CN102650245A - 一种微型固体火箭发动机 - Google Patents

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刘凯
张斌
吴素丽
刘迎吉
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Abstract

本发明公开了一种微型固体火箭发动机，其结构由四部分组成：包括喷管层、点火电阻丝、燃烧室层和端盖层；其中喷管层和燃烧室层粘合在一起；点火电阻丝和喷管层粘合在一起；燃烧室层与端盖层粘合在一起；喷管层、燃烧室层和端盖层均通过MEMS技术由硅片制成；组成的若干微型固体火箭发动机集成在一块芯片上。本发明微型固体火箭发动机结构较为简单，喷管为一个不可分的整体，对工艺要求较低，易于加工；安装操作方便，并且具有较高的总冲。

Description

一种微型固体火箭发动机
技术领域
本发明涉及涉及一种火箭发动机，具体地说，涉及一种微型固体火箭发动机，属于固体火箭发动机技术领域，应用于微小型航天器的轨道调整、引力补偿、位置保持、轨道机动及姿态控制方面。
背景技术
微型固体火箭发动机是基于MEMS技术和其它精细加工技术的一类固体推进剂微推力器，适用于微型航天器的精确定位和姿态控制。与液体化学推力器相比，固体推进剂贮存在常压条件下，使得固体推进剂推力器可省去贮箱、供应管路和微阀等复杂系统。同时，也使得固体推进剂推力器便于利用MEMS等微制造技术进行微型化。针对固体推进剂推力器可重复性差，单个发动机只能一次性工作的缺点，采用一块芯片上集成多个可独立寻址的微推力器来解决。通过将推力大小不同的推力器集成在一起，产生10-6-10Ns的脉冲，以能够满足微型航天器的控制要求。
清华大学陈旭鹏等人研制的微型固体火箭发动机，是一种化学推力器系统结构。每一微型固体推进单元包括工质贮腔、收敛扩散喷管和点火器。相应地，整个器件由三个板状部件叠合而成。但是，这种微型固体火箭发动机存在一些问题：
1)喷管尺寸小，并且要分为3层，结构复杂，对工艺要求较高。
2)点火器安装在微型发动机的喉部，安装困难，且点火电阻丝引线导出困难。
3)微型发动机的喉部直径较小，使得顶板和中层板的对齐和粘合工艺比较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构较为简单，易于加工，安装操作方便，并且具有较高的总冲的微型固体火箭发动机。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该微型固体火箭发动机结构由四部分组成：包括喷管层、点火电阻丝、燃烧室层和端盖层；其中喷管层，燃烧室层和端盖层均通过MEMS技术由硅片制成。组成的若干微型固体火箭发动机集成在一块芯片上。
所述的喷管层内部由喷管喉部和扩张段两部分构成，喷管层内部的喷管喉部为正方形，扩张段出口亦为正方形。燃烧室层内部包含燃烧室，燃烧室直径为燃烧室长度的一半。端盖层为厚度一定的光滑硅片。喷管层后端和燃烧室层前端沿直径方向相对应的位置刻有细凹槽，将细凹槽刻成半圆形状，细凹槽的深度为点火电阻丝直径的2/3。
安装时先将点火电阻丝连线固定在喷管层后端的细凹槽内，将点火电阻丝与喷管喉部中心对齐，再将点火电阻丝与喷管层喉部粘合在一起。点火电阻丝被直接放置在喷管与燃烧室接口处，取消了点火药包；装药直接与点火电阻丝接触，有利于装药点火并充分燃烧从而产生较大的冲量。
其次再将喷管层和燃烧室层中心对齐粘合在一起，同时使点火电阻丝连线也镶嵌在燃烧室层前端的凹槽内，此时喷管层后端和燃烧室层前端的细凹槽将完全对齐。然后向燃烧室内加装推进剂。最后将燃烧室层与端盖层对齐粘合在一起，构成完整的微型火箭发动机结构。
本装置工作原理是用位于发动机前端的点火电阻丝直接点燃燃烧室内的装药，装药在燃烧室内燃烧产生高温高压气体将化学能转化为内能，高温高压气体由喷管喷出将内能转化为动能，进而产生推力。
