微牛级场发射电推进器的原理探究和样机研制

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近年来,我国以空间引力波探测为代表的高精度空间任务处于高速发展阶段。无拖曳控制系统是空间引力波探测任务中必不可缺的一环,微牛级的推进器作为无拖曳控制系统中的执行机,起着不可替代的作用。场发射电推进器(FEEP)是一种新型电推进器,具有质量小、比冲高、响应时间快、推力噪声小等优点,是一种极具潜力的微推进方案。目前国外对于FEEP推进器的研究已较为深入,但尚未实现应用于空间引力波探测任务的在轨验证。国内在FEEP方面的研究和国外存在一定差距,在工作机理、发射极制备工艺、场发射稳定性方面有待深入研究。本文针对这些问题开展了FEEP推进器的原理探究和样机研制。针对FEEP工作机理的问题,本文调研了针式、窄缝式、毛细管式FEEP的特点及其适用工质。基于实现的难易程度、技术的成熟水平,选择针式In-FEEP做为研究对象。针对单针FEEP的常规工作模式,根据理论模型和空间引力波探测需求提出了FEEP实验样机的设计指标:电源电压范围0-10000V,电压分辨率10V,发射针顶点半径2-5μm,发射针尖到抽取极板的距离1-4mm。针对发射极制备工艺问题,本文重点讨论了钨发射针的电化学腐蚀加工法。结合腐蚀加工理论和控制变量对比实验,分析了各种因素对腐蚀和粗化加工的影响。确定实验室条件下的腐蚀加工最优参数为溶液浓度4mol/L、加工电压5V、针尖浸入溶液的深度3mm,粗化加工最优参数为电压峰值3V、频率50Hz、通电时间2min。最后经超声波清洗以及工质浸润,成功制备出顶点半径2-5μm、工质流动性良好的钨发射针。针对场发射稳定性问题,本文设计并加工了FEEP主体结构,实现了万伏级别的高压加载功能,利用陶瓷和聚四氟乙烯结构实现了FEEP的各个部分电气绝缘。同时采用了PID反馈控制技术,将FEEP工作时的温度控制在220±0.2℃,使工质稳定供给,保证了FEEP的场发射稳定性。此后开展了大气下的场发射实验,观测到稳定点火现象,通过对比实验得到FEEP的最佳几何参数为抽取极内孔径10mm,发射针尖到抽取极的距离1mm。最终得到的样机推力为0.1-2μN,为后续的FEEP研制工作提供了实验准备。
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