纳米线阵列电推力器及其推力矢量控制方法与流程

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种纳米线阵列电推力器及其推力矢量控制方法。

背景技术：

基于纳米线阵列电推力器通过纳米线阵列与栅极之间的强电场电离气体推进剂并加速喷出产生推力。该推力器具有结构简单、推力范围广、比冲高、可用多种气体作推进剂等特点，适合用于卫星的姿态控制、轨道维持和转移。由于推力器的推力方向通常为推力器喷口的轴线方向，为了满足卫星姿轨控对推力矢量调节的需求，通常需要在卫星的不同方向上安装多台推力器，或者通过矢量调节机构进行推力器喷口朝向调整的方式来改变推力矢量，从而达到可利用一台推力器代替多台推力器的效果；采用前者的方案，卫星需要安装多台推力器，增加卫星质量和成本，后者虽然可减少推力器的数量，但是推力矢量调节机构仍占用了一定的体积和质量，且无论是结构布局，还是控制算法都具有一定的复杂性，降低了系统的可靠性。

申请号为cn201980051270.6的中国发明专利《用于航天器的推力矢量推进的离子推力器》提到了一种可进行推力矢量控制的离子推力器，该发明主要适用于推进剂为固体或液体的推力器，不适用于本发明中以气体作推进剂的电推力器，且该发明采用将提取器进行物理分割的方法，在实现推力矢量调节的同时增加了工作电压的路数，增加了供电系统的复杂度并带来电气绝缘方面的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纳米线阵列电推力器及其推力矢量控制方法，以解决现有的电推力器难以满足卫星姿轨控对推力矢量调节需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种纳米线阵列电推力器，包括：

气路组件，被配置为执行以下动作：

多个隔离模块，被配置为将贯穿纳米线阵列电推力器的气道分割为多个气路，以使流经纳米线阵列电推力器的推进剂气体被分成多路；

各路推进剂气体被纳米线阵列电推力器中的纳米线阵列与栅极之间的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；

控制模块，被配置为根据不同的推力矢量调节的需求，通过控制各个气路的通断或气体流量或纳米线阵列与栅极之间的电压来调节各推力输出区域的输出推力大小，从而实现纳米线阵列电推力器的推力矢量调节。

可选的，在所述的纳米线阵列电推力器中，所述气路组件包括：

栅极，被配置为与纳米线阵列配合产生电场；

纳米线阵列，被配置为与栅极配合产生电场；

基底，被配置为对纳米线阵列起支撑作用；

底座，被配置为对基底起支撑作用；

外壳，被配置为对栅极、纳米线阵列、基底和底座起到外部径向支撑作用。

可选的，在所述的纳米线阵列电推力器中，所述栅极、纳米线阵列、基底和底座依次配合连接后容纳在外壳中，形成气道；

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阵列，所述栅极材料为钨、钼或碳；

所述纳米线阵列与栅极之间的距离为50微米～500微米；

所述纳米线阵列的材料包括氧化锌、碳纳米管、氧化钨、氧化铜和二氧化钛中的至少一种。

可选的，在所述的纳米线阵列电推力器中，

所述基底与栅极平行，所述基底的材料包括硅、陶瓷、金属和合金中的至少一种；

所述基底上分布有贯穿所述基底高度方向的基底孔阵列，用于推进剂气体的流动；

所述底座与基底平行；

所述底座上分布有贯穿所述底座高度方向的底座孔，每个底座孔与一个气路一一对应。

可选的，在所述的纳米线阵列电推力器中，多个隔离模块包括上隔板，其中：

所述上隔板为若干垂直于栅极和基底的平板，所述上隔板固定在基底上表面，所述上隔板的各平板呈从基底中心向四周发散状，所述上隔板在基底上均匀分布，所述上隔板的上表面紧邻栅极下表面，所述上隔板的侧面紧邻外壳。

可选的，在所述的纳米线阵列电推力器中，多个隔离模块还包括下隔板，其中：

所述下隔板为与上隔板同等数量的垂直于基底和底座的平板，所述下隔板与上隔板在垂直于基底表面的方向对齐，所述下隔板固定在底座上表面，所述下隔板的上表面紧邻基底下表面，所述下隔板的侧面紧邻外壳。

