本發(fā)明屬于航天器空間環(huán)境防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及一種航天器無(wú)功耗自適應(yīng)電位控制器，以及構(gòu)成控制器的場(chǎng)致發(fā)射體和它們的制造方法。

背景技術(shù)：

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航天器的可靠性要求越來(lái)越高，一些空間安全隱患也已逐漸浮現(xiàn)出來(lái)。由于航天器與空間等離子體相互作用會(huì)在兩者之間產(chǎn)生高電勢(shì)差的殼層，對(duì)航天器產(chǎn)生很多安全隱患。隨著高能太陽(yáng)電池陣的使用，其殼層內(nèi)的電位差大大增大，放電風(fēng)險(xiǎn)更加增大。目前，一些特殊、重要的航天器，如ISS國(guó)際空間站和俄羅斯和平號(hào)空間站等，都應(yīng)用了主動(dòng)電位控制技術(shù)，來(lái)確?？臻g環(huán)境內(nèi)重要作業(yè)的順利完成。主動(dòng)電位控制技術(shù)是指：在空間等離子體外安裝一個(gè)與空間地相連的等離子體接觸器，向空間等離子體發(fā)射一道低能等離子體束，來(lái)彌補(bǔ)其充入的電子，使航天器和空間等離子體的電位差始終處于平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)航天器的主動(dòng)電位控制。但是，這種方法需要耗費(fèi)一定的能源，而且需要有監(jiān)控、控制等配套系統(tǒng)。

本發(fā)明提出一種無(wú)功耗自適應(yīng)航天器電位控制方法。它與目前的主動(dòng)電位控制方法有相似之處，都是通過(guò)向外發(fā)射帶電粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)電位控制，但也有不同之處，該方法無(wú)需對(duì)航天器電位進(jìn)行監(jiān)控，而是當(dāng)航天器電位達(dá)到一定程度時(shí)，自主開(kāi)始發(fā)射電子，且電子流大小與電位差相關(guān)，另外，該方法利用航天器與外界等離子體間的電壓差來(lái)驅(qū)動(dòng)電子發(fā)射，無(wú)需消耗航天器上的能源，結(jié)構(gòu)比主動(dòng)電位控制器也大大簡(jiǎn)單。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在空間中航天器帶電會(huì)有可能引發(fā)放電現(xiàn)象，導(dǎo)致航天器材料、器件損毀。因此，航天器的電位控制方法對(duì)保障航天器在軌安全具有重要意義。航天器電位控制目前在用的方法主要是主動(dòng)電位控制方法，其需要對(duì)航天器電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)電位超過(guò)安全值后，觸發(fā)電位控制裝置，電位控制裝置通過(guò)電離氣體發(fā)射出帶電粒子流等方式，與空間中等離子體進(jìn)行電荷交換，從而達(dá)到降低航天器電位的目的。

本發(fā)明針對(duì)航天器電位控制的需求，提出一種衛(wèi)星場(chǎng)致發(fā)射發(fā)射體。它不需要對(duì)航天器電位進(jìn)行監(jiān)控，而是當(dāng)航天器電位達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)始發(fā)射電子，當(dāng)航天器電位降低后又自動(dòng)停止發(fā)射電子。該方法電子的發(fā)射是受航天器與空間中等離子體間的電位差驅(qū)動(dòng)的，因此不需要消耗航天器上的能源。

本發(fā)明提供了一種航天器無(wú)功耗自適應(yīng)電位控制器，該控制器可以廣泛應(yīng)用于低軌道航天器的電位控制。

此外，本發(fā)明也提供了構(gòu)成控制器的發(fā)射體結(jié)構(gòu)及其制造方法，該方法簡(jiǎn)單又高效，能夠獲得高質(zhì)量的主動(dòng)電位控制器。

本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種航天器無(wú)功耗自適應(yīng)電位控制器，該裝置基于金屬材料的場(chǎng)致發(fā)射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的電位控制。該控制器主要由一個(gè)場(chǎng)致電子發(fā)射體組成：在金屬尖端上粘貼碳納米管構(gòu)成雙重尖狀電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，利用碳納米管的場(chǎng)致發(fā)射性能，制成發(fā)射體。

