基于3D打印发射喷嘴微型离子液体推进器开发方法

摘要

本发明公开的是基于3D打印发射喷嘴微型离子液体推进器开发方法，其特征在于，包括利用3D打印技术一体化制备发射喷嘴及液体推进剂存储区、利用MEMS微加工技术制作电极板、液体推进剂存储区(包含发射喷嘴)与电极的配合。

说明书

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及基于3D打印发射喷嘴微型离子液体推进器开发方法。

背景技术

传统的航天推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术，主要是指液体和固体化学推进。航天领域的发展极大促进了电推进技术在航天器姿态调整、轨道控制和精确定位及复位等方面的应用。电推进系统主要由三部分组成：电源处理系统、推进剂储存与供给系统和电推力器(发射喷嘴)。对于微小型卫星和航天器，要求推进器尺寸、重量的微型化和高度集成化，以及能提供稳定的低推力，而电推进技术的推进剂效率是化学推进技术的几倍到几十倍。因此，基于微型离子液体电推进器成为潜在的解决方案。

离子液体电推进系统利用静电场加速带电液滴或液态金属离子产生推力，其特点是比冲高、结构紧凑、质量轻等。

根据离子液体的供给方式不同，离子液体电推进器一般分为表面供给、毛细管供给和渗透式供给三种类型。不管是哪种类型，由于发射喷嘴的尺寸微小，受限于MEMS加工技术中工艺极限和制造公差，发射喷嘴难以大规模、标准化制作。从现由的文献中我们发现对于这种微小喷嘴结构，采用传统MEMS工艺，很难控制其工艺参数，极易造成过度刻蚀或者刻蚀不足，导致其形状和尺寸偏离预定设计，此外如果要生产不同尺寸的喷嘴其调整成本和时间耗费极大。如果要实现微小型卫星在每个发射点所需要的推力、功率可伸缩性以及整体推力的稳定，对发射喷嘴的要求更加严格，通过传统制造工艺很难实现，就算能实现但其次品率也较高，生产制作成本很高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供：基于3D打印发射喷嘴微型离子液体推进器开发方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于3D打印发射喷嘴微型离子液体推进器开发方法，包括利用3D打印技术一体化制备发射喷嘴及液体推进剂存储区、利用MEMS微加工技术制作电极板、液体推进剂存储区(包含发射喷嘴)与电极的配合，其中利用3D打印技术一体化制备发射喷嘴及液体推进剂存储区包括以下步骤：

步骤一，根据液体推进剂存储区和发射喷嘴的具体结构和尺寸，在计算机上设计3D模型，转化成分层路径文件并导入3D打印设备；

步骤二，对3D打印设备进行初始化，设定参数，预热；

步骤三，涂布刀片将金属粉末以非常薄的层铺展在基底上；

步骤四，高功率激光在计算机的控制下按照已经分层的三维模型第一层信息进行选择性激光熔化，被熔化粉末冷却后固化在一起形成零件的实体部分；

步骤五，当上一层粉末固化完成后，铺粉系统重新铺设一层很薄的金属粉末，激光束开始新一层的熔化；

步骤六，重复步骤三至步骤五，直至零件完成。

优选地、储存区对角线处设置有十字准星结构。

优选地、所述发射喷嘴结构包括锥形、左右任意角度倾斜结构。

优选地、所述金属粉末包括镍基合金、钛基合金中的一种或多种组合。

优选地、所述利用MEMS微加工技术制作电极板包括以下步骤：

步骤一，用激光辅助蚀刻在玻璃基板上加工通孔；

步骤二，制作抽出电极，将光刻胶涂覆在打完通孔的玻璃底板上，将掩膜板对准然后进行曝光，最后用显影液进行冲洗，去除光照部分；再用电子束蒸镀装置在其上蒸镀一层Ni，后用剥离液浸渍玻璃基板，用恒温振荡机剥离光刻胶；

步骤三，制作加速电极，光刻过程与抽出电极制作过程一致，蒸镀过程可以蒸镀Al或Ni。

优选地、所述步骤一中，通孔有一定斜度，及上层(加速电级)通孔开口大于下层(抽出电极)通孔。

优选地、所述步骤一中，电极对角线处设置有十字准星结构。

优选地、所述液体推进剂存储区(包含发射喷嘴)与电极的配合包括以下步骤：

步骤一，利用十字星将上下两部分进行对准；

步骤二，通过加热、加电压或加压力后，使上下两部分键合在一起。

与现有技术相比，本发明提供的基于3D打印发射喷嘴微型离子液体推进器开发方法的有益效果是：与现有技术相比，本发明充分利用了3D打印加工技术的优势，创新性的提出利用3D打印技术一体化制作发射喷头及离子推进剂存储区，摒弃了传统用光刻法一体成型技术，大大降低了制作难度和成本，同时增强了发射喷头的灵活性，实现喷头多角度、多尺寸制作，实现在每个发射点推力、功率的可伸缩性和总体推力的稳定性。