可选的，在所述的纳米线阵列电推力器中，

每个所述底座孔分别连接一个气路，以向其所对应的气路输送推进剂气体；

各个气路对应一个电磁阀，电磁阀作为控制其所对应的气路通断的开关，以控制各个气路中推进剂气体的流动；

各个气路对应一个流量调节模块，流量调节模块用于调节其所对应的气路中流动的推进剂气体的流量；

推进剂气体通过底座孔进入到纳米线阵列电推力器内部，再经过基底孔阵列进行二次分配，从而均匀地流动到纳米线阵列的尖端处，被纳米线阵列和栅极间的强电场电离并加速喷出产生推力。

可选的，在所述的纳米线阵列电推力器中，

当所有电磁阀处于打开状态时，基底上所有区域的纳米线阵列均有气体流经，此时推力在纳米线阵列电推力器的喷口平面上均匀输出，纳米线阵列电推力器的推力沿喷口轴线输出，推力大小为所有区域输出推力之和。

可选的，在所述的纳米线阵列电推力器中，

当部分电磁阀处于打开状态时，使得与其所对应的气路有推进剂气体流经，所流经的气体被该气路所对应的纳米线阵列和栅极间的强电场电离并输出推力，该气路所对应的区域为推力输出区域；

此时纳米线阵列电推力器的推力输出方向为各推力输出区域输出的推力合力的方向，推力大小为推力输出区域输出的推力之和；

其中，各推力输出区域的输出推力大小通过调节推力输出区域的气体流量或/和纳米线阵列与栅极间的电压来实现。

本发明还提供一种纳米线阵列电推力器的推力矢量控制方法，包括：

纳米线阵列电推力器的气路组件形成气道，以使推进剂气体依次流经气路组件；

多个隔离模块将贯穿纳米线阵列电推力器的气道分割为多个气路，以使流经纳米线阵列电推力器的推进剂气体分别通过多个气路，各路推进剂气体被纳米线阵列与栅极之间的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；

控制模块根据不同的推力矢量调节的需求，通过控制各个气路的通断或气体流量或纳米线阵列与栅极之间的电压来调节推力大小，从而实现纳米线阵列电推力器的推力矢量调节。

在本发明提供的纳米线阵列电推力器及其推力矢量控制方法中，通过多个隔离模块将贯穿纳米线阵列电推力器的气道分割为多个气路，以使流经纳米线阵列电推力器的推进剂气体被分成多路产生推力，满足了卫星姿轨控对推力矢量调节的需求，且只需要一个纳米线阵列电推力器安装即可，容易实现，避免了多台推力器的安装，降低卫星质量和成本，也避免通过矢量调节机构进行推力器喷口朝向来改变推力矢量，结构布局简单，控制模块根据不同的推力矢量调节的需求，通过控制各个气路的通断，以进行推力矢量调节，控制算法简单。

本发明所采用的推进剂气体可以为氙气、氩气、氮气、空气多种气体，突破了常规的霍尔推力器、离子推力器通常采用氙气、氩气等惰性气体作推进剂的限制。

进一步的，本发明中只是通过上隔板与下隔板将基底分为若干个部分，推力器的基底和栅极在物理上仍均为完整的整体，如此基底和栅极之间只需加载一路电压即可实现推力矢量的调节，避免了将基底或栅极从物理上分割带来的多路供电和电气绝缘方面的问题。

本发明提供了电推力器的推力矢量控制方法，可通过调节各气体管路的开关、气体流量以及所对应区域的纳米线阵列与栅极间的电压实现推力矢量的调节，方法灵活简单，无需采用推力矢量调节机构即可实现推力矢量调节，可大大减轻系统的质量。

附图说明

图1是本发明一实施例推力矢量可控的电推力器示意图；

图2是本发明一实施例上下隔板、纳米线阵列、基底示意图；

图中所示：1-栅极；2-上隔板；3-纳米线阵列；4-基底；5-下隔板；6-底座；7-外壳。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的纳米线阵列电推力器及其推力矢量控制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。

本发明的目的在于提供一种纳米线阵列电推力器及其推力矢量控制方法，以解决现有的电推力器难以满足卫星姿轨控对推力矢量调节需求的问题。

本发明的目的在于提供一种推力矢量可控的电推力器及其推力矢量控制方法，以解决采用现有方案进行推力矢量调节会增加系统质量的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种纳米线阵列电推力器及其推力矢量控制方法，包括：气路组件，被配置为执行以下动作：形成气道，以使推进剂气体依次流经气路组件；多个隔离模块，被配置为将贯穿纳米线阵列电推力器的气道分割为多个气路，以使流经纳米线阵列电推力器的推进剂气体被分成多路；各路推进剂气体被纳米线阵列电推力器中的纳米线阵列与栅极之间的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；控制模块，被配置为根据不同的推力矢量调节的需求，通过控制各个气路的通断或气体流量或纳米线阵列与栅极之间的电压来调节各推力输出区域的输出推力大小，从而实现纳米线阵列电推力器的推力矢量调节。