其中，金屬尖端為尖端曲率半徑在微米級(jí)的鎢絲針尖。

其中，鎢絲針尖是通過(guò)鎢絲在氫氧化鈉溶液中腐蝕時(shí)于液面處斷開(kāi)后，剪切得到的。

一種衛(wèi)星場(chǎng)致發(fā)射發(fā)射體的制造方法，包括如下步驟：

1)制備金屬尖

將直徑1.5mm以下的鎢絲，垂直放入氫氧化鈉溶液中，放入深度1cm，在 鎢絲正下方放置一金絲圓環(huán)，圓環(huán)中心處于鎢絲垂直線上，與鎢絲垂直距離0.5-1cm，以鎢絲為正電極，金絲圓環(huán)為負(fù)電極，通電，電壓為10-12V，電流為0.5A-0.1A，待鎢絲被腐蝕在氫氧化鈉溶液液面處斷開(kāi)后，取出鎢絲，并剪下1cm長(zhǎng)度的鎢絲，在鎢絲斷開(kāi)處，形成了尖端曲率半徑在微米級(jí)的針尖；

2)金屬尖上粘貼碳納米管

將鎢絲粘貼在可移動(dòng)機(jī)構(gòu)的一端，在其尖端表面涂覆一層導(dǎo)電膠黏劑，將單壁碳納米管陣列或者單壁碳納米管粉末粘貼在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的另一端，利用移動(dòng)機(jī)構(gòu)將針尖靠近碳納米管，通過(guò)電回路判斷針尖是否接觸上碳納米管，當(dāng)接觸上后，反向移動(dòng)將針尖遠(yuǎn)離碳納米管，在針尖上粘上碳納米管，得到單個(gè)發(fā)射體。

其中，鎢絲的直徑為0.8mm至1.2mm，氫氧化鈉的濃度為1mol/L。

一種航天器的主動(dòng)電位控制器，由若干上述發(fā)射體排列在一起形成發(fā)射體陣列，發(fā)射體間間距0.5cm-2cm。

一種航天器的主動(dòng)電位控制器的制造方法，單個(gè)發(fā)射體制備后，在金屬平板或者導(dǎo)電聚合物板上等間距地打制作深度為5mm，直徑為1mm的小孔陣列，將粘有碳納米管的鎢絲針尖逐個(gè)放入小孔中，并用導(dǎo)電膠粘貼固定。

其中，小孔陣列為8×8排列的小孔。

其中，基板的厚度為6mm至10mm。

其中，小孔的間距選擇在1mm-20mm之間。

該方法利用金屬針尖和碳納米管兩級(jí)幾何尺寸增加結(jié)構(gòu)，制備場(chǎng)致發(fā)射體，可以降低發(fā)射體的場(chǎng)致電流發(fā)射的電壓，從而實(shí)現(xiàn)在較低電壓差下的電子發(fā)射。利用該發(fā)射體制備航天器電位控制器，可以無(wú)需外加電源，當(dāng)航天器與外界等離子體存在一定電壓差后，自動(dòng)進(jìn)行電子發(fā)射，降低航天器與空間等離子體電壓差。與其他航天器電位控制器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)功耗，自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中化學(xué)腐蝕方法得到的鎢絲尖的SEM形貌圖；

圖2為本發(fā)明的發(fā)射體結(jié)構(gòu)中通過(guò)粘貼在鎢尖上粘貼碳納米管的SEM形貌圖；

圖3為本發(fā)明的發(fā)射體通過(guò)腐蝕制備鎢絲尖的制備過(guò)程示意圖。

其中，1.1為金絲圓環(huán)；1.2為鎢絲；1.3為容器；1.4-氫氧化鈉溶液。

圖4為本發(fā)明的發(fā)射體制備方法中在金屬尖上粘貼碳納米管的過(guò)程示意圖。

圖中：2.1-移動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定端；2.2-移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)端；2.3-導(dǎo)電膠；2.4-鎢絲針尖；2.5-電流表；2.6-電源；2.7-碳納米管。

圖5是本發(fā)明的發(fā)射體制備方法中金屬尖上粘上碳納米管過(guò)程示意圖。

圖中：3.1-鎢絲針尖靠近碳納米管；3.2-鎢絲針尖接觸到碳納米管；

3.3-鎢絲針尖從碳納米管中粘貼出單根碳納米管。

圖6是利用粘有碳納米管的金屬尖組成電位控制器(發(fā)射體陣列)。

其中：4.1-粘有碳納米管的鎢絲針尖；4.2-金屬基板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的航天器場(chǎng)致發(fā)射發(fā)射體、發(fā)射體的制造方法、發(fā)射體構(gòu)成的航天器主動(dòng)電位控制器及其制造方法作進(jìn)一步的說(shuō)明。

