Способ формирования перфорированного непланарногоэлектрода (варианты), ионно-оптическая система и ионный ракетный двигатель малой тяги - RU2153187C1

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Область изобретения
Настоящее изобретение в целом относится к системе ракетных двигателей космического корабля и, более конкретно, к ионным ракетным двигателям малой тяги.

Предшествующий уровень техники
Бортовые двигательные системы облегчают ряд маневров космического корабля. В спутниках, например, эти маневры включают в себя подъем орбиты (например, с низкой околоземной орбиты на геостационарную орбиту), удержание на орбите (например, коррекция наклона, смещения и эксцентриситета орбиты) и управление положением (например, исправление ошибок положения относительно осей крена, тангажа и рыскания спутника).

Сила, приложенная к космическому кораблю системой ракетных двигателей малой тяги, выражается уравнением (1)

Увеличение скорости ΔV космического корабля увеличивается с потерей массы запасенного топлива ракетного двигателя малой тяги. Соответственно, имеет место разница между начальной массой M_i космического корабля (до маневра) и конечной массой M_f космического корабля (после маневра). Эта разница является функцией удельного импульса ракетного двигателя малой тяги I_sp, который выражен "уравнением ракеты"

Следовательно, удельный импульс является важной мерой эффективности топлива ракетного двигателя малой тяги. Типовые удельные импульсы составляют 230 секунд для ракетного двигателя малой тяги с одним ракетным топливом (например, гидразином), 290 секунд для ракетного двигателя малой тяги на твердом ракетном топливе, 445 секунд для ракетного двигателя малой тяги на двухосновных ракетных топливах (например, жидкий водород и жидкий кислород) и 500 секунд для электродугового ракетного двигателя малой тяги. Напротив, ионные ракетные двигатели малой тяги были разработаны с удельными импульсами более 2500 секунд.

Высокий удельный импульс ионных ракетных двигателей малой тяги может облегчить уменьшение начальной массы спутника, увеличение полезного груза и продление срока службы на орбите. Уменьшение начальной массы снижает начальную стоимость пуска космического корабля, а увеличенный полезный груз и более продолжительный срок службы увеличивает доход, который приносит космический корабль.

Ключевой компонент ионного ракетного двигателя малой тяги - ионно-оптическая система, которая состоит из многих близко расположенных электродов, которые извлекают ионный луч из плазменного источника. В типовой системе с тремя электродами электроды называют экранной сеткой, ускоряющей сеткой и замедляющей сеткой. Этими сетками формируется периодическая структура наборов отверстий, причем каждый набор отверстий включает в себя одно отверстие каждой из трех сеток.

Напряжения на сетках заставляют каждый из наборов отверстий извлекать ионы из плазменного источника и выбрасывать их в виде ионного составляющего луча. Ионные составляющие лучи объединяется, чтобы сформировать ионный луч, который ускоряется при удалении от ионно-оптической системы. Импульс ионного луча вызывает противоположную силу, действующую на ионный ракетный двигатель малой тяги и присоединенную конструкцию (например, космический корабль).

Чтобы увеличить реактивную силу ионного луча и продлить срок службы ракетного двигателя малой тяги, должно быть точно установлено и поддерживаться совмещение каждого набора отверстий. Эффективность ионного ракетного двигателя малой тяги является функцией экстракции тока, которая, в свою очередь, является функцией совмещения ионного составляющего луча и, следовательно, совмещения набора отверстий. Срок службы ракетного двигателя малой тяги уменьшается, когда несовмещение набора отверстий заставляет ионные составляющие лучи пересекать электрод и повреждать его, разбрызгивая вещество электрода. Это разбрызганное вещество может также сокращать срок службы космического корабля, если оно осаждается на чувствительные поверхности (например, солнечные элементы).

Поддержание совмещения с изменением температуры обычно улучшается формированием каждого из электродов в форме сферы, чтобы уменьшить вызванное температурой межсеточное перемещение. Например, каждый электрод в наилучшем ионном ракетном двигателе малой тяги диаметром 13 см содержит лист молибдена, имеющий толщину в диапазоне 0,25-0,50 мм и радиус кривизны 50 сантиметров. Электроды этого наилучшего ракетного двигателя малой тяги имеют 3145 наборов отверстий.

