CN103921956A - 固体冷气微推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体冷气微推进系统。包括依次连接的储气室、电磁阀、微型电阻加热器，所述的储气室设置有压力传感器和多个氮气生成器，所述的微型电阻加热器由硅片和加热电阻构成，其中，硅片内设置通气槽和拉瓦尔形喷口，通气槽进气端与电磁阀连接，通气槽出气端与拉瓦尔形喷口连接，加热电阻设置在玻璃基底上，所述硅片与玻璃基底键合。本发明以固体氮气生成器取代高压储气罐储存氮气，大大减少了整个系统的体积和质量；在氮气从喷口喷出之前经过微型电阻加热器加热，达到一定的温度后再喷出，增加了氮气喷出后所产生的推力，提高了整个微推进系统的推进效率，且推力小，精度高。

Description

固体冷气微推进系统

技术领域

本发明涉及一种微推进系统，特别是一种固体冷气微推进系统，属于空间推进领域。

背景技术

近年来，为满足战略需求，各军事强国都在积极发展具备快速响应能力的微纳卫星。微纳卫星编队可实现传统大卫星的功能，如组成分布式SAR、通讯星座、导航星座、光学成像系统等，特别是在快速响应系统和应急系统中，其作用无可替代。微纳卫星编队飞行是指各卫星相互协同以实现单颗大卫星的功能。编队飞行卫星可以随时加入和退出，具有很高的自主性，系统具有很高的重构性、冗余性、安全可靠性，可降低对地球站的依赖。

微推进系统是微纳卫星的核心部件，用以实现微纳卫星的姿态控制、轨道转移和保持。微纳卫星的发展迫切需要配置能够提供高精度、小冲量、结构简单的微型推进系统，对整个微推进系统也提出了很多要求。一方面由于微纳卫星质量轻、体积小、高度集成化和自动化等特点，在一般的系统约束中，最明显的是质量和尺寸限制，因而为了适应微纳卫星的独特需求，必须显著降低推进系统的质量和尺寸。另一方面在微纳卫星完成某些特定任务时，要求实施控制的推进器单元能够在整个工作任务时间内稳定提供应有的控制精度和时长，且在工作期间具有高稳定度，能保持卫星精度的稳定控制。常规冷气推进系统一般由高压储气罐、放气阀、缓压储气罐、稳压组件、电磁阀、喷口和连接件等几部分组成，其工作原理是贮存在高压储气罐中的高压气体经过放气阀释放到缓压储气罐内经过稳压组件的减压和稳压，在控制系统给出指令后，电磁阀开启，气体经喷口喷出产生控制所需的推力。但是常规冷气推进系统配备有质量较大的高压储气装置，很难应用在一些微纳卫星上，并且气体储存在高压储气罐内，难以避免出现气体泄漏问题，因而不能应用于一些长期空间飞行任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体冷气微推进系统。

本发明的一种固体冷气微推进系统，包括依次连接的储气室、电磁阀、微型电阻加热器（Microresistojet），所述的储气室内设置有压力传感器和多个氮气生成器，所述的微型电阻加热器由硅片和加热电阻构成，其中，硅片内设置通气槽和拉瓦尔形喷口，通气槽进气端与电磁阀连接，通气槽出气端与拉瓦尔形喷口连接，加热电阻设置在玻璃基底上，所述硅片与玻璃基底键合。

所述的氮气生成器包括壳体、点火装置、点火装药、氮气发生剂和气体处理装置，所述点火装药、氮气发生剂、气体处理装置自上而下依次设置在壳体的药室内，所述点火装置固定在壳体的帽壳内并设置在点火装药上方，帽壳与药室固定。

上述氮气生成器中，所述气体处理装置包括气体处理层和金属过滤网，所述氮气发生剂与气体处理层连接。

上述氮气生成器中，所述氮气发生剂以重量百分数计，包括60-90%产气剂、5-20%粘结剂和5-20%化学冷凝剂，其中，产气剂为NaN₃，粘结剂为碱金属硅酸盐，优选硅酸钠或硅酸钾，化学冷凝剂为LiF。

上述氮气生成器中，所述气体处理层由细沙层和活性炭层组成，所述氮气发生剂与细沙层连接，所述的细沙层占氮气发生剂质量的10-40%，优选33%；所述的活性炭层占氮气发生剂质量的5-25%，优选17%。

