可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统的制作方法

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统。

背景技术：

基于氧化锌纳米线阵列的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、可用任何气体作推进剂等特点，适合用于卫星的轨道维持和转移。然而，氧化锌纳米线尖端在强电场、离子轰击等长期作用下会被削蚀，从而影响推力器的性能和寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统，以解决现有的氧化锌纳米线尖端在强电场、离子轰击等长期作用下会被削蚀的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统，包括：

纳米线阵列推力器，被配置为执行以下动作：

通过电场电离推进剂产生推力；以及

通过采用修复剂进行热氧化法生长纳米线；

推进剂输送系统，被配置为在纳米线阵列推力器工作模式下向纳米线阵列推力器提供推进剂；以及

修复剂输送系统，被配置为在纳米线阵列推力器修复模式下向纳米线阵列推力器提供修复剂。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，所述纳米线阵列推力器包括：

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其支撑作用；

加热丝，被配置为对基底进行加热，以使其热氧化生长纳米线；以及

外壳，被配置为对栅极、纳米线阵列、基底和加热丝起到外部支撑作用。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，所述栅极、纳米线阵列、基底和加热丝依次配合连接后容纳在外壳中；

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；

所述纳米线阵列为氧化锌纳米线，所述纳米线阵列与栅极之间的距离为50微米～500微米；

所述基底与栅极平行，所述基底的材料为锌或锌合金，所述基底上分布有贯穿所述基底高度方向的基底孔阵列，用于推进剂或修复剂的流动；

所述加热丝均匀分布在基底未分布纳米线阵列的一侧。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，采用修复剂进行热氧化法生长纳米线包括：

在修复剂环境中加热所述基底，使所述基底中的锌元素被氧化，从而由基底朝向栅极方向生长出氧化锌纳米线，对氧化锌纳米线进行冷却，完成纳米线的生长。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，推进剂输送系统包括：

推进剂贮箱，被配置为贮存推进剂；

工作电磁阀，被布置于所述推进剂贮箱的下游，作为控制推进剂流动的开关；

修复剂输送系统包括：

修复剂贮箱，被配置为贮存修复剂；

修复电磁阀，被布置于所述修复剂贮箱的下游，作为控制修复剂流动的开关。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，还包括：

流量调节模块，被布置于工作电磁阀和修复电磁阀的下游，用于调节推进剂和修复剂的气体流量；

所述推进剂包括氙气、氩气、氦气、氮气、二氧化碳或空气；

所述修复剂包括氧气或空气；

所述推进剂贮箱、工作电磁阀、修复剂贮箱、修复电磁阀、流量调节模块和纳米线阵列推力器之间通过气体管路连接。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，还包括：

控制模块，被配置为当可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统处于工作模式时，执行以下动作：

使所述修复电磁阀处于关闭状态；

使所述纳米线阵列推力器中的加热丝处于断电状态；

打开所述工作电磁阀，以使所述推进剂贮箱中的推进剂依次经所述工作电磁阀和所述流量调节模块至所述纳米线阵列推力器；

调节流量调节模块，使推进剂贮箱中的推进剂以第一流量流至所述纳米线阵列推力器内部，使得推进剂被所述纳米线阵列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。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，

控制模块，还被配置为当可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统处于修复模式时，执行以下动作：

使所述工作电磁阀处于关闭状态；

打开所述修复电磁阀，以使所述修复剂贮箱中的修复剂依次经所述修复电磁阀和所述流量调节模块至所述纳米线阵列推力器；

调节流量调节模块，使修复剂贮箱中的修复剂以第二流量流至所述纳米线阵列推力器内部；

使所述加热丝处于通电状态，使基底和氧化锌纳米线加热到第一温度并保持第一时间；

基底中的锌元素在高温作用下被修复剂气体氧化生成氧化锌，并从被破坏的氧化锌纳米线根部重新生长，进行自我修复；

关闭加热丝和修复电磁阀，使基底和氧化锌纳米线降温并在第二时间内保持冷却，完成一次修复过程。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，

