CN102434316B - 一种基于双组元微型化学推进阵列装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空航天微推进技术领域，涉及MEMS技术(微电子机械技术)和常规火箭双组元推进装置，是为了克服已有技术的缺陷，通过将现有的固体和液体微化学推进器结构上的优点相结合，提出一种新型结构的液体双组元微化学推进阵列。既解决了现有液体微化学推进器工作原理复杂、加工制造工艺要求高和工作可靠性低等问题，又可以简单实现二次点火和推力的实时调节，并保留了已有固体微推进系统可阵列分布、集成程度高等优点。

Description

一种基于双组元微型化学推进阵列装置

技术领域

本发明属于航空航天微推进技术领域，涉及MEMS技术(微电子机械技术)和常规火箭双组元推进装置。

背景技术

MEMS技术(微电子机械技术)是一个新型的高科技发展领域，是利用微芯片工艺技术制造的微小型机械装置或部件，集成了微机械系统，微传感器，微执行器，控制电路和信号处理电路等器件和系统；同时MEMS技术在航天领域的发展也得到了广泛的应用，其中与动力系统技术的结合极大的推动了现代火箭、卫星的小型化、微型化趋势。MEMS微推进技术结合MEMS技术和传统的火箭动力推进技术而发展起来，作为一个全新的技术领域受到人们越来越多的关注。

如今，国内外已经设计制造了多种类型的微推进系统，包括微型冷气推进器、微电推进器、微激光推进器和微化学推进器等。

由于结构尺寸微型化的限制，使得微推进器在原理设计及加工制作时遇到了很多的困难。如微冷气推进器，由于它是利用推进剂贮箱中气体自身的压强产生推力，所以自身推力低，比冲小，并且由于工作原理和结构限制，导致系统集成程度低，不适合批量生产。微电推进器和微激光推进器工作原理复杂，涉及电、燃烧和光等多个学科领域，技术难度高，推质比低。

目前，微化学推进器包括固体和液体两种。其中，固体微化学推进器凭借较高的集成程度、可阵列分布、工作稳定等优势，已经较多的应用于纳卫星或皮卫星的动力系统中，但固体微化学推进器的最大缺点是每个阵列的推进单元只能利用一次，无法二次利用，并且工作时间短，总冲低，推力小，工作效率低，很难实现多次启动和推力的实时精确调节。而液体微化学推进器大多采用了微阀、微泵等微型运动部件，这使得结构复杂，加工难度大，系统工作可靠性低。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，通过将现有的固体和液体微化学推进器结构上的优点相结合，提出一种新型结构的液体双组元微化学推进阵列。既解决了现有液体微化学推进器工作原理复杂、加工制造工艺要求高和工作可靠性低等问题，又可以简单实现二次点火和推力的实时调节，并保留了已有固体微推进系统可阵列分布、集成程度高等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于双组元微型化学推进阵列装置，它由很多个推进单元结构组成，其中每个推进单元结构，包括：由四个微推进阵列机体片，两个定压贮箱，两条推进剂管路，两个控制微阀，两个过滤器和两个节流器，一个燃烧室-喷管组合，两个推进剂贮箱中的气液柔性分隔板，两个燃烧室冷却通道，十个推进剂喷嘴，一个寻址/控制电路及一个电子控制单元组成。

上述各组成部件的作用及相互间的连接关系如下：

所述定压贮箱分别贮存液体燃料和氧化剂，其箱内压力由外部装有惰性气体的高压气瓶保持恒定，定压贮箱内的液体推进剂和高压气体通过安装在推进剂贮箱中的气液柔性分隔板隔开。

所述控制微阀安装在推进剂管路中，用于控制推进剂管路的开闭，常态下为关闭状态，只有接到电子控制单元的开启信号后才可打开。控制微阀与节流器和过滤器相连接。

所述过滤器用于对推进剂管路中液体燃料和氧化剂进行过滤和净化。过滤器安装在推进剂管路上，连接在定压贮箱和控制微阀之间。

所述节流器用于在推进剂管路中调节液体燃料和氧化剂的流量以及燃料与氧化剂的混合比。节流器安装在推进剂管路上，与控制微阀和过滤器相连接。

控制微阀、过滤器和节流器是单独零件安装到阵列结构中。

所述燃烧室-喷管组合是由燃烧室和喷管组成，液体燃料和氧化剂在燃烧室内燃烧，燃烧产生的高温高压气体由喷管喷出，产生反方向推力。燃烧室-喷管组合嵌在微推进阵列第三机体中。定压贮箱和燃烧室-喷管组合单元之间由推进剂管路和微阀连接。

