[发明专利]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

说明书

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。

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。