对修复次数与工作电流或纳米线高度的关系进行标定，将标定值输入控制模块；

工作电流或纳米线高度检测装置，被配置为检测到工作电流或纳米线高度低于阈值后，控制模块根据标定值确定修复次数，并执行相应的动作。

可选的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，控制模块还被配置为执行以下动作：

完成一次修复过程后，打开所述工作电磁阀；

给纳米线阵列和栅极间加载第一工作电压；

调节流量调节模块使推进剂从所述推进剂贮箱以第一流量流动至纳米线阵列推力器内部；

将此时的工作电流与纳米线被破坏前的工作电流对比，若此时的工作电流小于被破坏前的工作电流，则关闭所述工作电磁阀，进行下一次修复过程；

若此时的工作电流等于被破坏前的工作电流，则完成所有修复过程。

在本发明提供的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，通过修复剂输送系统在纳米线阵列推力器修复模式下向纳米线阵列推力器提供修复剂，以实现采用修复剂进行热氧化法生长纳米线，实现了纳米线的修复，避免了现有的氧化锌纳米线尖端在强电场、离子轰击等长期作用下会被削蚀而造成的影响推力器的性能和寿命的问题。

本发明提供的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统作为卫星的推进系统，所采用的推进剂可以为任何气体，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，针对长期工作的纳米线阵列被强电场和离子轰击导致破坏的问题，通过纳米线阵列推力器内部的加热丝提供高温环境，并利用卫星自身携带的氧气等氧化性气体对基底和纳米线进行化学作用，实现被破坏的氧化锌纳米线的重新生长和纳米线阵列推力器的自我修复，实现纳米线阵列推力器寿命的延续。

进一步，纳米线阵列推力器的基底采用锌或含有锌元素的合金材料，与每次生长纳米线所消耗锌的量相比，基底中锌元素的含量可认为是无穷无尽的，因此，可实现纳米线阵列的反复生长和修复。

本发明提供了可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统及其在轨自主修复方法，修复被破坏的纳米线时只需对加热丝通电加热即可，操作简单方便，所采用的修复剂为空气或氧气，成本低。

附图说明

图1是本发明一实施例可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统示意图；

图2是本发明一实施例纳米线阵列推力器示意图；

图中所示：1-推进剂贮箱；2-工作电磁阀；3-修复剂贮箱；4-修复电磁阀；5-流量调节模块；6-纳米线阵列推力器；7-栅极；8-氧化锌纳米线阵列；9-基底；10-加热丝；11-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可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统作进一步详细说明。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可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统，以解决现有的氧化锌纳米线尖端在强电场、离子轰击等长期作用下会被削蚀的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统，包括：纳米线阵列推力器，被配置为执行以下动作：通过电场电离推进剂产生推力；以及通过采用修复剂进行热氧化法生长纳米线；推进剂输送系统，被配置为在纳米线阵列推力器工作模式下向纳米线阵列推力器提供推进剂；以及修复剂输送系统，被配置为在纳米线阵列推力器修复模式下向纳米线阵列推力器提供修复剂。

本发明的实施例提供了一种可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统及其在轨自主修复方法，如图1～2所示，所述可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统包括推进剂贮箱1、工作电磁阀2、修复剂贮箱3、修复电磁阀4、流量调节模块5、纳米线阵列推力器6；所述纳米线阵列推力器主要由氧化锌纳米线阵列8、基底9、栅极7、加热丝10、外壳11等组成；所述推进系统有工作模式和修复模式两种模式。

当推进系统处于工作模式时：所述工作电磁阀处于打开状态；所述修复电磁阀处于关闭状态；所述推进剂贮箱中的推进剂气体依次经所述工作电磁阀和所述流量调节模块至所述纳米线阵列推力器；被所述纳米线阵列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；所述纳米线阵列推力器中的加热丝处于断电状态。

当推进系统处于修复模式时：所述工作电磁阀处于关闭状态；所述修复电磁阀处于打开状态；所述推进剂贮箱中的修复剂气体依次经所述修复电磁阀和所述流量调节模块至所述纳米线阵列推力器内部；氧化锌纳米线在修复剂气体的作用下经加热丝加热，实现重新生长和修复。

本实施例提供一种可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统，所述可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统适合用于卫星的推进系统。如图1所示，所述可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统包括推进剂贮箱1、工作电磁阀2、修复剂贮箱3、修复电磁阀4、流量调节模块5、纳米线阵列推力器6；在本实施例中，所述推进剂贮箱1贮存氙气推进剂；所述工作电磁阀2位于所述推进剂贮箱1的下游，是控制推进剂气体流动的开关；所述修复剂贮箱3贮存空气修复剂；所述修复电磁阀4位于所述修复剂贮箱3的下游，是控制修复剂气体流动的开关；所述流量调节模块5位于所述工作电磁阀2和所述修复电磁阀4的下游，用于调节推进剂和修复剂气体流量；所述纳米线阵列推力器6位于所述流量调节模块5的下游，对推进剂气体进行电离并产生推力；所述推进剂贮箱1、工作电磁阀2、修复剂贮箱3、修复电磁阀4、流量调节模块5、纳米线阵列推力器6之间通过气体管路连接。

