CN101476523B - 基于mems喷嘴芯片的微型推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，包括有辐射隔热外壳，催化反应腔，顶盖，所述催化反应腔包括设置于辐射隔热外壳内的催化腔、催化反应腔入口通道，该催化反应腔入口通道一端连通到催化腔内，另一端穿出所述辐射隔热外壳；在该催化腔前端上密封套设有中间套件，所述顶盖密封套设于该中间套件外围，在所述中间套件中部穿设有MEMS喷嘴芯片，该MEMS喷嘴芯片一端连通到所述催化腔内，另一端穿出所述顶盖，还包括有用于给催化腔加热的加热丝。本发明的微型液体燃料推进器体积小、质量轻，功耗小，具有较高的比冲，非常适用于微小卫星的姿控系统当中。

Description

基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器

技术领域

本发明涉及微型推进器技术领域，特别是涉及一种采用硅基MEMS芯片作为喷嘴的微型推进器。

背景技术

近年来，微小卫星的应用越来越受到各国航天界的重视和密切关注。微小卫星具有体积小、重量轻、技术含量高、研制周期短、研制费用低(数千万元人民币)等优点，是近年来空间技术发展的新热点。多颗微小卫星可组成编队飞行卫星，在对地观测、立体成像、精确定位、大气探测、天文观测和地球物理探测等方面具有广泛的应用价值。编队飞行卫星对姿控系统有特别的要求：如合成孔径雷达，要求卫星的光学敏感器以指定的相对姿态指向空间某个方向；编队卫星执行激光通信，要求两颗卫星的激光通信终端跟踪目标视线，其相对姿态必须满足激光通信终端的粗瞄准要求。微小卫星还可以作为伴随卫星围绕空间站或其他空间飞行器作相对运动。具有服务功能的伴随小卫星作为空间支持的一种手段，可以围绕轨道飞行器完成精确的机动与观测。

目前许多微小卫星使用液化气作为推进剂，存在压力偏高，比冲偏低等不足。以具有一定化学能的液体燃料作为推进剂，如高浓度双氧水，肼等，可在推进器中释放大量热从而提高推进性能。

传统的推进器或小型火箭发动机的喷嘴均用金属材料加工制作，而微纳卫星所需要的毫牛、微牛量级的推进器喷嘴尺寸非常微小，其喉口一般为微米量级，常规的金属机械加工已难于满足其精度要求。由微电子硅芯片加工产业发展而来的MEMS(微机电系统)加工技术为微型器件的加工提供了新的途径。但由于受到MEMS加工工艺的限制，采用硅芯片加工的微型喷嘴形状是平而型的。而且硅材料相对金属材料，有易破碎不能焊接等特点，喷嘴与其他部件的结合有一定的困难。文献上有报道将推进器的整体结构包括推力室入口、推力室和喷嘴在同一块芯片上加工出来的结构。但是这种结构对于单组分液体燃料来说由于硅片大小有限其催化面积过小，而且微加工溅射法制作出的催化剂薄膜很容易中毒失效。另外，与常规尺寸的液体燃料推进器不同的是，微小硅片散热损失比较严重，常常很难维持较高的推力室温度，使得单组分液体燃料充分分解产生热量。全部采用硅芯片刻蚀产生的微流道结构使得推进器容易受到杂质堵塞，降低了推进器的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种新颖的微型液体燃料推进器结构，该结构采用MEMS硅微芯片作为微型喷嘴，以突破微型金属喷嘴难于加工的技术限制；同时增加微型液体燃料推进器的可靠性，提高其性能。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，包括有辐射隔热外壳，催化反应腔，顶盖，所述催化反应腔包括设置于辐射隔热外壳内的催化腔、催化反应腔入口通道，该催化反应腔入口通道一端连通到催化腔内，另一端穿出所述辐射隔热外壳；在该催化腔前端上密封套设有中间套件，所述顶盖密封套设于该中间套件外围，在所述中间套件中部穿设有MEMS喷嘴芯片，该MEMS喷嘴芯片一端连通到所述催化腔内，另一端穿出所述顶盖，还包括有用于给催化腔加热的加热丝。

