专利摘要

本发明提供了一种具有自驱推进能力功能表面的制备方法及基于该功能表面的航天器表面张力贮箱。首先获得超疏水表面；进一步设计微米级楔型槽结构，在制备获得的超疏水表面采用激光刻蚀技术去除楔型槽部分超疏水涂层，使其转变为超亲水，获得具有自驱推进能力的功能表面；根据航天器表面张力贮箱中导流板、导流叶片实际尺寸，以上述自驱功能表面为单元，设计自驱功能表面阵列，利用上述方法将功能表面阵列加工到导流板和导流叶片上，实现基于功能型梯度表面实现失重环境下推进剂的自驱供给，减少半管理通道式表面张力贮箱以及板式贮箱在轨使用约束，更好地满足整星对化学推进系统的使用要求。

权利要求

1.一种自推进功能表面的制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先，采用微磨料多相射流技术，在TC4钛合金表面加工出微米级粗糙结构；再通过电化学刻蚀方法，在表面进一步构筑分层微观结构；随后将钛合金板浸泡于低表面能物质氟硅烷溶液中修饰，获得超疏水表面；进一步设计微米级楔型槽结构，在制备获得的超疏水表面采用激光刻蚀技术去除楔型槽部分超疏水涂层，使其转变为超亲水。

2.根据权利要求1所述的自推进功能表面的制备方法，其特征在于制备过程具体步骤如下：

1）配置微磨料多相射流水溶液，固体微磨料选用1000目的金刚石颗粒，磨料质量分数为10wt.%；射流参数如下：喷射距离为12mm，喷射角度为90°，喷射压强为0.8MPa，均匀喷射加工5min；射流加工处理；

2）微磨料射流加工后，采用去离子水超声清洗式样并烘干；

3）配置电化学刻蚀水溶液，溶液中电解质主要成分NaCl、NaBr、NaNO3的质量分数分别为1wt.%、3wt.%、4wt.%；以TC4钛合金为阳极，铜板为阴极，间隙为10 mm，电流密度为0.5A/cm2,电化学刻蚀加工8min，在表面加工分层微纳结构；

4）电化学刻蚀后，采用去离子水超声清洗式样并烘干；

5）配置氟硅烷无水乙醇溶液，氟硅烷质量分数为2wt.%，常温浸泡2h后90℃烘干，获得超疏水表面；

6）设计微米级楔型槽结构，结构参数如下：楔角为4~12°，楔型槽起始位置宽度为10~100um，深度为1~40um，楔型槽长度为40~100mm；采用激光打标机，设置功率为3~5W,移动速度为500~1000mm/s,加工次数为1~50次，将上述结构加工到步骤5）所获得的超疏水表面，除去该部分低表面能涂层，将其转变为超亲水。

3.一种基于自推进功能表面的表面张力贮箱，其特征在于：包括箱体、导流叶片、导流板、控制阀、气隙口、推进剂液位检测传感器，其中导流叶片和导流板由权利要求1所述方法制备得到，所述的箱体内侧周向均匀布置导流叶片，箱体中心设置有液位检测传感器，箱体顶部设置有气隙口，箱体底部周向均匀布置导流板,底部中心开有带控制阀的推进剂出口。

4.根据权利要求3所述的基于自推进功能表面的表面张力贮箱，其特征在于：所述的导流叶片数量为4-16片，所述的导流板为4-30个。

5.根据权利要求4所述的基于自推进功能表面的表面张力贮箱，其特征在于：所述的导流叶片数量为8，导流叶片之间的间距为45°，所述的导流板数量为8，导流叶片之间的间距为45°。

