用于所述栅极和所述纳米线阵列组件之间的电绝缘；

所述纳米线阵列组件放置于所述底座上，所述绝缘支撑体将所述纳米线阵列组件箍紧，所述栅极放置于所述绝缘支撑体的上边沿，所述栅极挡圈固定于所述栅极的边缘，所述栅极卡在所述栅极挡圈中并被所述栅极挡圈压紧。

可选的，在所述的空间推进系统中，所述纳米线阵列组件为基底、纳米线阵列和流道构成的一体化构型；

所述基底为材料为硅、陶瓷或不锈钢的圆形薄片；

所述基底底面与所述栅极及所述底座平行；

所述纳米线阵列从所述基底上生长而成，包括但不限于氧化锌纳米线、氧化钨纳米线、氧化铜纳米线或二氧化钛纳米线；

所述流道为贯穿所述基底高度方向的均匀分布的孔；

所述流道的孔直径为10微米～100微米。

可选的，在所述的空间推进系统中，所述栅极的材料为钨、钼或碳，所述栅极的形状为圆形薄片结构，所述栅极上分布有贯穿所述栅极高度方向的栅极孔，所述栅极孔作为离子加速喷出的通道，所述栅极孔的孔直径为1毫米～5毫米；

所述纳米线阵列的尖端与所述栅极间的距离为50微米～500微米。

可选的，在所述的空间推进系统中，所述底座由绝缘材料形成一中间凹陷的圆柱形结构，且所述底座边缘形成第一凸台及第二凸台，所述第一凸台的高度低于所述第二凸台的高度，所述纳米线阵列组件放置于所述第一凸台上，所述第二凸台包围所述纳米线阵列组件的外侧壁；

所述纳米线阵列组件下表面与所述底座底面之间的距离为5毫米～10毫米；

所述底座底面上具有若干均匀分布且贯穿所述底座高度方向的供气孔，所述供气孔与所述供气管路连接；所述供气孔的孔直径为0.5毫米～2毫米。

可选的，在所述的空间推进系统中，所述纳米线阵列被施加正电压，所述栅极接地；

气体由所述供气管路依次经所述供气孔、所述纳米线阵列组件和所述底座之间的空隙、流道，并最终流经纳米线阵列的尖端附近，被纳米线阵列尖端处的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力。

本发明还提供一种空间推进系统的推进方法，所述空间推进系统的推进方法包括：

空间推进系统携带原推进剂，所述空间推进系统将原推进剂电离产生推力进行超低轨道卫星或行星探测器的轨道维持或转移；

所述空间推进系统的吸气装置收集轨道中的气体作为新推进剂；

气体由供气管路提供至纳米线阵列离子推力器，被所述纳米线阵列离子推力器的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；

所述纳米线阵列离子推力器的材料为氧化物。

可选的，在所述的空间推进系统的推进方法中，所述纳米线阵列离子推力器的羽流电中性中和模式包括：

两台推力器的互中和模式，当处于所述两台推力器的互中和模式时，第一纳米线阵列离子推力器发射阳离子，第二纳米线阵列离子推力器发射电子，以使羽流整体呈电中性；

一台推力器的自中和模式，当处于所述一台推力器的自中和模式时，纳米线阵列离子推力器周期性地发射阳离子或电子，以保持羽流的整体电中性。

可选的，在所述的空间推进系统的推进方法中，所述纳米线阵列离子推力器的羽流电中性中和模式包括：

当为纳米线阵列离子推力器供气的电磁阀处于打开状态时，所述纳米线阵列施加正电压，栅极接地，所述纳米线阵列离子推力器发射阳离子；

当为纳米线阵列离子推力器供气的电磁阀处于关闭状态时，所述纳米线阵列施加负电压、栅极接地，所述纳米线阵列离子推力器发射电子。

在本发明提供的空间推进系统及其推进方法中，通过空间推进系统作为超低轨道卫星或拥有大气层的行星探测器的推进系统，吸气装置收集轨道中的气体作为新的推进剂，气体由供气管路提供至纳米线阵列离子推力器，被纳米线阵列离子推力器的强电场电离，并被强电场加速喷出产生推力，纳米线阵列离子推力器的材料为氧化物，实现了气体作为推进剂可源源不断提供至纳米线阵列离子推力器，使纳米线阵列离子推力器的使用寿命大大增加；由于超低轨道含有稀薄的空气，部分星际行星与地球类似拥有大气层，因此，通过吸气装置收集轨道中的气体作为推进剂，可为超低轨道卫星和行星探测器提供源源不断的动力来源。

另外，通过纳米线阵列离子推力器采用氧化物为制造材料，避免了常规电推进如传统的霍尔推力器、离子推力器等采用氙气等惰性气体作推进剂，其阴极易受原子氧、氧气等影响而中毒而不适用于吸气式电推进的缺陷。