所述燃烧室冷却通道用于存储未燃的液体燃料和氧化剂，这可以吸收由燃烧产生的传向燃烧室壁的热量，降低燃烧室壁温度。并且还可以借此为未燃燃料和氧化剂预热，实现热量循环。燃烧室冷却通道嵌在微推进阵列第四机体与微推进阵列第二机体中。

在整个微推进阵列单元中，推进剂贮箱、管路和燃烧室都是通过在陶瓷片上刻槽或钻孔加工形成。

所述推进剂喷嘴是分布在上述燃烧室冷却通道上的小孔，用于提高液体燃料和氧化剂向燃烧室内喷射的效果，提高燃料和氧化剂的混合程度。推进剂喷嵌在微推进阵列第四机体中。

所述寻址/控制电路的作用是连接控制微阀和电子控制单元，确保电子控制单元发出的控制信号能正确传递给控制微阀。

所述电子控制单元的信号通过寻址/控制电路传递给微阀以对其执行独立或组合的控制。电子控制单元的输出端连接寻址/控制电路的输出端。

本发明的工作过程如下：

首先，液体燃料和氧化剂分别存储在两个定压贮箱中，定压贮箱中的恒定压力由定压贮箱中气液柔性分隔板上方的高压气体提供。

当推进剂管路中的控制微阀有初始的关闭状态变为开启状态时，液体燃料和氧化剂在定压贮箱中初始压力的作用下，由定压贮箱出发，路经推进剂管路、过滤器、控制微阀和节流器进入燃烧室冷却通道，在燃烧室冷却通道内的液体燃料和氧化剂可以对燃烧室壁面进行冷却。

最后，液体燃料和氧化剂经推进剂喷嘴喷入燃烧室-喷管组合，在燃烧室内混合燃烧，燃烧产生的高温高压气体由喷管喷出，产生反方向推力。

其中，液体燃料和氧化剂的选择标准是两者相遇就可以自燃发生反应的，这样的设计为整体结构省去了点火系统，减少系统内的部件。

由于双组元微化学推进阵列的工作温度较高，选择难熔的陶瓷片为微推进阵列机体所用材料，难熔的陶瓷片材料优选承受1500K以上温度，并且在微小尺寸加工条件下消除材料晶格的缺陷，使其不易断裂。

由于推进阵列的整体尺寸为10mm量级，各个部件的尺寸在毫米量级，由于现在制造工艺技术的限制，不能把每个零部件做成单独的结构，所以在此设计中，把各个部件通过在难熔的陶瓷片上一维刻槽或钻孔加工，然后再将多片加工后的陶瓷片拼装组合形成最终的完整结构。

有益效果

此发明的双组元微化学推进阵列大大简化了液体微推进系统的结构，与以往微推进系统相比具有多种明显优势：1.采用在陶瓷片上一维刻槽或钻孔来得到微推进阵列的各个零件结构，降低了制造和装配工艺难度，使推进阵列在微尺度下的设计简单，更符合实际；2.基于本发明中的特殊设计，省去了以往液体微推进系统中大多采用的微泵结构。而微泵的制作工艺以及在高温下如何提高微泵的工作性能及可靠性向来是液体微推进系统中的技术难点，在本次设计中通过高压惰性气体挤压传送液体推进剂，大大简化系统原理及结构，减少系统内微泵，提高系统工作可靠与稳定性；3.本发明中选配的液体燃料和液体氧化剂是两者相遇可以自燃发生反应的，这样就不再需要发动机点火装置，进一步简化微尺度下推进阵列的结构；4.此发明的双组元微化学推进阵列的另一大优点是相对于现在较为流行的固体微推进系统来说，各个燃烧室都可以多次重复使用，并且易于控制关机和开机动作，其阵列分布结构也便于对卫星或火箭实现推力矢量控制。