说明书

技术领域

本发明涉及空间推进技术领域，具体是一种具有自驱推进功能表面的制备方法及基于该功能表面的表面张力贮箱。

背景技术

航天器贮箱是存储和管理推进剂的重要装置,要求能在整个任务周期内有效提供推进剂。贮箱内推进剂的存贮、传输及定位特性对航天器在轨机动能力和服役寿命起着决定性作用。

目前在轨卫星化学推进系统使用的贮箱主要包括：表面张力贮箱、囊式贮箱、金属膜片贮箱、膜盒贮箱等，其中板式表面张力贮箱因结构简单、性能可靠、寿命长、成本低等优点，应用最为广泛。其基本原理是利用表面张力驱动液体流动：通过条状导流板将推进剂液池与出口相连，且导流板紧贴贮箱壁面并与之形成夹角，夹角两端液体曲面发生弯曲形成压力差，进而驱动液体流向贮箱出口，为航天器提供推进剂。然而在空间环境下，轻微干扰（如航天器突然加速时，导流板上面吸附的液体会损失）就会导致推进剂位置发生变化，产生液体晃动、毛细流动、气液分离等现象。此时，推进剂的流动过程变得异常复杂，其定位与供给得不到有效保证，轻者降低推进效率，重者导致航天器动力失效，丧失服役能力。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种具有自驱推进功能表面的制备方法及基于该功能表面的表面张力贮箱，在导流板和管理叶片上构筑具有自驱推进能力的功能微纳结构，利用功能表面实现失重环境下推进剂的自驱供给，从而减少半管理通道式表面张力贮箱以及板式贮箱在轨使用约束，更好地满足整星对化学推进系统的使用要求。

本发明提供了一种自推进功能表面的制备方法，包括以下步骤：首先，采用微磨料多相射流技术，在TC4钛合金表面加工出微米级粗糙结构；再通过电化学刻蚀方法，在表面进一步构筑分层微观结构；随后将钛合金板浸泡于低表面能物质氟硅烷溶液中修饰，获得超疏水表面；进一步设计微米级楔型槽结构，在制备获得的超疏水表面采用激光刻蚀技术去除楔型槽部分超疏水涂层，使其转变为超亲水。

进一步改进，制备过程具体步骤如下：

1）配置微磨料多相射流水溶液，固体微磨料选用1000目的金刚石颗粒，磨料质量分数为10wt.%；射流参数如下：喷射距离为12mm，喷射角度为90°，喷射压强为0.8MPa，均匀喷射加工5min；射流加工处理；

2）微磨料射流加工后，采用去离子水超声清洗式样并烘干；

3）配置电化学刻蚀水溶液，溶液中电解质主要成分NaCl、NaBr、NaNO3的质量分数分别为1wt.%、3wt.%、4wt.%；以TC4钛合金为阳极，铜板为阴极，间隙为10mm，电流密度为0.5A/cm2,电化学刻蚀加工8min，在表面加工分层微纳结构；

4）电化学刻蚀后，采用去离子水超声清洗式样并烘干；

5）配置氟硅烷无水乙醇溶液，氟硅烷质量分数为2wt.%，常温浸泡2h后90℃烘干，获得超疏水表面；

6）设计微米级楔型槽结构，结构参数如下：楔角为4~12°，楔型槽起始位置宽度为10~100um，深度为1~40um，楔型槽长度为40~100mm；采用激光打标机，设置功率为3~5W,移动速度为500~1000mm/s,加工次数为1~50次，将上述结构加工到步骤5）所获得的超疏水表面，除去该部分低表面能涂层，将其转变为超亲水。

本发明还提供了一种贮藏箱，包括箱体、导流叶片、导流板、控制阀、气隙口、推进剂液位检测传感器，其中导流叶片和导流板由权利要求1所述方法制备得到，所述的箱体内侧周向均匀布置导流叶片，箱体中心设置有液位检测传感器，箱体顶部设置有气隙口，箱体底部周向均匀布置导流板,底部中心开有带控制阀的推进剂出口。

进一步改进，所述的导流叶片数量为4-16片，所述的导流板为4-30个。

进一步改进，所述的导流叶片数量为8，导流叶片之间的间距为45°，所述的导流板数量为8，导流叶片之间的间距为45°。

当推进剂液位较高时，贮箱内推进剂主要由四周导流叶片提供自推进驱动力，而液位较低时，主要由导流板提供自驱推进驱动力；液位高度通过液位检测传感器获得；推进剂出口处设置有控制阀，由航天器主控制器精确控制推进剂流量；气隙口用于调整、排放贮箱内气压。