进一步，通过纳米线阵列离子推力器采用氧化物为制造材料，避免了现有技术中基于碳纳米管阵列的推力器由于超低轨道中含有大量的氧气和原子氧，而碳纳米管易被氧气和原子氧腐蚀而损坏的缺陷，因此，本发明的基于氧化物的纳米线阵列推力器更加适用于吸气式电推进。

其中，纳米线阵列为MEMS纳米线阵列。MEMS全称为“Micro-Electro-MechanicalSystem”，中文名称为“微机电系统”，MEMS器件具备体积小、重量轻、耗能低、惯性小等诸多优点，被广泛应用于微电子、材料、力学、化学、机械、航天等领域中。

本发明的基于氧化物的纳米线阵列离子推力器是一种集MEMS技术、场发射原理和离子电推进思想于一体的新型电推进，具有抗氧化、比冲高、推力范围广、可用任何气体作推进剂等优点，既可以与常规电推进一样使用自身携带的推进剂，又能通过收集轨道中的气体应用于超低轨道卫星以及拥有大气层的行星探测器的推进系统，以大大延长航天器的寿命。

附图说明

图1是本发明一实施例空间推进系统的纳米线阵列离子推力器各零件装配关系示意图；

图2是本发明一实施例空间推进系统的纳米线阵列离子推力器总装外观示意图；

图3是本发明一实施例空间推进系统的纳米线阵列离子推力器剖面示意图；

图4是本发明一实施例空间推进系统的纳米线阵列组件结构示意图；

图5是本发明一实施例空间推进系统的栅极结构示意图；

图中所示：1-栅极挡圈；11-栅极卡环；2-栅极；21-栅极孔；3-绝缘支撑体；31-组件卡环；4-纳米线阵列组件；5-纳米线阵列；6-基底；7-流道；8-底座；81-第一凸台；82-第二凸台；83-供气孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间推进系统及其推进方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种空间推进系统及其推进方法，以解决现有的推力器携带推进剂重量有限影响其使用寿命的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种空间推进系统及其推进方法，所述空间推进系统作为超低轨道卫星或拥有大气层的行星探测器的推进系统，所述空间推进系统包括吸气装置、供气管路及纳米线阵列离子推力器，其中：所述吸气装置收集轨道中的气体作为推进剂；气体由所述供气管路提供至所述纳米线阵列离子推力器，被所述纳米线阵列离子推力器的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；所述纳米线阵列离子推力器的材料为氧化物。

<实施例一>

本实施例提供一种空间推进系统，所述空间推进系统作为超低轨道卫星或拥有大气层的行星探测器的推进系统，所述空间推进系统包括吸气装置、供气管路及纳米线阵列离子推力器，其中：所述吸气装置收集轨道中的气体作为推进剂；气体由所述供气管路提供至所述纳米线阵列离子推力器，被所述纳米线阵列离子推力器的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；所述纳米线阵列离子推力器的材料为氧化物。

如图1～3所示，在所述的空间推进系统中，所述纳米线阵列离子推力器包括从上而下依次配合连接的栅极挡圈1、栅极2、绝缘支撑体3、纳米线阵列组件4和底座8，其中：所述栅极挡圈1为绝缘材料构成的环状零件；所述绝缘支撑体3为环形结构，用于所述栅极2和所述纳米线阵列组件4之间的电绝缘；所述纳米线阵列组件4放置于所述底座8上，所述绝缘支撑体3将所述纳米线阵列组件4箍紧，并通过组件卡环31将纳米线阵列组件4压紧防止其松脱，所述栅极2放置于所述绝缘支撑体3的上边沿，所述栅极挡圈1固定于所述栅极2的边缘，所述栅极2卡在所述栅极挡圈1中并被所述栅极挡圈压紧，即通过栅极卡环11压紧防止其松脱。

如图1、3或4所示，在所述的空间推进系统中，所述纳米线阵列组件4为基底6、纳米线阵列5和流道7构成的一体化构型；所述基底6为材料为硅、陶瓷或不锈钢的圆形薄片；所述基底6底面与所述栅极2及所述底座8平行；所述纳米线阵列5从所述基底6上生长而成，包括但不限于氧化锌纳米线、氧化钨纳米线、氧化铜纳米线或二氧化钛纳米线；所述流道7为贯穿所述基底6高度方向的均匀分布的孔；所述流道7的孔直径为10微米～100微米。

如图5所示，在所述的空间推进系统中，所述栅极2的材料为耐溅射的金属，如钨、钼，或碳，所述栅极2的形状为圆形薄片结构，所述栅极2上分布有贯穿所述栅极2高度方向的栅极孔21，所述栅极孔21作为离子加速喷出的通道，所述栅极孔21的孔直径为1毫米～5毫米；所述纳米线阵列5的尖端与所述栅极2间的距离为50微米～500微米。