附图说明

图1是本发明的双组元微化学推进阵列中一个单元结构的横剖面示意图；

图2是图1中A处局部放大图；

图3是图1中A-A剖面图；

图4是图1中B-B剖面图；

图5是图1中C-C剖面图；

图6为双组元微化学推进阵列的图2的仰视图；

图中，1-微推进阵列第一机体、2-微推进阵列第二机体、3-微推进阵列第三机体、4-定压贮箱、5-推进剂贮箱中的气液柔性分隔板、6-过滤器、7-控制微阀、8-节流器、9-推进剂管路、10-微推进阵列第四机体、11-燃烧室冷却通道、12-推进剂喷嘴、13-控制/寻址电路、14-电子控制单元、15-燃烧室-喷管组合，16-减压器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种基于双组元微型化学推进阵列装置，它由6个推进单元组成，如图1所示，就其中的一个推进单元结构来说，由微推进阵列第一机体1，微推进阵列第二机体2，微推进阵列中第三机体3，微推进阵列第四机体10，定压贮箱4，推进剂管路9，控制微阀7，过滤器6和节流器8，一个燃烧室-喷管组合15，定压贮箱中的气液柔性分隔板5，燃烧室冷却通道11，推进剂喷嘴12，控制/寻址电路13及电子控制单元14组成。

如图3，图4，图5和图6可以看出当推进阵列装置包括6个推进单元时，这6个推进单元的连接关系和组成结构，6个推进单元共用同一个定压贮箱4、气液柔性分隔板5和一个控制单元14。除此之外，单个推进单元有自己单独的推进剂管路9，控制微阀7，过滤器6和节流器8，一个燃烧室-喷管组合15，定压贮箱中的气液柔性分隔板5，燃烧室冷却通道11，推进剂喷嘴12，控制/寻址电路13。

上述各组成部件的作用及相互间的连接关系如下：

其中，所述定压贮箱4分别贮存液体燃料和氧化剂，其箱内压力由外部装有惰性气体的高压气瓶保持恒定，定压贮箱4内的液体推进剂和高压气体通过安装在推进剂贮箱中的气液柔性分隔板5隔开。

所述控制微阀7安装在推进剂管路9中，用于控制推进剂管路9的开闭，常态下为关闭状态，只有接到电子控制单元14的开启信号后才可打开。控制微阀7与节流器8和过滤器6相连接。

所述过滤器6用于对推进剂管路9中液体燃料和氧化剂进行过滤和净化。过滤器6安装在推进剂管路9上，连接在定压贮箱4和控制微阀7之间。

所述节流器用于在推进剂管路9中调节液体燃料和氧化剂的流量以及燃料与氧化剂的混合比。节流器8安装在推进剂管路9上，与控制微阀7和过滤器6相连接。

控制微阀7、过滤器6和节流器8是单独零件安装到阵列结构中。

所述燃烧室-喷管组合15是由燃烧室和喷管组成，液体燃料和氧化剂在燃烧室内燃烧，燃烧产生的高温高压气体有喷管喷出，产生反方向推力。燃烧室-喷管组合15嵌在微推进阵列第三机体3中。定压贮箱4和燃烧室-喷管组合15单元之间由推进剂管路9和控制微阀7连接。

所述燃烧室冷却通道11用于存储未燃的液体燃料和氧化剂，这可以吸收由燃烧产生的传向燃烧室壁的热量，降低燃烧室壁温度。并且还可以借此为未燃燃料和氧化剂预热，实现热量循环。燃烧室冷却通道11嵌在微推进阵列第四机体10与微推进阵列第二机体2中。

在整个微推进阵列单元中，定压贮箱4、推进剂管路9和燃烧室都是通过在陶瓷片上刻槽或钻孔加工形成。

所述推进剂喷嘴12是分布在上述燃烧室冷却通道11上的小孔，用于提高液体燃料和氧化剂向燃烧室内喷射的效果，提高燃料和氧化剂的混合程度。推进剂喷嵌在微推进阵列第四机体10中。