本发明提供的电推力器的推力矢量控制方法，通过隔板将流经纳米线阵列的气体分成若干路，通过改变各区域纳米线阵列的气体流量以及纳米线阵列与栅极间的电压实现推力矢量控制。

本实施例提供一种推力矢量可控的电推力器，所述电推力器适合用于卫星的姿态和轨道控制。如图1、2所示，所述推力矢量可控的电推力器包括从上而下依次配合连接的栅极1、上隔板2、纳米线阵列3、基底4、下隔板5、底座6，以及外部起到支撑作用的外壳7。所述栅极1的形状为圆形薄片结构，所述栅极1上分布有贯穿所述栅极高度方向的栅极孔阵列；所述栅极1材料为钨、钼或碳等；

所述上隔板2为若干垂直于所述栅极1和所述基底4的平板；所述上隔板2固定在所述基底4上表面；所述上隔板2的各平板呈从所述基底4中心向四周发散状；所述上隔板2在所述基底4上均匀分布；所述上隔板2的上表面紧邻所述栅极1下表面；所述上隔板2的侧面紧邻所述外壳7；

所述纳米线阵列3包括但不限于氧化锌、碳纳米管、氧化钨、氧化铜、二氧化钛等纳米线；所述纳米线阵列3与所述栅极1距离为数十微米至数百微米；所述基底4与所述栅极1平行；所述基底4材料包括但不限于硅、陶瓷、金属、合金等；所述基底4上分布有贯穿所述基底高度方向的孔阵列，用于气体推进剂的流动；

所述下隔板5为与所述上隔板2同等数量的垂直于基底和底座的平板；所述下隔板5与所述上隔板2在垂直于所述基底4表面的方向对齐；所述下隔板5固定在所述底座6上表面；所述下隔板5的上表面紧邻所述基底4下表面；所述下隔板5的侧面紧邻所述外壳7；所述底座6与所述基底4平行；所述底座6上分布有贯穿所述底座6高度方向的孔，孔的数量与所述上隔板5的平板数量相同；所述底座6上的各孔位于两相邻下平板间的中心位置；所述外壳7位于推力器的外围，起到支撑保护的作用。

本实施例还提供一种电推力器的推力矢量控制方法，包括：纳米线阵列电推力器的气路组件形成气道，以使推进剂气体依次流经气路组件；多个隔离模块将贯穿纳米线阵列电推力器的气道分割为多个气路，以使流经纳米线阵列电推力器的推进剂气体分别通过多个气路，并被纳米线阵列与栅极之间的强电场电离，并被所述强电场加速喷出产生推力；控制模块根据不同的推力矢量调节的需求，通过控制各个气路的通断、气路中推进剂气体的流量和/或工作电压，以实现纳米线阵列电推力器的推力矢量调节。

所述推力矢量控制方法包括：所述底座6上的各孔分别连接一条进气管路；各进气管路由单独的电磁阀控制其气体流动的开关；各进气管路的气体流量由单独的流量调节模块进行调节；推进剂气体通过底座上的孔进入到推力器内部，再经所述基底4上的孔阵列进行二次分配，从而均匀地流动到所述纳米线阵列3的尖端处，被所述纳米线阵列3和所述栅极1间的强电场电离并加速喷出产生推力；

当所有电磁阀处于打开状态时，所述基底4上所有区域的所述纳米线阵列3均有气体流经，此时推力在推力器的喷口平面上均匀输出，推力器的推力沿喷口轴线输出，推力大小为所有区域输出推力之和；

当部分电磁阀处于打开状态时，只有与该气路对应区域的所述纳米线阵列3才有气体流经，因此只有这些区域才有推力输出，此时推力器的推力输出方向为各区域输出推力合力的方向，推力大小为各区域输出推力之和；进一步的，各区域的输出推力大小调节可通过改变该区域的气体流量或/和所述纳米线阵列3与所述栅极1间的电压来实现。

综上，上述实施例对纳米线阵列电推力器及其推力矢量控制方法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。

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。