本发明有益效果在于：

在导流板和管理叶片上构筑具有自驱推进能力的功能微纳结构，利用功能表面实现失重环境下推进剂的自驱供给，从而减少半管理通道式表面张力贮箱以及板式贮箱在轨使用约束，更好地满足整星对化学推进系统的使用要求。

附图说明

图1为功能表面构筑流程图。

图1（a）为射流加工过程示意图。

图1（b）为电化学加工过程示意图。

图1（c）为表面修饰过程示意图。

图1（d）为激光加过过程示意图。

图2（a）为功能表面自驱推进原理示意图。

图2（b）为一种典型的阵列形式示意图。

图3为具备自驱推进特性的板式表面张力贮箱示意图。

图4为图3中A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的制备方法如下：首先采用微磨料多相射流技术，在钛合金（TC4）表面加工出微米级粗糙结构；再通过电化学刻蚀方法，在表面进一步构筑分层微观结构；随后将钛合金板浸泡于低表面能物质氟硅烷溶液中修饰；至此制备获得超疏水表面（步骤1-5）；进一步对制备获得的超疏水表面采用激光刻蚀技术去除指定部分超疏水涂层，使其转变为超亲水（步骤6），加工流程如图1所示，具体实施步骤如下：

（1）配置微磨料多相射流水溶液，固体微磨料选用金刚石颗粒（1000目），磨料质量分数为10 wt.%；射流参数如下：喷射距离为12mm，喷射角度为90°，喷射压强为0.8MPa，均匀喷射加工5min；射流加工处理, 如图1（a）所示;

（2）微磨料射流加工后，采用去离子水超声清洗式样并烘干；

（3）配置电化学刻蚀水溶液，溶液中电解质主要成分NaCl、NaBr、NaNO3的质量分数分别为1 wt.%、3 wt.%、4 wt.%；以TC4为阳极，铜板为阴极，间隙为10mm，电流密度为0.5A/cm2,电化学刻蚀加工8min，在表面加工分层微纳结构，如图1（b）所示；

（4）电化学刻蚀后，采用去离子水超声清洗式样并烘干；

（5）配置氟硅烷无水乙醇溶液，氟硅烷质量分数为2 wt.%，常温浸泡2h后90℃烘干，至此获得超疏水表面，如图1（c）所示；

（6）设计微米级楔型槽结构，结构参数如下：楔角为4~12°，楔型槽起始位置宽度为10~100um，深度为1~40um，楔型槽长度为40~100mm；采用激光打标机，设置功率为3~5W,移动速度为500~1000mm/s,加工次数为1~50次，将上述结构加工到步骤5所获得的超疏水表面，除去该部分低表面能涂层，将其转变为超亲水，如图1（d）所示。

该功能表面自驱流动原理如图2（a）所示，当液体推进剂流到具有超亲水楔形槽的超疏水表面时，由于楔型槽的存在，液体推进剂左右两侧曲率半径不同，且在超亲水楔形槽内液体能够完全浸润铺展，故而推进剂能够定向自发流动。在实际应用时，根据导流板和叶片的长度设计楔型槽长度，如果导流板长度过长，则阵列排布上述结构，图2（b）所示为一种典型的楔型槽阵列形式。

制备获得上述导流板后，设计具备自驱推进性能的板式表面张力贮箱，其原理如图3和图4所示。该贮箱主要包含导流叶片1、导流板2、控制阀3、气隙口7、推进剂液位检测传感器5等主要部分，在贮箱内侧周向均匀布置导流叶片（图中导流叶片数量为8，间距为45°，可根据贮箱尺寸设置4~16个导流叶片），在贮箱底部周向均匀布置导流板（图中导流板数量为8个，间距为45°，可根据贮箱尺寸设置4~30个导流板）；当推进剂6液位较高时，贮箱内推进剂主要由四周导流叶片提供自推进驱动力，而液位较低时，主要由导流板提供自驱推进驱动力；液位高度通过液位检测传感器获得；贮底部中心开有带控制阀3的推进剂出口4，由航天器主控制器精确控制推进剂流量；气隙口用于调整、排放贮箱内气压。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

自推进功能表面的制备方法及基于该表面的表面张力贮箱专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。