所述寻址/控制电路13的作用是连接控制微阀7和电子控制单元14，确保电子控制单元14发出的控制信号能正确传递给控制微阀7。

所述电子控制单元14的信号通过寻址/控制电路13传递给控制微阀7以对其执行独立或组合的控制。电子控制单元14的输出端连接寻址/控制电路13的输出端。

本发明具体实施例的工作过程如下：

一种基于双组元微型化学推进阵列装置，其中的一个微推进阵列共有7片难熔的陶瓷片组成，为对称结构，这一阵列结构中共有6个推进单元结构，其中图1为其中一个微推进阵列单元的横剖面图，图1左右分别为液体燃料或氧化剂部分。微推进阵列第一机体1，微推进阵列第二机体2和微推进阵列第四机体10是在微推进阵列左右两边，各自相同的两片机体；微推进阵列第三机体3是在微推进阵列中间的一片机体。推进剂贮箱4嵌在采用陶瓷片为材料的微推进阵列第一机体1，微推进阵列第二机体2和微推进阵列第三机体3的上部，推进剂管路9嵌在微推进阵列第一机体1右下部，燃烧室-喷管组合15嵌在微推进阵列第三机体3的下部，图2中的燃烧室冷却通道11和推进剂喷嘴12嵌在微推进阵列第四机体10和微推进阵列第二机体2中。过滤器6、控制微阀7和节流器8安装在微推进阵列第一机体1和微推进阵列第二机体2之间与推进剂管路9连接，过滤器6用于过滤推进剂管路9中推进剂的杂质，控制微阀7控制推进剂管路9的开闭，其常态下为关闭状态，只有接到电子控制单元14的开启信号后才打开，节流器8的作用是调节推进剂流量。寻址/控制电路13将各个控制微阀8和电子控制单元14连接，减压器16嵌在微推进阵列第二机体2中，作用是为定压贮箱4中的高压气体减压。

当推进阵列正常工作时，首先要由电子控制单元14根据实际工作要求判断推进单元工作，然后经过寻址/控制电路13把开启信号传递给推进单元中控制微阀7中，控制微阀7接到信号进行开启动作，将推进剂管路9接通。推进剂管路9接通后，微推进阵列外部高压气罐的高压气体经过减压器16减压进入推进剂贮箱4内，为箱内建立起恒定压力。推进剂贮箱4中的高压气体挤压气液柔性分隔板5，然后将液体推进剂推出贮箱4，液体推进剂经过过滤器6的过滤，然后分别通过开启的控制微阀7和节流器8进入燃烧室冷却通道11中，对燃烧室壁进行冷却，同时预热推进剂，再通过推进剂喷嘴12射入燃烧室-喷管组合15中。其中，同一个推进单元中的氧化剂和燃料的控制微阀7的动作必须是一致的，这样，燃料和氧化剂就会像上述的过程同时进入燃烧室-喷管组合15中，当燃料和氧化剂在燃烧室-喷管组合15中相遇后，自燃着火，通过燃烧反应产生高温高压气体，反应产生的高温高压气体经过喷管喷出产生反方向推力，为整个设备提供动力源。

Claims (3)

1.一种基于双组元微型化学推进阵列装置，其特征在于：由多个推进单元结构组成，其中每个推进单元结构包括微推进阵列第一机体（1）、微推进阵列第二机体（2）、微推进阵列中第三机体（3）、微推进阵列第四机体（10）、定压贮箱（4）、推进剂管路（9）、控制微阀（7）、过滤器（6）、节流器（8）、一个燃烧室-喷管组合（15）、定压贮箱中的气液柔性分隔板（5）、燃烧室冷却通道（11）、推进剂喷嘴（12）、控制/寻址电路（13）及电子控制单元（14）组成；

上述各组成部件的作用及相互间的连接关系如下：

定压贮箱（4）内的液体推进剂和高压气体通过安装在定压贮箱中的气液柔性分隔板（5）隔开；控制微阀（7）与节流器（8）和过滤器（6）相连接；过滤器（6）安装在推进剂管路（9）上，连接在定压贮箱（4）和控制微阀（7）之间；节流器（8）安装在推进剂管路（9）上，与控制微阀（7）和过滤器（6）相连接；控制微阀（7）、过滤器（6）和节流器（8）是单独零件安装到阵列结构中；燃烧室-喷管组合（15）嵌在微推进阵列第三机体（3）中，定压贮箱（4）和燃烧室-喷管组合（15）单元之间由推进剂管路（9）和控制微阀（7）连接；燃烧室冷却通道（11）嵌在微推进阵列第四机体（10）与微推进阵列第二机体（2）中；推进剂喷嘴（12）嵌在微推进阵列第四机体（10）中；电子控制单元（14）的输出端连接寻址/控制电路（13）的输出端；

2.根据权利要求1所述的一种基于双组元微型化学推进阵列装置，其特征在于：所需推进单元结构的数量由需求决定；

3.根据权利要求1所述的一种基于双组元微型化学推进阵列装置，其特征在于：微推进阵列机体所用材料为陶瓷片。

Images