本发明的有益效果是：本发明微型固体火箭发动机结构较为简单，喷管为一个不可分的整体，结构简化，对工艺要求较低，易于加工；安装操作方便，并且具有较高的总冲。微型固体火箭发动机的喷管层，燃烧室层和端盖层均通过MEMS技术由硅片制成；组成的若干微型固体火箭发动机集成在一块芯片上。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种微型固体火箭发动机作进一步详细说明。
图1为本发明微型固体火箭发动机的点火电阻丝。
图2为本发明微型固体火箭发动机集成芯片。
图3为本发明微型固体火箭发动机剖面图。
图中：
1.喷管层  2.点火电阻丝  3.燃烧室层  4.端盖层
图4为公知微型固体火箭发动机结构示意图。
具体实施方式
本实施例是一种微型固体火箭发动机。该微型固体火箭发动机结构由四部分组成，包括：喷管层1、点火电阻丝2、燃烧室层3和端盖层4；其中，喷管层1和燃烧室层3粘合在一起；点火电阻丝2和喷管层粘合在一起；燃烧室层3与端盖层4粘合在一起的。喷管层，燃烧室层和端盖层均通过MEMS技术由硅片制成；组成的若干微型固体火箭发动机集成在一块芯片上。
如图1所示，本发明微型固体火箭发动机的点火电阻丝2连线镶嵌在刻有细凹槽的喷管层1后端与燃烧室层3前端沿直径方向相对应的位置，将点火电阻丝与喷管喉部中心对齐，并将点火电阻丝2与喷管层1喉部粘合在一起，喷管层1后端与燃烧室层3前端的细凹槽完全对齐，点火电阻丝2直接点燃燃烧室内的装药。
图2、图3展示了本发明微型固体火箭发动机的基本结构。将喷管层1和燃烧室层3中心对齐粘合在一起；将点火电阻丝与喷管喉部中心对齐，点火电阻丝2与喷管层喉部粘合在一起，燃烧室层3与端盖层4粘合在一起。喷管层，燃烧室层和端盖层均通过MEMS技术由硅片制成，集制成在一块芯片上。
微型固体火箭发动机制作过程：
(1)分别加工出符合工艺要求的喷管层，点火电阻丝，燃烧室层(其前端刻有细凹槽)和端盖层。
喷管层，燃烧室层和端盖层均通过MEMS技术由硅片制成。其中喷管内部由喷管喉部和扩散段两部分构成，喷管喉部是边长为50微米的正方形，扩张段出口为边长253微米的正方形，扩张角为35.3度，喷管层厚度为500微米。燃烧室层内部包含燃烧室，燃烧室直径为燃烧室长度的一半，燃烧室直径为500微米，燃烧室长度为1000微米。端盖层唯一厚度为300微米的光滑硅片。喷管层后端和燃烧室层前端沿直径方向相对应的位置刻有细凹槽，细凹槽刻成半圆形状，细凹槽的深度为点火电阻丝直径的2/3。
(2)首先将点火电阻丝连线固定在喷管层后端的细凹槽内，再将点火电阻丝与喷管层喉部粘合在一起，并将点火电阻丝与喷管喉部中心对齐；点火电阻丝被直接放置在喷管与燃烧室接口处，取消了点火药包。
(3)将喷管层和燃烧室层中心对齐粘合在一起，同时将点火电阻丝连线镶嵌在燃烧室层前端的凹槽内，并将喷管层后端与燃烧室层前端的细凹槽完全对齐。
(4)向燃烧室内加装推进剂；推进剂直接与点火电阻丝接触，有利于装药点火并充分燃烧从而产生较大的冲量。
(5)将燃烧室层与端盖层对齐粘合在一起。
(6)结构完整的微型固体火箭发动机制作完成。
图4为前面背景技术部分所提到的公知的一种化学推力器系统结构。每一微型固体推进单元包括工质贮腔、收敛扩散喷管和点火器。整个器件由三个板状部件叠合而成。

Claims (5)

1.一种微型固体火箭发动机，包括喷管层、点火电阻丝、燃烧室层和端盖层，其特征在于：组成的若干微型火箭发动机集成在一块硅芯片上。
2.根据权利要求1所述的微型固体火箭发动机，其特征在于：所述的喷管层内部由喷管喉部和扩张段组成，喷管喉部为正方形，扩张段出口亦为正方形。
3.根据权利要求1所述的微型固体火箭发动机，其特征在于：所述的燃烧室层内部包含燃烧室，燃烧室直径为燃烧室长度的一半。
4.根据权利要求1所述的微型固体火箭发动机，其特征在于：所述的喷管层后端和燃烧室层前端沿直径方向相对应的位置刻有细凹槽，细凹槽呈半圆形状，细凹槽的深度为点火电阻丝直径的2/3。
5.根据权利要求1所述的微型固体火箭发动机，其特征在于：所述的点火电阻丝镶嵌在喷管层后端与燃烧室层前端的细凹槽内，点火电阻丝与喷管喉部中心对齐粘合在一起；喷管层与燃烧室层中心对齐粘合在一起；燃烧室层与端盖层对齐粘合在一起。
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