一种电场控制供液的离子液体电喷推力器
阅读说明：本技术 一种电场控制供液的离子液体电喷推力器 (Ionic liquid electric spraying thruster for electric field control liquid supply ) 是由 武志文 孙伟 孙振宁 韩雨宁 王云冰 于 2021-02-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电场控制供液的离子液体电喷推力器,属于微纳卫星微推进技术领域。本发明包括储液槽、覆盖有疏水介电层的铜片、用于控制铜片距离的绝缘垫片、上壳体、发射极、提取极。该推力器使用电场提高离子液体与多孔介质型发射极之间浸润性,同时通过电场来控制离子液体在毛细管道中的流动特性,可实现推进剂的主动供给,提高离子液体电喷推力器发射的稳定性和寿命,适用于低功率微纳卫星的阻力补偿,位置保持,姿态控制等任务需求。(The invention relates to an ionic liquid electric spraying thruster for controlling liquid supply through an electric field, and belongs to the technical field of micro-propulsion of micro-nano satellites. The invention comprises a liquid storage tank, a copper sheet covered with a hydrophobic dielectric layer, an insulating gasket for controlling the distance of the copper sheet, an upper shell, an emitter and an extraction electrode. The thruster improves the wettability between ionic liquid and a porous medium type emitting electrode by using an electric field, controls the flow characteristic of the ionic liquid in a capillary pipeline by the electric field, can realize active supply of a propellant, improves the emitting stability and the service life of the ionic liquid electric spraying thruster, and is suitable for the task requirements of low-power micro-nano satellite on resistance compensation, position maintenance, attitude control and the like.)
技术领域
本发明涉及一种电场控制供液的离子液体电喷推力器，属于微纳卫星微推进技术领域。
背景技术
成本低、研制周期短、发射灵活是微纳卫星的主要优点，目前微纳卫星已在通信、遥感、对地观测和空间试验等领域具有广泛应用，前景广阔。由于微纳卫星受到总功率、质量和体积的限制，其推进系统需要具备功耗低、重量轻、体积小、寿命长、推力精确等特点。离子液体电喷推力器(Ionic Liquid Electrospray Thruster,ILET)具有体积小、重量轻、比冲高、推力精度高等特点，可以满足微纳卫星对推进系统提出的要求，是微纳卫星的理想推进系统之一。但其使用液体工质作为推进剂，传统的多孔介质型离子液体电喷推力器在液体工质消耗到一定程度后推力下降，缺陷在于发射的稳定性和寿命问题。
发明内容
本发明的目的是为了提高离子液体电喷推力器发射的稳定性和寿命，提供一种电场控制供液的离子液体电喷推力器。该推力器使用电场提高离子液体与毛细管型发射极之间浸润性，并通过电场来控制离子液体在毛细管道中的流动特性，可实现推进剂的主动供给，提高离子液体电喷推力器发射的稳定性和寿命。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种电场控制供液的离子液体电喷推力器，包括储液槽、覆盖有疏水介电层的铜片、用于控制铜片距离的绝缘垫片、上壳体、发射极、提取极；
覆盖有疏水介电层的铜片通过储液槽上的凹槽与绝缘垫片采用过盈配合固定，竖直悬空在储液槽内；发射极通过上壳体凹槽固定；提取极通过绝缘螺钉固定并与发射极保持一定距离；两个所述覆盖有疏水介电层的铜片为一组，两铜片与储液槽构成离子液体流动的毛细管道；初始状态下，离子液体由于疏水介电层的影响不浸润毛细管道，随后通过电场提高离子液体与毛细管道的浸润性，同时通过电场来控制离子液体在毛细管道中的流动特性，实现离子液体的主动供给。
通过控制所述两铜片间的距离与两铜片上加载的电压，控制液体流动速度，速度v满足关系式
其中，ρ为离子液体的密度；γ为离子液体的表面张力系数，μ为离子液体的动力粘度，D为两铜片间的距离，h为铜片的高度，θ0为离子液体与疏水介电层的初始接触角，ε0为真空介电常数，εr为介质层材料的介电常数，d为介质层的厚度，U为加载在两铜片上的电压。
所述疏水介电层由微米级厚度的介电层和纳米级厚度的疏水层构成。
所述疏水介电层为绝缘材料和含氟聚合物。