附图说明

图1为本发明基于3D打印发射喷嘴的微型离子液体推进器的二维剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所述，基于3D打印发射喷嘴微型离子液体推进器开发方法，包括利用3D打印技术一体化制备发射喷嘴及液体推进剂存储区、利用MEMS微加工技术制作电极板、液体推进剂存储区(包含发射喷嘴)与电极的配合，其中利用3D打印技术一体化制备发射喷嘴及液体推进剂存储区包括以下步骤：

步骤一，根据液体推进剂存储区和发射喷嘴的具体结构和尺寸，在计算机上设计3D模型，转化成分层路径文件并导入3D打印设备；

步骤二，对3D打印设备进行初始化，设定参数，预热；

步骤三，涂布刀片将金属粉末以非常薄的层铺展在基底上；

步骤四，高功率激光在计算机的控制下按照已经分层的三维模型第一层信息进行选择性激光熔化，被熔化粉末冷却后固化在一起形成零件的实体部分；

步骤五，当上一层粉末固化完成后，铺粉系统重新铺设一层很薄的金属粉末，激光束开始新一层的熔化；

步骤六，重复步骤三至步骤五，直至零件完成。

优选地、储存区对角线处设置有十字准星结构。

所述发射喷嘴结构包括锥形、左右任意角度倾斜结构。

所述金属粉末包括镍基合金、钛基合金中的一种或多种组合。

优选地、所述利用MEMS微加工技术制作电极板包括以下步骤：

步骤一，用激光辅助蚀刻在玻璃基板上加工通孔；

步骤二，制作抽出电极，将光刻胶涂覆在打完通孔的玻璃底板上，将掩膜板对准然后进行曝光，最后用显影液进行冲洗，去除光照部分；再用电子束蒸镀装置在其上蒸镀一层Ni，后用剥离液浸渍玻璃基板，用恒温振荡机剥离光刻胶；

步骤三，制作加速电极，光刻过程与抽出电极制作过程一致，蒸镀过程可以蒸镀Al或Ni。

所述步骤一中，通孔有一定斜度，及上层(加速电级)通孔开口大于下层(抽出电极)通孔。

所述步骤一中，电极对角线处设置有十字准星结构。

所述液体推进剂存储区(包含发射喷嘴)与电极的配合包括以下步骤：

步骤一，利用十字星将上下两部分进行对准；

步骤二，通过加热、加电压或加压力后，使上下两部分键合在一起。

实施例一，本发明中的基于3D打印发射喷嘴的微型离子液体推进器采用3D打印加工工艺制作发射喷嘴结构。首先通过光刻工艺对硅片衬底进行阵列通孔的刻蚀，得到阵列式的通孔，再在通孔上利用3D打印加工工艺，成型出理想喷嘴结构，后面再利用MEMS微加工技术制作基于玻璃基地的双面电极，最终组合形成微型离子液体推进器系统。

其具体加工工艺过程如下所述：

1)根据液体推进剂存储区和发射喷嘴的具体结构和尺寸，在计算机上设计3D模型，转化成分层路径文件并导入3D打印设备；

2)对3D打印设备进行初始化，设定参数，预热；

3)涂布刀片将钛基金属粉末以非常薄的层铺展在基底上；

4)高功率激光在计算机的控制下按照已经分层的三维模型第一层信息进行选择性激光熔化，被熔化粉末冷却后固化在一起形成零件的实体部分；

5)当上一层粉末固化完成后，铺粉系统重新铺设一层很薄的金属粉末，激光束开始新一层的熔化；

6)重复步骤三至步骤五，直至零件完成；

7)用激光辅助蚀刻在45μm玻璃基板上加工与喷嘴阵列一致通孔；

8)制作抽出电极。将光刻胶涂覆在刻蚀完通孔的玻璃基板上，将掩膜板对准然后进行曝光，最后用显影液进行冲洗，去除光照部分。再用电子束蒸镀装置在其上蒸镀一层200nm厚的Ni，后用剥离液浸渍玻璃基板，用恒温振荡机剥离光刻胶及其上的Ni；

9)制作加速电极。光刻过程与抽出电极制作过程一致，蒸镀过程蒸镀200nm厚的Al，后用剥离液浸渍玻璃基板，用恒温振荡机剥离光刻胶及其上的Al；

10)利用十字星将电极板与液体推进剂存储区(包含发射喷嘴)对准，利用加热、加压的方式，使上下两部分键合，构成微型离子液体推进器。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。