Совмещение набора отверстий является функцией точности позиционирования отверстий каждого электрода. Обнаружено, что в обычном способе изготовления электрода, показанном на фиг. 1A-1F, эта точность позиционирования должна быть ограничена - 125 мкм. Для реализации способа берут круглый лист 20 молибдена. Так как лист является очень тонким, часть листа внутри эллипса 22 увеличена на каждой из фиг. 1А-1Е и показана над листом 20, чтобы показать подробности способа.

На фиг. 1А показано, что лист 20 сначала покрывают негативным светочувствительным фоторезистом 24 для формирования покрытого электрода 26. На фиг. 1В маску 28 (например, фотографическую пластину - шаблон) помещают над фоторезистом 24, чтобы сформировать электродный комплект 30. Маска разработана так, чтобы покрыть части 32 с отверстиями и не покрывать части 34 сетки листа 20. Затем электродный комплект 30 однородно облучают излучением 36 так, чтобы части 38 фоторезиста, которые не закрыты маской 28, подвергались облучению. В негативном фоторезисте неэкспонированные части могут затем быть удалены, чтобы сформировать приготовленный лист 40 (фиг. 1С), в котором только части 38 фоторезиста остаются над частями 34 сеточного листа.

Подготовленный лист 40, показанный на фиг. 1C, затем деформируют, чтобы получить приготовленный сферический электрод 44, который показан на фиг. 1D (стрелки 42 сил на фиг. 1С иллюстрируют способ деформации). Соответственно, увеличенная структура внутри эллипса 22 на фиг. 1D теперь указывает радиус кривизны. Наносят химический реактив 46 для травления (фиг. 1D), и части 32 отверстий вытравливают, чтобы сформировать отверстия 48, которые отделяются сеточными частями 34, как показано в протравленном сферическом электроде 50 на фиг. 1Е. На заключительном этапе части 38 фоторезиста удаляют, чтобы получить перфорированный сферический электрод 52 (фиг. 1F), который имеет совокупность 54 отверстий 48, отделяемых сетками 34.

Определено, что деформация на фиг. 1С и 1D растягивает лист 20, который изменяет расположения фоторезистивных частей 38 (фиг. 1D) непредсказуемым и не поддающимся контролю способом. Следовательно, точность позиционирования отверстий 48 (фиг. 1Е) ограничивается, как указано выше, до ~ 130 мкм и электроды, изготовленные обычным способом (фиг. 1A-1F), ухудшают совмещение набора отверстий ионно-оптических систем.

Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на увеличение эффективности и срока службы любой системы, в которой используется ионная оптика для формирования и ускорения ионных лучей. Такие системы включают в себя ионные ракетные двигатели малой тяги, системы ионной имплантации и ускорители нейтральных лучей. Это усовершенствование достигают улучшением точности позиционирования отверстий в непланарных электродах ионно-оптической системы с множеством сеток.

Цель усовершенствования точности позиционирования достигают способом изготовления, в котором этапам способа, которым производят фоторезистивный шаблон предшествуют этапы деформации, которыми получают непланарный электрод. Следовательно, никакие этапы способа деформации не имеют возможности пространственно изменить фоторезистивный шаблон. Отверстия в непланарном электроде создают способом травления, который является пространственно управляемым фоторезистивным шаблоном. Так как способы деформации не могут изменить фоторезистивный шаблон, они не могут ухудшить точность позиционирования отверстий.

Формирование фоторезистивного шаблона на непланарном электроде предпочтительно выполняют лазерным лучом. Один вариант осуществления способа объединяет лазерный луч в форме тора с использованием негативного фоторезиста, а другой вариант осуществления способа объединяет круговой лазерный луч с использованием позитивного фоторезиста.