所述绝缘材料包括：二氧化硅、N型派瑞林；所述含氟聚合物包括：特氟龙、氟化聚乙烯、氟碳蜡。
所述发射极为带有阵列式尖端的多孔材料。
所述铜片组数量至少为一组。
所述的电场控制供液的离子液体电喷推力器的工作方法，在初始状态下，由于离子液体与疏水介电层处于不浸润状态，不能在毛细作用下沿着两片铜片构成的毛细管道内流动；需要工作时，将两铜片接通电源，离子液体接地，在电场作用下，疏水介电层表面自由能降低，离子液体与疏水介电层变为浸润状态，在毛细作用下沿着毛细管道流动，逐渐浸润发射极；在离子液体完全浸润发射极后，关闭铜片电源，离子液体取消接地；在发射极与提取极之间施加高电场，发射极尖端离子液体形成泰勒锥，继而发射带电粒子，可能是带电液滴，或者是纯离子，也可能是两者的混合物，带电粒子在电场中加速喷出产生推力；在工作一段时间后，发射极储存的离子液体减少，导致推力下降，则重复以上步骤，实现离子液体电喷推力器的主动供液，提高发射的稳定性和寿命。
覆盖有疏水介电层的铜片通过储液槽上的凹槽与绝缘垫片采用过盈配合固定，竖直悬空在储液槽内；发射极通过上壳体凹槽固定；提取极通过绝缘螺钉固定并与发射极保持一定距离。疏水介电层的材料为微米级厚度的N型派瑞林与纳米级厚度的特氟龙。发射极为带有阵列式尖端的多孔材料。
覆盖有疏水介电层的铜片为T字形，突出部分与储液槽凹槽通过绝缘垫片实现过盈配合，使装配紧密。
上壳体内凸以定位固定发射极，使其与外部环境隔离，保护发射极，并通过壳体内凸所在位置与壳外壁的距离控制发射极与提取极之间的距离。
在初始状态下，由于离子液体与疏水介电层处于不浸润状态，不能在毛细作用下沿着两片铜片构成的毛细管道内流动。需要工作时，将两铜片接通电源，离子液体接地，在电场作用下，疏水介电层表面自由能降低，离子液体与疏水介电层变为浸润状态，在毛细作用下沿着毛细管道流动，逐渐浸润发射极。在离子液体完全浸润发射极后，关闭铜片电源，离子液体取消接地。在发射极与提取极之间施加高电场，发射极尖端离子液体形成泰勒锥，继而发射带电粒子，可能是带电液滴，或者是纯离子，也可能是两者的混合物，带电粒子在电场中加速喷出产生推力。在工作一段时间后，发射极储存的离子液体减少，导致推力下降，则重复以上步骤，实现离子液体电喷推力器的主动供液，提高发射的稳定性和寿命。
有益效果
1、本发明公开的一种电场控制供液的离子液体电喷推力器，通过电场控制离子液体与毛细管道的浸润性，同时通过电场来控制离子液体在毛细管道中的流动特性，实现离子液体的主动供给。
2、传统的多孔介质型离子液体电喷推力器在工作一段时间后发射极储存的离子液体减少，造成发射不稳定与推力下降。本发明公开的一种电场控制供液的离子液体电喷推力器，可通过施加电场的方式实现发射极离子液体的补充，提高发射的稳定性。
3、本发明公开的一种电场控制供液的离子液体电喷推力器，通过储液槽向发射极供给离子液体，可大大提高推力器可携带推进剂总量，提高推力器的使用寿命。
附图说明
图1为一种电场控制供液的离子液体电喷推力器示意图；
图2为储液槽与覆盖有疏水介电层的铜片固定方式示意图。
其中：1-储液槽，2-上壳体，3-覆盖有疏水介电层的铜片，4-发射极，5-提取极，6-用于控制铜片距离的绝缘垫片。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施公开的一种电场控制供液的离子液体电喷推力器，包括储液槽1、覆盖有疏水介电层的铜片3、用于控制铜片距离的绝缘垫片6、上壳体2、发射极4、提取极5。
储液槽1采用绝缘材质，长30mm，宽30mm，高10mm，底部壁厚2mm。在相对的两侧壁设计凹槽，长5mm，宽1.6mm，深4mm。
疏水介电层由厚度为10μm的N型派瑞林和500nm的特氟龙构成，拥有良好的介电和疏水性能。
离子液体选取1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMI-BF4)，初始状态下与疏水介电层的接触角为100°。
覆盖有疏水介电层的铜片3为T字形，突出段与储液槽凹槽相对应。厚度为0.5mm，高度为6mm，与储液槽底部距离为2mm。3对覆盖有疏水介电层的铜片3等间距排布。
用于控制铜片距离的绝缘垫片6厚度可调为0.4mm。通过用于控制铜片距离的绝缘垫片6厚度调节两片T字形覆盖有疏水介电层的铜片3之间的距离，并与储液槽1侧壁凹槽实现过盈配合，构成四周封闭的毛细管道。
上壳体2内凸以定位固定发射极，同时使发射极4与外部环境隔离，保护发射极4，并通过内凸的位置控制发射极4与提取极5之间的距离。
发射极4阵列尖端数量为10×10，带电粒子从提取极5对应的空洞中喷出。
工作过程为：在初始状态下，由于储液槽1内离子液体与覆盖有疏水介电层的铜片3处于不浸润状态，不能在毛细作用下沿着两铜片构成的毛细管道内上升。需要工作时，将两铜片接通电源，离子液体接地，在电场作用下，疏水介电层表面自由能降低，离子液体与疏水介电层变为浸润状态，在毛细作用下沿着毛细管道上升，逐渐浸润发射极4。在离子液体完全浸润发射极4后，关闭铜片电源，离子液体取消接地。在发射极4与提取极5之间施加高电场，发射极4尖端离子液体形成泰勒锥，继而发射带电粒子，可能是带电液滴，或者是纯离子，也可能是两者的混合物，带电粒子在电场中加速喷出产生推力。在工作一段时间后，发射极4储存的离子液体减少，导致推力下降，则重复以上步骤，实现离子液体电喷推力器的主动供液。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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