如图2所示，在所述可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统中，所述纳米线阵列推力器6包括从上而下依次配合连接的栅极7、纳米线阵列8、基底9、加热丝10，以及外部起到支撑作用的外壳11，其中：所述栅极的形状7为圆形薄片结构，所述栅极7上分布有贯穿所述栅极高度方向的栅极孔阵列；孔的直径为2.5毫米；所述栅极7材料为碳；所述纳米线阵列8为氧化锌纳米线，采用热氧化法生长而来：在氧气/空气环境中加热所述基底9，使所述基底9中的锌元素被氧化从而生长出氧化锌纳米线，再冷却一段时间，完成纳米线的生长；所述纳米线阵列8与所述栅极7距离为150微米；所述基底9与所述栅极7平行；所述基底9材料为钨锌合金；所述基底9上分布有贯穿所述基底9高度方向的孔阵列，用于气体推进剂的流动；孔的直径为300微米；所述加热丝10固定并均匀分布在所述基底9的下表面；所述外壳11位于推力器的外围，起到支撑保护的作用。

在本发明的一个实施例中，所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统的工作模式为：所述工作电磁阀2处于打开状态；所述修复电磁阀4处于关闭状态；所述推进剂贮箱1中的推进剂气体依次经所述工作电磁阀2和所述流量调节模块5以6sccm的工作流量流至所述纳米线阵列推力器6；推进剂气体被所述纳米线阵列推力器6中的所述纳米线阵列8与所述栅极7之间加载的600v电压产生的强电场电离，并被加速喷出产生10mn推力；所述纳米线阵列推力器中6的所述加热丝10处于断电状态。

本实施例提供一种可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统的在轨自主修复方法，所述可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统的在轨自主修复方法包括：所述修复剂贮箱中的修复剂依次经所述修复电磁阀和所述流量调节模块流动至推力器内部；所述加热丝对所述基底进行加热，使所述基底在高温作用下被氧化性气体氧化，实现纳米线的重新生长，完成一次修复。

具体的，在所述的可在轨自主修复的纳米线阵列电推进系统的在轨自主修复方法中，所述修复剂贮箱中的修复剂为空气；进一步的，所述修复电磁阀处于打开状态；进一步的，所述工作电磁阀处于关闭状态；进一步的，调节所述流量调节模块，使收集到的气体以1sccm的修复流量流至所述纳米线阵列推力器内部；进一步的，所述加热丝处于通电状态，使所述基底和所述氧化锌纳米线加热到450℃并保温0.5h；进一步的，所述基底中的锌元素在高温作用下被修复剂气体氧化生成氧化锌，并从被破坏的氧化锌纳米线根部重新生长，进行自我修复；进一步的，关闭所述加热丝和所述修复电磁阀，使所述基底和所述氧化锌纳米线降温并冷却一段时间，完成修复过程的第一次迭代。

本发明中的纳米线阵列推力器可能需要多次修复才能达到修复效果，需要确定修复次数，有两种方式，第一种方式可以提前进行标定，例如对修复次数与工作电流或纳米线高度的关系进行标定，将标定值输入控制模块；工作电流或纳米线高度检测装置检测到工作电流或纳米线高度低于阈值后，控制模块根据标定值确定修复次数，并执行相应的动作；

第二种方式可以每次修复后进行一次检测，确定是否达到修复目标，例如在完成一次修复过程后，打开所述工作电磁阀，给所述纳米线阵列和所述栅极间加载600v的工作电压，并调节所述流量调节模块使推进剂气体从所述推进剂贮箱以6sccm的工作流量流动至所述推力器内部，记录此时所述推力器的工作电流为0.3a，低于所述纳米线被破坏前的0.4a，断定此时纳米线的生长高度低于被破坏前的高度；关闭所述工作电磁阀。重复进行打开所述修复电磁阀、所述加热丝通电加热、保温、冷却的迭代过程，本发明的发明人通过试验进行了标定，事实证明直至进行第6次迭代修复后，所述推力器的工作电流为0.392ma，完成修复过程。

综上，上述实施例对可在轨自主修复的纳米线阵列电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。

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。