Ионно-оптические системы согласно настоящему изобретению имеют наборы отверстий, в которых отверстия расположены в пределах 50 мкм (например, ближе чем ~ 25 мкм) в коаксиальном отношении.

Новые особенности изобретения подробно сформулированы в прилагаемой формуле изобретения. Изобретение будет лучше всего понято из последующего описания совместно с сопроводительными чертежами.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1A-1F иллюстрируют этапы обычного способа изготовления перфорированного непланарного электрода ионного ракетного двигателя малой тяги;
фиг. 2А-2Н иллюстрируют этапы способа согласно настоящему изобретению изготовления перфорированного непланарного электрода;
фиг. 3 является видом вдоль плоскости 3-3 на фиг. 2Н, который изображает один квадрант группы отверстий в перфорированном непланарном электроде, изображенном на фиг. 2Н;
фиг. 4 является видом, аналогичным увеличенной части на фиг. 2D, который показывает замену негативного фоторезиста позитивным фоторезистом;
фиг. 5 является видом, аналогичным фиг. 2Е, который показывает замену лазерного луча, имеющего форму тора, на круговой лазерный луч; и
фиг. 6 является увеличенным видом ионного ракетного двигателя малой тяги, эффективность которого улучшена изготовлением перфорированных непланарных электродов в соответствии со способами представленного изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг. 2A-2G иллюстрируют способ согласно настоящему изобретению для изготовления перфорированного непланарного электрода. Этот способ изготовления реализует улучшенную точность позиционирования отверстий, так как этапы деформации согласно способу предшествуют этапам способа, которые определяют точное размещение фоторезистивного шаблона. Соответственно непредсказуемое и не поддающееся контролю растяжение электродов, которое вызвано этапами деформации, не может пространственно изменить фоторезистивный шаблон.

В способе (фиг. 2А) берут круговой металлический элемент в форме плоского листа 60. На фиг. 2А показано, что лист 60 деформируют (силы деформации показаны стрелками 62) для получения непланарного электрода 64, изображенного на фиг. 2В. Хотя эта деформация может быть выполнена любым обычным способом деформации, предпочтительно реализовать посредством гидроформинга, при котором к жидкой среде прикладывается распределенное давление.

Часть листа 60 внутри эллипса 65 на каждой из фиг. 2С-2G показана увеличенной и непосредственно над листом для иллюстрации подробностей способа совместно с этими чертежами. Непланарный лист 60 (фиг. 2С) покрывают (например, способом быстрого вращения) негативным фоторезистом 66 для получения покрытого непланарного электрода 70. Покрытый непланарный электрод 70 (фиг. 2D) облучают излучением 74 для получения облученного непланарного электрода 76. Как показано на фиг. 2D, на этом этапе способа облучают только части 78 фоторезиста, которые закрывают будущие части 80 сеточного электрода, то есть части 82 фоторезиста, которые покрывают части 84 отверстий будущего электрода, не облучаются.

Предпочтительно этап фиг. 2D реализуют лазерным лучом в форме тора 86, который показан на фиг. 2Е. Лазерный луч 86, имеющий форму тора, последовательно скачками проходит поперек покрытого непланарного электрода 70, изображенного на фиг. 2С, и в последовательных рядах, как показано на фиг. 2Е. Таким образом, при каждом скачке кольцевая часть 88 лазерного луча облучает будущие части сетки покрытого непланарного электрода 70, но не облучает будущие части 84 с отверстиями. Лазерный луч 86 гасится между каждым шагом лазерного луча так, чтобы части отверстий 84 не облучались, когда лазерный луч переходит в следующую позицию последовательности.

Когда облучают негативный фоторезист, фотосенсибилизаторы в фоторезисте сшиваются с основным полимером так, чтобы облученный фоторезист легко не растворялся во время обработки фоторезиста. Таким образом, необлученные части фоторезиста могут быть удалены обработкой, оставляя после себя облученные части. В результате этого этапа обработки только облученные фоторезистивные части 78 остаются над частями 80 сетки приготовленного непланарного электрода 90, который показан на фиг. 2F.