上述氮气生成器中，所述气体处理层由2-3层微孔过滤网组成，微孔过滤网的孔径为50～300μm。

上述氮气生成器中，所述金属过滤网厚度为1mm，孔径为0.4mm。

上述微型电阻加热器中，所述通气槽的槽深为200μm，槽宽为100μm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.以固体氮气生成器取代高压氮气储气罐，大大减少了整个系统的体积和质量；

2.气体量可通过调节氮气生成器数量、结构和氮气发生剂质量进行调控；

3.在氮气从喷口喷出之前经过微型电阻加热器加热，达到一定的温度后再喷出，增加了氮气喷出后所产生的推力，提高了整个微推进系统的推进效率。

4.设计出的推进系统所产生的推力小，精度高，一般为毫牛量级，也可达到微牛量级，并且质量轻寿命长，可应用于微纳卫星长期空间飞行任务中。

附图说明

图1为本发明固体冷气微推进系统结构示意图。

图2为本发明氮气生成器结构图。

图3为本发明微型电阻加热器结构图（其中，a为硅片，b为玻璃基底）。

图4为本发明氮气生成器外型尺寸示意图。

图5为本发明储气室外型尺寸示意图（其中，a为盖子，b为腔体）。

具体实施方式

本发明中氮气生成器1的壳体分为帽壳和药室两部分，点火装置6固定在帽壳内，点火装药7、氮气发生剂8、气体处理装置9自上而下依次放置在药室内，其结构如图2所示。

点火装置6的选择可根据对所产气体纯度要求来选择，若对纯度要求不是很高，可选择一些烟火类点火装置（如点火头），若对气体纯度要求较高，可选择电阻丝或半导体桥这类MEMS点火元件。

药室内，装药的最上层为点火装药7，点火装置6触发后，首先点燃点火装药7，使其分解产生大量热点燃下层氮气发生剂8，提高点燃氮气发生剂8的可靠性。为了避免产生杂质气体，点火装药7选择放热量高、产气量少的铝热剂，配方可以是Al/CuO、Al/Fe₂O₃、Al/Mo₂O₃等。由于铝热剂感度高，在某些特殊情况下，为了降低点火装药7的感度、提高点火可靠性、提高氮气纯度，使用Al/Ni复合薄膜代替点火装药7。在Al/Ni复合薄膜两端连两根脚线，通电发火后可产生大量热，并且可通过调节Al/Ni复合薄膜的厚度来控制产热量的大小。该点火方式安全可靠，且薄膜所占体积小，这样便可适当增加氮气发生剂8的剂量。

药室内，装药的第二层为氮气发生剂8，该层装药最重要的特点是氮气发生剂8为多孔装药，孔隙率在20～80％，优选在30～60％，孔隙率的计算公式：

氮气发生剂8主要由产气剂，粘结剂，化学冷凝剂组成，还可添加少量的分解速率改性剂以及造渣提高剂。其中产气剂为NaN₃，其质量百分含量占氮气发生剂的60～90％。氮气发生剂8产气的主体反应为：

2NaN₃→2Na+3N₂↑

上述氮气发生剂8中，所述粘结剂是该氮气发生剂8比较重要的一个组分，其必须有较好的粘结性能，还必须要耐高温，在本发明中，选用碱金属硅酸盐作为粘结剂，优选硅酸钠（水玻璃）或硅酸钾，其质量百分含量在5～20％。

上述氮气发生剂8中，由于NaN₃的分解反应是放热反应，产生的气体温度比较高，本发明采用在氮气发生剂8内加入化学冷凝剂的方法降低分解生成的氮气温度。该化学冷凝剂采用惰性冷凝剂，在高温下不会分解产生杂质影响氮气纯度，同时比热容大于1705.5J/(kg·K)无机金属盐。在本发明中选用LiF作为化学冷凝剂。