液体推进剂如高浓度双氧水或肼等由催化反应腔入口通道进入催化腔，催化腔内装有催化剂如银网或其它铂丝等贵金属催化材料，单组元推进剂与催化剂接触发生分解反应放出热量，分解产物被化学分解反应放出的热量以及加热丝加热变成高温气体，高温气体从MEMS喷嘴芯片喷出，产生一定推力；催化反应腔内的催化剂可采用一片片圆形的银网或铂丝网紧密叠加而成。

所述辐射隔热外壳包括内层和外层，所述催化反应腔设置于该内层内，所述辐射隔热外壳内外表面设有高反射材料。催化反应腔温度越高，化学分解反应速度越快，反应越充分，产生热量越多，推进器性能越好，而微型器件比表面积过大，散热损失严重，需要采取相应的绝热措施，以减小散热损失和辅助加热功率；在太空环境下，热量主要以辐射的方式散发出去，通过采用双层辐射隔热外壳作为绝热保温的结构，通过隔热外壳的内外表面附上光亮的钼片，如铝箔，银镜面等高反射材料，以反射辐射出的热量。

在所述催化反应腔入口通道的内壁上开设有节流孔。催化反应腔入口通道的内径一般要求很小，通过在催化反应腔入口通道中安置节流孔，使得推进剂流经此处产生一定的压降，有利于防止推进剂回流，增加推进器工作的稳定性。

所述MEMS喷嘴芯片包括相互拼合的玻璃层和硅层，在该玻璃层和硅层之间设置有拉法尔喷嘴。

在所述催化反应腔靠近催化反应腔入口通道的外壁上包裹有绝缘层，所述加热丝缠绕于该绝缘层上，该加热丝一端穿出所述辐射隔热外壳。与常规尺寸的火箭发动机不同的是，催化反应腔不仅不需要冷却还必须对其进行辅助加热和保温。因为由于微尺度效应，微型器件的面积与体积比很大，散热损失非常严重。而且，根据实验经验，微型推进器越小，冷启动越困难，一般需要预热到一定温度(如150℃以上)才能正常启动喷出气体，否则燃料将以液态的形式喷出，启动失败。因此，催化反应腔外围还要缠绕加热丝对其进行辅助加热，帮助催化反应腔内反应的进行。

在所述加热丝穿出所述辐射隔热外壳的部分上套设有陶瓷线引线管。陶瓷线引线管有助于保护加热丝并起到绝缘的作用。

还包括有热电偶，其电偶结点粘附于所述在所述催化反应腔的外壁上，另一段穿出所述辐射隔热外壳。

所述中间套件内开设有方形缝隙，该方形缝隙的截面与所述MEMS喷嘴芯片的截面相吻合，所述顶盖与所述MEMS喷嘴芯片接触的的部分为带斜角的方腔，该方腔的垂直截面由外向内逐渐增大，其中间部分形成有梯形台结构，该方腔的外表面出口孔与所述MEMS喷嘴芯片的截面相吻合，该MEMS喷嘴芯片两端分别插入所述方腔和所述方形缝隙，在所述方腔与所述MEMS喷嘴芯片之间的空间填充有石墨密封材料。MEMS喷嘴芯片与金属催化反应腔的接合，一是必须能够保证在一定压力(几个大气压)下密封；二是能够耐几百摄氏度的高温，并且要保证密封接合过程当中不能损坏易碎MEMS硅微芯片；三是密封还要能够耐强氧化性或强还原性的腐蚀。由于芯片形状的特殊性和易碎性，不能像金属圆管密封一样采用金属卡箍密封结构，而耐高温的要求，使一般的密封胶无法胜任这个要求。因此，密封有一定的难度，必须采取特殊的密封结构满足此上述要求。通过采用特殊的斜面夹合石墨密封材料的结构满足了密封要求。在该密封结构中，MEMS喷嘴芯片中心线与圆柱形催化反应腔的中心轴线一致。MEMS喷嘴芯片垂直插入两块金属片专门加工的合适大小缝隙之间，挨近芯片的缝隙边缘加工方腔，在方腔处填充石墨，两块金属片夹紧时将石墨压实起到密封MEMS喷嘴芯片的作用。其特殊的密封结构满足了MEMS喷嘴芯片与金属催化腔的耐高温和耐腐蚀密封要求。