На фиг. 2F подготовленный непланарный электрод 90 травят химическим травителем 92, который вытравливает непокрытые части 84 отверстий, чтобы создать отверстия 94 в протравленном непланарном электроде 96 (фиг. 2G). Наконец, части 78 фоторезиста удаляют (например, растворителями) для получения перфорированного непланарного электрода 100 (фиг. 2Н), который имеет группу 102 отверстий 94, которые отделяются сеткой 80.

Фиг. 3 показывает наилучший квадрант группы 102 отверстий 94. По узкому периметру перфорированного непланарного электрода 100 отверстий не имеется, чтобы сформировать кольцевую кромку 104, которая является неотъемлемой частью сетки 80 (в вышеупомянутых способах кромку 104 обрабатывают способом, аналогичным для сетки 80). Кромка 104 облегчает установку перфорированного непланарного электрода 100 в ионно-оптическую систему, которая включает в себя другие перфорированные непланарные электроды.

Точность позиционирования отверстий 94 (фиг. 2Н и 3) улучшена (например, по сравнению с отверстиями 48 на фиг. 1F), так как этап деформирования, который даст непланарный электрод 64, изображенный на фиг. 2В, предшествует этапам способа, которым получают фоторезистивный шаблон подготовленного электрода 90, изображенного на фиг. 2F. Следовательно, никакие этапы процесса деформации не имеют возможности пространственно изменить фоторезистивный шаблон. Было вычислено, что способы изготовления, показанные на фиг. 2A-2H, могут реализовать точность позиционирования лучше чем 50 мкм, например точность ≈ 25 мкм, которая предоставляет пятикратное усовершенствование по сравнению с обычным способом, показанным на фиг. 1A-1F. В ионно-оптической системе, образованной множеством непланарных электродов, эта точность позиционирования улучшает коаксиальное совмещение отверстий и, следовательно, эффективность и срок службы ионно-оптической системы.

Процессы в соответствии с фиг. 2А-2Н могут быть переставлены до тех пор, пока этапы деформации продолжают предшествовать этапам способа, которые завершают обработку фоторезистивного шаблона. Например, этап покрытия (фиг. 2С) можно поменять с этапом деформации (фиг. 2А). Т.е. в другом варианте осуществления способа можно сначала покрывать планарный лист 60 (фиг. 2А) негативным фоторезистом и затем деформировать этот покрытый лист в покрытый непланарный электрод 70 (фиг. 2С).

Другие варианты осуществления способа согласно настоящему изобретению могут быть образованы отличными фоторезистами и отличными шаблонами лазерного луча. Например, фиг. 4 аналогична увеличенной части фиг. 2D с аналогичными элементами, обозначенными аналогичными числовыми ссылочными номерами, и фиг. 5 аналогична фиг. 2Е с аналогичными элементами, обозначенными аналогичными числовыми ссылочными номерами. Однако негативный фоторезист 66 на фиг. 2D заменен на фиг. 4 положительным фоторезистом 105, и лазерный луч 86, имеющий форму тора (фиг. 2Е), заменен на круговой лазерный луч 106 (фиг. 5). В этом варианте осуществления способа изобретения фоторезистивные части 82, которые покрывают будущие части 84 с отверстиями электрода, облучаются, а фоторезистивные части 78, которые покрывают будущие части 80 сетки электрода, не облучаются.

Когда положительный фоторезист облучают, фотосенсибилизаторы в основном полимере фоторезиста разрушаются так, чтобы скорость растворения во время обработки увеличивалась. Таким образом, облученные части фоторезиста могут быть удалены обработкой, оставляя после себя необлученные части. В результате этого этапа обработки только необлученные фоторезистивные части 78 останутся над частями 80 сетки подготовленного непланарного электрода 90, как показано на фиг. 2F.

Другие варианты осуществления способа изобретения могут быть образованы различными способами травления. Например, стрелки 92 на фиг. 2F могут представлять способ сухого травления, а не способ влажного химического травления. Наилучшие способы сухого травления включают в себя воздействие на непланарный элемент реактивной газовой плазмой, или воздействие ускоренных ионов реактивной газовой плазмы, или воздействие ускоренных ионов инертной газовой плазмы.