如图3所示，在所述的空间推进系统中，所述底座8由绝缘材料形成一中间凹陷的圆柱形结构，且所述底座8边缘形成第一凸台81及第二凸台82，所述第一凸台81的高度低于所述第二凸台82的高度，所述纳米线阵列组件4放置于所述第一凸台81上，所述第二凸台82包围所述纳米线阵列组件4的外侧壁；所述纳米线阵列组件4下表面与所述底座8底面之间的距离为5毫米～10毫米；所述底座8底面上具有若干均匀分布且贯穿所述底座8高度方向的供气孔83，所述供气孔83与所述供气管路连接；所述供气孔83的孔直径为0.5毫米～2毫米。

进一步的，在所述的空间推进系统中，所述纳米线阵列5被施加正电压，所述栅极2接地；气体由所述供气管路依次经所述供气孔、所述纳米线阵列组件4和所述底座8之间的空隙、流道7，并最终流经纳米线阵列5的尖端附近，被纳米线阵列5尖端处的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力。

综上，上述实施例对空间推进系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例二>

本实施例提供一种空间推进系统的推进方法，所述空间推进系统的推进方法包括：空间推进系统携带原推进剂，所述空间推进系统将原推进剂电离产生推力进行超低轨道卫星或行星探测器的轨道维持或转移；所述空间推进系统的吸气装置收集轨道中的气体作为新推进剂；气体由供气管路提供至纳米线阵列离子推力器，被所述纳米线阵列离子推力器的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；所述纳米线阵列离子推力器的材料为氧化物。

具体的，在所述的空间推进系统的推进方法中，所述纳米线阵列离子推力器的羽流电中性中和模式包括：两台推力器的互中和模式，当处于所述两台推力器的互中和模式时，第一纳米线阵列离子推力器发射阳离子，第二纳米线阵列离子推力器发射电子，以使羽流整体呈电中性；一台推力器的自中和模式，当处于所述一台推力器的自中和模式时，纳米线阵列离子推力器周期性地发射阳离子或电子，以保持羽流的整体电中性。

进一步的，在所述的空间推进系统的推进方法中，所述纳米线阵列离子推力器的羽流电中性中和模式包括：当为纳米线阵列离子推力器供气的电磁阀处于打开状态时，所述纳米线阵列5施加正电压，栅极2接地，所述纳米线阵列离子推力器发射阳离子；当为纳米线阵列离子推力器供气的电磁阀处于关闭状态时，所述纳米线阵列5施加负电压、栅极2接地，所述纳米线阵列离子推力器发射电子。

在本发明提供的空间推进系统及其推进方法中，通过空间推进系统作为超低轨道卫星或拥有大气层的行星探测器的推进系统，吸气装置收集轨道中的气体作为新的推进剂，气体由供气管路提供至纳米线阵列离子推力器，被纳米线阵列离子推力器的强电场电离，并被强电场加速喷出产生推力，纳米线阵列离子推力器的材料为氧化物，实现了气体作为推进剂可源源不断提供至纳米线阵列离子推力器，使纳米线阵列离子推力器的使用寿命大大增加；由于超低轨道含有稀薄的空气，部分星际行星与地球类似拥有大气层，因此，通过吸气装置收集轨道中的气体作为推进剂，可为超低轨道卫星和行星探测器提供源源不断的动力来源。

另外，通过纳米线阵列离子推力器采用氧化物为制造材料，避免了常规电推进如传统的霍尔推力器、离子推力器等采用氙气等惰性气体作推进剂，其阴极易受原子氧、氧气等影响而中毒而不适用于吸气式电推进的缺陷。

进一步，通过纳米线阵列离子推力器采用氧化物为制造材料，避免了现有技术中基于碳纳米管阵列的推力器由于超低轨道中含有大量的氧气和原子氧，而碳纳米管易被氧气和原子氧腐蚀而损坏的缺陷，因此，本发明的基于氧化物的纳米线阵列推力器更加适用于吸气式电推进。

其中，纳米线阵列为MEMS纳米线阵列。MEMS全称为“Micro-Electro-MechanicalSystem”，中文名称为“微机电系统”，MEMS器件具备体积小、重量轻、耗能低、惯性小等诸多优点，被广泛应用于微电子、材料、力学、化学、机械、航天等领域中。

本发明的基于氧化物的纳米线阵列离子推力器是一种集MEMS技术、场发射原理和离子电推进思想于一体的新型电推进，具有抗氧化、比冲高、推力范围广、可用任何气体作推进剂等优点，既可以与常规电推进一样使用自身携带的推进剂，又能通过收集轨道中的气体应用于超低轨道卫星以及拥有大气层的行星探测器的推进系统，以大大延长航天器的寿命。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。