上述氮气发生剂8中，可选择性地添加分解速率改性剂。分解速率改性剂不具有像冷凝剂那么高的热容，优选Fe₂O₃或NaCO₃，其含量在0～4％。

上述氮气发生剂8，为了使生成的残渣能够更好的粘结在一起，可选择性地添加造渣提高剂，选用SiO₂或金属磷酸盐，其含量在0～3％。

上述氮气发生剂8的配方如表1所示。

表1氮气发生剂配方

由于分解后会产生活性钠，遇水反应生成NaOH，可选择性地在氮气发生剂8下额外增加一层中和装药，优选硫，用来中和反应生成的活性钠或碱。

药室内，第三层为气体处理装置9。气体处理装置9包括气体处理层和金属过滤网。由于氮气发生剂8分解生成的氮气一般温度较高，且夹杂着固体杂质和水蒸气，因此在药柱下设置一层气体处理层。该层由一些惰性材料组成，如细沙和活性炭，用来过滤掉氮气中的杂质，并降低氮气的温度，细沙占氮气发生剂质量的10-40%，优选33％，活性炭占氮气发生剂质量的5-25%，优选17％。由于氮气生成器1应用于空间微推进系统中，为了避免上诉惰性材料在低重力情况下流动，降低冷凝过滤效果，因而也可选择使用2-3层不同孔径的微孔过滤网代替上诉惰性材料，微孔过滤网的孔径在50～300μm之间。

气体处理层下一层为金属过滤网，目的是为了防止药室内药剂从药室底部的喷口脱落下来，同时也对生成氮气起到过滤冷却的作用。金属过滤网的厚度为1mm左右，孔径为0.4mm。

整个药室装药顺序为：首先在药室底层设置气体处理装置9。气体处理装置9包括两部分，下层为金属过滤网，在金属过滤网上设置气体处理层。在气体处理层上装填氮气发生剂8，氮气发生剂8药柱最好在药室里压药，这样便减少了药柱与器壁之间的空隙，使生成的气体能够更加充分地从药柱间的孔隙穿过。氮气发生剂8上层装填点火装药7，可选择松装装填，保证点火装药7燃烧可靠性。

固体冷气微推进系统中，将氮气生成器1集成在储气室内，大大减小了整个系统的体积。生成的气体从氮气生成器1中排出后储存在储气室内，储气室内气压稳定在一个较低的气压范围。当储气室内压力低于该压力范围下限时，系统控制电路触发其中一个氮气生成器1，产生氮气。当压力高于该压力范围上限时，系统控制电路控制电磁阀3打开一段的时间，释放出多余的氮气。在放气过程中，当压力小于压力范围上限时，系统控制电路控制电磁阀3关闭。由于储气室内压力一直维持在一个较低的压力水平，因而降低了储气室气体泄漏率，增加了电磁阀3的寿命。电磁阀3在该系统中不仅能维持储气室内压力稳定，还起到控制推力大小的作用。系统工作时，通过控制电磁阀3打开的时间来控制气体排出量，最终获得不同大小的推力。

由于电磁阀3打开后排出的氮气，温度较低，产生的推力较小，因而在电磁阀3出口处设置微型电阻加热器4，使流经电磁阀3的气体经加热后排出，提高了整个系统的推进效率。最终从微型电阻加热器4（Microresistojet）中出来的氮气，经过拉瓦尔形喷口5，使气流从亚音速到音速，直至加速至跨音速喷出，大大提高了气体所产生的推力。

实施例

氮气生成器1的外型尺寸如图4所示。集成后的氮气生成器1内点火装置6选择点火头，点火头上所用点火药为产气量较少的斯蒂芬酸铅，在外层添加一层虫胶漆密封，防止受潮。药室内有两层药柱，最上层是点火装药7，本实施例采用铝热剂，配方为Al/CuO。下一层为氮气发生剂8，其配方如表2所示：

表2氮气发生剂配方

将称量好的NaN₃、LiF、Fe₂O₃（NaCO₃）、SiO₂混合均匀，NaSiO₃则溶于水中在50℃下恒温加热。将溶解好的NaSiO₃溶液加入到混合药剂中，搅拌均匀后放入恒温烘箱（60℃）中烘干。直至药剂中水分较少时取出，用20目标准筛造粒。将造完粒的氮气发生剂8放入真空烘箱中恒温（50℃）中直至药剂完全烘干。氮气发生剂8采用松装装药，装药量约为0.3g，孔隙率达到46％左右。最下层为气体处理装置9，气体处理装置9中，气体处理层的上层为细沙层，下层为活性炭层，活性炭层下方设置一块金属过滤网，厚度1mm，孔径0.4mm，其直径刚好为药室内径。药室内各层装药量如表3所示。