Манипулирование лазерным лучом 86 (фиг. 2Е) или лазерным лучом 106 (фиг. 5) может быть реализовано любым обычным оптическим способом, например расщепляющими луч зеркалами и/или управляемым креплением, которое удерживает и перемещает покрытый непланарный электрод 70 (фиг. 2D и 2Е). Форма луча 86 в виде тора может быть сформирована при направлении лазерной энергии через имеющую форму тора маску, которая нанесена на кварцевый элемент. Например, маска может включать в себя медный диск и внешний элемент маски, который имеет отверстие, которое коаксиально окружает диск. Диск определяет внутреннюю границу тора, а внешний элемент маски определяет внешнюю границу тора.

Перфорированный непланарный электрод 100 (фиг. 2Н) особенно подходит для улучшения ионно-оптической эффективности и срока службы любой системы, которые формируют и ускоряют ионные лучи. Как упомянуто выше, такие системы включают в себя ионные ракетные двигатели малой тяги, системы ионной имплантации и ускорители нейтральных лучей.

Наилучший ионный ракетный двигатель малой тяги 120 показан на фиг. 6. Ракетный двигатель малой тяги 120 имеет открытый с концов корпус 122 и ионно-оптическую систему 124, которая расположена поперек открытого конца корпуса 122 для образования камеры 126 ионизации.

Ракетный двигатель малой тяги 120 также включает в себя источник 127 электронов и электродную систему 128, которые установлены внутри камеры 126, генератор 130 магнитного поля, который также установлен внутри камеры 126, нейтрализатор 132, который установлен рядом с ионно-оптической системой 124, и систему питания 134, которая формирует напряжения смещения для приложения к различным структурным частям ракетного двигателя малой тяги. Резервуар 36 содержит запас ионизируемого газа (например, ксенона) и подсоединен к камере 126 клапаном 138 и отверстием 140 для потока.

Ионно-оптическая система 124 имеет экранную сетку 142, ускоряющую сетку 144 и замедляющую сетку 146, расположенные на некотором удалении друг от друга. Эти перфорированные непланарные электроды предпочтительно изготавливают в соответствии со способами настоящего изобретения. Группа 150 из коаксиально совмещенных наборов 152 отверстий формируется этими сетками, причем каждый набор отверстий включает одно отверстие в каждой из сеток (например, отверстия 94 на фиг. 2Н). Отверстия каждого набора отверстий размещаются коаксиально.

Во время работы ионного ракетного двигателя малой тяги 120 клапан 138 открывается системой управления ракетного двигателя малой тяги и отверстие 140 для потока дозирует ионизируемый газ в камеру 126 из резервуара 136. Блок питания 160 нагревателя разряда и блок питания 162 поддержки разряда заставляют источник 127 электронов генерировать первичные электроны.

Блок питания разряда 164 подает напряжение к электродной системе 128, которая обычно включает в себя катод 165 в источнике 127 электронов и анод 166, который расположен рядом с корпусом 122. Это ускоряет первичные электроны до столкновения с атомами газа для образования в камере 126 плазмы 168 из ионов и электронов. Генератор 130 магнитного поля обычно включает в себя систему кольцевых постоянных магнитов 169, которые формируют линии 170 магнитной индукции, что заставляет электроны перемещаться по длинным траекториям до того, как будут собраны электродной системой 128. Эти длинные траектории электронов увеличивают количество столкновений с атомами газа и, таким образом, увеличивают образование плазмы 168.

Блок питания 172 сетки экрана подает напряжение смещения на отверстия экранной сетки 142, чтобы облегчить течение ионных составляющих лучей из плазмы 168. Блок питания 174 подает напряжение смещения на ускоряющую сетку 144 для ускорения этих составляющих лучей через отверстия ускорителя прежде, чем они немного замедлятся при прохождении между ускоряющей сеткой 144 и замедляющей сеткой 146. Ускоряющая сетка 144 обеспечивает влияние коллимации на ионные составляющие лучи, которые вместе формируют ионный луч 180.