現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)具有通過(guò)化學(xué)腐蝕獲得鎢絲尖的方法，其獲得的化學(xué)腐蝕鎢絲尖的形貌參見(jiàn)圖1。圖1給出了鎢絲尖的SEM形貌圖。本發(fā)明的發(fā)射體結(jié)構(gòu)中，基于金屬材料的場(chǎng)致發(fā)射原理，在金屬尖端上粘貼碳納米管構(gòu)成雙重尖狀電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，利用碳納米管的場(chǎng)致發(fā)射性能，制成發(fā)射體，金屬尖端為尖端曲率半徑在微米級(jí)的鎢絲針尖，鎢絲針尖是通過(guò)鎢絲在氫氧化鈉溶液中腐蝕時(shí)于液面處斷開(kāi)后，剪切得到的，其雙重針尖的形貌參見(jiàn)圖2。

圖3為本發(fā)明的發(fā)射體通過(guò)腐蝕制備鎢絲尖的制備過(guò)程示意圖。首先，制作金屬針尖。取直徑1mm的鎢絲1.1(鎢絲1.1直徑可以變化，一般在0.8mm至1.2mm之間)，將其垂直放入1mol/L的氫氧化鈉溶液1.4中。溶液的氫氧化鈉含量在容器1.3中可以變化。鎢絲1.1插入溶液的深度為1cm(可以變化)。 鎢絲1.1正下方放置一個(gè)金絲圓環(huán)1.2(亦可以為其他惰性金屬，如鉑等)，圓環(huán)直徑為15mm(可以變化)。圓環(huán)距離鎢絲最下端垂直間距為1cm(可以變化)。以鎢絲1.1為正電極，金絲圓環(huán)1.2為負(fù)電極，利用恒壓穩(wěn)流電源施加12V恒定電壓，電流為0.5A(可以變化)。待鎢絲1.1從氫氧化鈉溶液1.4液面處斷裂后，立刻拔出鎢絲。將有針尖的一端從鎢絲上剪斷下來(lái)，剪下的鎢絲1.1長(zhǎng)度為1cm(可以變化)。見(jiàn)圖3

其次，在鎢絲針尖2.4上粘貼碳納米管2.7。在一個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的可移動(dòng)端2.2，固定鎢絲，鎢絲針尖2.4指向移動(dòng)機(jī)構(gòu)另一端，即固定端2.1。在移動(dòng)機(jī)構(gòu)固定端2.1先粘貼上導(dǎo)電膠2.3，保證鎢尖移動(dòng)方向正對(duì)導(dǎo)電膠2.3。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定端2.1和可移動(dòng)端保證電絕緣。將移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩端接電流表2.5和電源2.6。緩慢移動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得鎢絲靠近導(dǎo)電膠2.3。當(dāng)電流表2.5顯示有數(shù)值時(shí)，說(shuō)明針尖與導(dǎo)電膠2.3接觸上。反向移動(dòng)鎢絲，使其遠(yuǎn)離導(dǎo)電膠2.3。將導(dǎo)電膠換成單壁碳納米管陣列(或者粘貼在膠帶上的單壁碳納米管粉末)，移動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得鎢絲針尖靠近碳納米管。當(dāng)電流表顯示有電流時(shí)，說(shuō)明針尖接觸、并粘上碳納米管，將針尖反向移動(dòng)，得到尖端有碳納米管的金屬針尖。見(jiàn)圖4和圖5。

第三，在金屬基板4.2或者導(dǎo)電聚合物板上有規(guī)律的打上深度為5mm直徑為1mm的小孔陣列，例如8×8排列的小孔?；宓暮穸葹?mm至10mm?？椎拈g距一般可以選擇在1mm-20mm之間。將粘有碳納米管的鎢絲針尖4.1逐個(gè)放入小孔中，并用導(dǎo)電膠粘貼固定。見(jiàn)圖6。完成電位控制器的制備。

盡管上文對(duì)本專利的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明專利的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。