所述中间套件上下两端的端部为倒角，在该倒角与所述催化反应腔的外壁之间设有金属密封圈。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明采用微型金属圆柱形推力或催化腔体与MEMS喷嘴芯片相结合组成的微型推进器结构，使用银网或贵金属丝作为催化剂，并采取一定的绝热措施，能够在很小推力的情况下维持较高的推力室温，获得较高比冲。本发明的微型液体燃料推进器体积小、质量轻，功耗小，具有较高的比冲，非常适用于微小卫星的姿控系统当中。

附图说明

图1为本发明的微型液体燃料推进器内部结构示意图；

图2为MEMS喷嘴芯片结构示意图；

图3为MEMS喷嘴芯片与顶盖、中间套件装配示意图；

附图标记说明：1、MEMS喷嘴芯片，11、玻璃层，12、硅层，13、拉法尔喷嘴，2、顶盖，21、带斜角的方腔，211、出口孔，22、螺栓穿过孔，3、中间套件，31、倒角，311、金属密封圈，32、方形缝隙，4、催化反应腔，41、催化腔，42、催化反应腔入口通道，421、节流孔，5、加热丝，51、加热丝缠绕段，6、热电偶，61、电偶结点，7、绝缘层，8、陶瓷引线管，9、双层辐射隔热外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参阅图1所示，一种基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，包括有辐射隔热外壳9，催化反应腔4，顶盖2，催化反应腔4包括设置于辐射隔热外壳9内的催化腔41、催化反应腔入口通道42，催化反应腔入口通道42一端连通到催化腔41内，另一端穿出辐射隔热外壳9；在该催化腔41前端上密封套设有中间套件3，顶盖2密封套设于该中间套件3外围，在中间套件3中部穿设有MEMS喷嘴芯片1，该MEMS喷嘴芯片1一端连通到催化腔41内，另一端穿出顶盖2，还包括有用于给催化腔41加热的加热丝5。

液体推进剂如高浓度双氧水或肼等由催化反应腔入口处42进入催化腔41后，催化腔41内的分解产物被化学分解反应放出的热量以及加热丝5的加热变成高温气体，高温气体从MEMS喷嘴芯片1喷出，产生一定推力。

该辐射隔热外壳9包括内层91和外层92，催化反应腔4设置于该内层91内，辐射隔热外壳9内外表面设有高反射材料。

进一步的，为防止推进剂回流，增加推进器工作的稳定性，在催化反应腔入口通道42的内壁上开设有节流孔421。

在催化反应腔4靠近催化反应腔入口通道42的外壁上包裹有绝缘层7，加热丝5的加热丝缠绕段51缠绕于该绝缘层7上，该加热丝5另一段穿出辐射隔热外壳9。先在催化反应腔体4外包一层云母作为绝缘层，然后在绝缘层上缠绕加热丝5，然后可再次包扎云母绝缘层7，或灌注陶瓷溶胶绝缘，将加热丝5固定。

为对加热丝绝缘，在加热丝5穿出辐射隔热外壳9的部分上套设有陶瓷线引线管8；还包括有热电偶6，其一段粘附于在催化反应腔4的外壁上，另一段穿出辐射隔热外壳9，热电偶6的电偶结点61可焊接在催化反应腔4上，其另一端从辐射隔热外壳9的引出。

请参阅图2所示，MEMS喷嘴芯片1包括相互拼合的玻璃层11和硅层12，在该玻璃层11和硅层12之间设置有拉法尔喷嘴13。所述的MEMS喷嘴芯片硅微芯片由于受到微加工工艺的限制一般为片状结构，由大约300～500微米厚的硅片与500微米厚的玻璃片键合而成。用诱导耦合等离子(Inductively CoupledPlasma，ICP)深刻蚀方法在硅片上刻蚀微型拉法尔平面型喷嘴结构。目前微加工工艺能够刻蚀的深度在200微米左右，其宽高比越小加工难度越大。而对于拉法尔喷嘴来说，宽高比越大喷嘴越接近二维结构，其性能越好。因此，在这里只能有一个折中，而平面型微型喷嘴的推力系数也将会比常规尺寸的喷嘴要小一些。这是喷嘴微型化所必须付出的代价。平面型拉法尔MEMS喷嘴芯片1的具体制作工序如下：准备n型<100>晶向的硅片，清洗干净后旋涂一层约3μm厚的光刻胶。使用设计好的掩膜进行UV光刻。随后进行ICP(InductivelyCoupled Plasma，诱导耦合等离子体刻蚀)深刻蚀，在硅片上形成平面型拉法尔喷嘴槽道。剥离光刻胶，再次清洗硅片，与玻璃片进行阳极键合。最后从玻璃面开始划片，得到所需的推进器芯片。