将氮气生成器1安装在储气室内，容积为40cm³，整个储气室由腔体与盖子组成，其外型尺寸如图5所示。

整个储气室可集成8个氮气生成器1，储气室中间安装压力传感器2以供测出生成氮气的压力。点火方式采用恒压点火，电压为5V，测出储气室内压力如表3所示。

表3压力测试结果

注：1号3号4号压力测试为测量单发氮气生成器点火后气室内压力；2号为两发氮气生成器点火后气室内压力；

将微型电阻加热器4和拉瓦尔形喷口5集成起来，从而简化系统的结构，集成后其结构图如图3所示。微型电阻加热器4由硅片和加热电阻两部分组成。在硅片的正面刻蚀氮气通气槽，见图3a，通气槽的槽深为200μm，槽宽为100μm，硅片末端刻蚀出拉瓦尔喷口5。硅片的背面镀上一层二氧化硅层，可起到保温的作用。玻璃基底一面镀有一层金属铂作为加热电阻，见图3b。玻璃基底镀有金属铂的一面覆盖在氮气通气槽上面。

拉瓦尔喷口5收敛角为15°，发散角为20°，喉部直径为15μm。通气槽入口处设置槽宽为250mm，方便与电磁阀连接。微型电阻加热器4可加热氮气温度达到约400℃。

整个系统结构示意图如图1所示。工作时，氮气生成器1接通电源，从而触发点火装置6加热点火装药7使其分解放出大量热。点火装药7产生的热量加热氮气发生剂8达到一定温度后分解产生氮气。生成的氮气储存在储气室内，系统工作时，安装在储气室上的电磁阀3打开，释放出所需要的氮气，气体经过系统中微型电阻加热器4升温至一定温度，最后从拉瓦尔喷口5喷出，产生推力。储气室内氮气的压力维持在0.3-0.8MPa的范围内，由安装在里面的微型压力传感器2来控制气体量。当压力大于0.8MPa时，电磁阀3打开，释放出多余的氮气。当压力低于0.3MPa时，系统接通电源，触发其中一个氮气生成器1产生气体。

氮气发生剂8采用配方一，用冲击摆推力测试系统（自制或市售）测试整个固体冷气微推进系统的推力。系统工作压力维持在0.3-0.8MPa，控制电磁阀打开时间为20ms。测试结果如表4所示。

表4推力测试结果

从表4数据可知，固体冷气微推进系统工作时，储气室内气压维持在一个较低的水平（0.40-0.45MPa），在电磁阀打开一定时间内（20ms），所产生的推力可达到毫牛级，且精度高，适用于微纳卫星的空间姿态轨道调控中。

Claims (9)

1.一种固体冷气微推进系统，其特征在于，包括依次连接的储气室、电磁阀、微型电阻加热器，所述的储气室设置有压力传感器和多个氮气生成器，所述的微型电阻加热器由硅片和加热电阻构成，其中，硅片内设置通气槽和拉瓦尔形喷口，通气槽进气端与电磁阀连接，通气槽出气端与拉瓦尔形喷口连接，加热电阻设置在玻璃基底上，所述硅片与玻璃基底键合。

2.根据权利要求1所述的固体冷气微推进系统，其特征在于，所述的氮气生成器包括壳体、点火装置、点火装药、氮气发生剂和气体处理装置，所述点火装药、氮气发生剂、气体处理装置依次设置在壳体的药室内，所述点火装置固定在壳体的帽壳内并设置在点火装药上方，帽壳与药室固定。

3.根据权利要求1或2所述的固体冷气微推进系统，其特征在于，所述气体处理装置包括气体处理层和金属过滤网，所述氮气发生剂与气体处理层连接。

4.根据权利要求3所述的固体冷气微推进系统，其特征在于，所述气体处理层由细沙层和活性炭层组成，所述氮气发生剂与细沙层连接，所述的细沙层占氮气发生剂质量的10-40%；所述的活性炭层占氮气发生剂质量的5-25%。

5.根据权利要求3所述的固体冷气微推进系统，其特征在于，所述气体处理层由2-3层微孔过滤网组成，微孔过滤网的孔径为50～300μm。

6.根据权利要求3所述的固体冷气微推进系统，其特征在于，所述金属过滤网厚度为1mm，孔径为0.4mm。

7.根据权利要求2所述的固体冷气微推进系统，其特征在于，所述氮气发生剂以重量百分数计，包括60-90%产气剂、5-20%粘结剂和5-20%化学冷凝剂，其中，产气剂为NaN₃，粘结剂为碱金属硅酸盐，化学冷凝剂为LiF。

8.根据权利要求7所述的固体冷气微推进系统，其特征在于，所述的粘结剂为硅酸钠或硅酸钾。

9.根据权利要求1所述的固体冷气微推进系统，其特征在于，所述通气槽的槽深为200μm，槽宽为100μm。