Ионный луч 180 выходит из ионно-оптической системы 124, и его импульс формирует силу, действующую на ионный ракетный двигатель малой тяги 120 и присоединенные структуры (например, космический корабль). Если он не скомпенсирован, положительный заряженный поток ионного луча 180 будет формировать отрицательный заряд на ионном ракетном двигателе малой тяги 120, который уменьшит силу ракетного двигателя малой тяги. Соответственно, нейтрализатор 132 инжектирует электронный поток 186 вблизи ионного луча 180, чтобы нейтрализовать пространственные заряды, а также положительный ионный ток. Виды мощности для работы нейтрализатора 132 обеспечиваются блоком питания 172 экрана, блоком питания 182 нагревателя нейтрализатора и блоком питания 184 поддержания нагревателя.

Хотя непланарная форма перфорированного непланарного электрода 100 (фиг. 2Н) является предпочтительно сферической для использования в ракетном двигателе малой тяги 120 (фиг. 6), способы изготовления согласно изобретению могут обеспечивать улучшенную точность позиционирования отверстий в электродах различных непланарных форм, например эллиптических. Хотя планарный лист (фиг. 1А) может состоять из другого металла, предпочтительно он состоит из молибдена для использования в ракетном двигателе малой тяги 120 из-за низкого разбрызгивания, высокой прочности и хорошей формуемости.

Способы изобретения были описаны для одностороннего фоторезиста. Например, фоторезист 66 показан на верхней стороне покрытого непланарного электрода 70 на фиг. 2С. Предпочтительно изобретение реализуется с двухсторонним фоторезистом. В способе с двухсторонним фоторезистом нижний фоторезистивный слой 67 также наносится на нижнюю сторону покрытого непланарного электрода 70, как указано штриховыми линиями на фиг. 2С и 2D. Излучение 74 (фиг. 2D) должно быть направлено на обе стороны покрытого непланарного электрода 70 (фиг. 2D).

После удаления фоторезиста фоторезистивные части 79 остаются на нижней стороне подготовленного непланарного электрода 90, как показано штриховыми линиями на фиг. 2F. Фоторезистивные части 79 должны, по существу, соответствовать фоторезистивным частям 78 на верхней стороне электрода 90.

Наконец, химический травитель 92 (фиг. 2F) наносят на обе стороны подготовленного непланарного электрода 90 для получения отверстий 94 (фиг. 2G). Этот способ двухстороннего фоторезиста обычно дает превосходное определение границ в отверстиях 90, потому что травитель 92 действует во внутреннем направлении от обеих сторон электрода.

Хотя изобретение показано с отверстиями, которые имеют в наилучшем случае круговую форму, изобретение может быть осуществлено с поперечным сечением отверстий любой формы, например гексагональным отверстием 190, квадратным отверстием 192 и треугольным отверстием 194, которые показаны в левой нижней части фиг. 3.

В то время как показаны и описаны несколько иллюстративных вариантов осуществления изобретения, многочисленные изменения и альтернативные варианты осуществления очевидны для специалистов. Такие изменения и альтернативные варианты осуществления рассмотрены и могут быть сделаны без отрыва от формы и объема изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к ракетным двигателям космических аппаратов и, более конкретно, к ионным двигателям малой тяги. Согласно изобретению в ионно-оптической системе данных двигателей используется несколько последовательно расположенных непланарных перфорированных электродов, изготовленных предложенным способом. Способ включает покрытие элемента-заготовки позитивным или негативным фоторезистом. Затем производят облучение фоторезиста, его травление и удаление над частями сетки электрода или над сеточными промежутками. Указанное покрытие возможно до деформирования планарного элемента в непланарный. Изобретение позволяет повысить точность позиционирования отверстий в непланарных электродах и тем самым улучшить характеристики, в том числе срок службы, ионного двигателя. 4 с. и 6 з.п.ф-лы, 6 ил.

Формула