请结合图3所示，顶盖2有一个带斜角的方腔21，方腔由外往内逐渐增大，中空部分形成一个梯形台结构，外表面的出口孔211与MEMS喷嘴芯片1横截面大小相吻合，中间套件3在正中央位置也有一个方形缝隙32，缝隙截面与MEMS喷嘴芯片1截面相吻合，这样，MEMS喷嘴芯片1可插在顶盖2的方腔21和中间套件3的缝隙32之间，而在方腔21斜角处填满石墨，通过螺栓穿过孔22将这几个部件锁紧之后，石墨被紧紧压实在斜角21处将MEMS喷嘴芯片1与不锈钢结构密封严实。而石墨材料具有耐高温耐腐蚀的优点，能够满足微型推进器工作状况的要求。中间套件3带有一个倒角31，配合一个金属铝套圈或银密封套圈，可将中间套件3和催化反应腔体4紧密结合，形成能够承受一定高温的密封结构。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：包括有辐射隔热外壳(9)，催化反应腔(4)，顶盖(2)，所述催化反应腔(4)包括设置于辐射隔热外壳(9)内的催化腔(41)、催化反应腔入口通道(42)，该催化反应腔入口通道(42)一端连通到催化腔(41)内，另一端穿出所述辐射隔热外壳(9)；在该催化腔(41)前端上密封套设有中间套件(3)，所述顶盖(2)密封套设于该中间套件(3)外围，在所述中间套件(3)中部穿设有MEMS喷嘴芯片(1)，该MEMS喷嘴芯片(1)一端连通到所述催化腔(41)内，另一端穿出所述顶盖(2)，还包括有用于给催化腔(41)加热的加热丝(5)。

2.如权利要求1所述的基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：所述辐射隔热外壳(9)包括内层(91)和外层(92)，所述催化反应腔(4)设置于该内层(91)内，所述辐射隔热外壳(9)内外表面设有高反射材料。

3.如权利要求2所述的基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：在所述催化反应腔入口通道(42)的内壁上开设有节流孔(421)。

4.如权利要求3所述的基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：所述MEMS喷嘴芯片(1)包括相互拼合的玻璃层(11)和硅层(12)，在该玻璃层(11)和硅层(12)之间设置有拉法尔喷嘴(13)。

5.如权利要求1到4中任一所述的基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：在所述催化反应腔(4)靠近催化反应腔入口通道(42)的外壁上包裹有绝缘层(7)，所述加热丝(5)缠绕于该绝缘层(7)上，该加热丝(5)一端穿出所述辐射隔热外壳(9)。

6.如权利要求5所述的基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：在所述加热丝(5)穿出所述辐射隔热外壳(9)的部分上套设有陶瓷线引线管(8)。陶瓷线引线管有助于保护加热丝并起到绝缘的作用。

7.如权利要求6所述的基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：还包括有热电偶(6)，其电偶结点(61)粘附于所述在所述催化反应腔(4)的外壁上，另一段穿出所述辐射隔热外壳(9)。

8.如权利要求7所述的基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：所述中间套件(3)内开设有方形缝隙(32)，该方形缝隙(32)的截面与所述MEMS喷嘴芯片(1)的截面相吻合，所述顶盖(2)与所述MEMS喷嘴芯片(1)接触的部分为带斜角的方腔(21)，该方腔(21)的垂直截面由外向内逐渐增大，其中间部分形成有梯形台结构，该方腔(21)的外表面出口孔(211)与所述MEMS喷嘴芯片(1)的截面相吻合，该MEMS喷嘴芯片(1)两端分别插入所述方腔(21)和所述方形缝隙(32)，在所述方腔(21)与所述MEMS喷嘴芯片(1)之间的空间填充有石墨密封材料。

9.如权利要求8所述的基于MEMS喷嘴芯片的微型推进器，其特征在于：所述中间套件(3)上下两端的端部为倒角(31)，在该倒角(31)与所述催化反应腔(4)的外壁之间设有金属密封圈(311)。

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