CN104401507A - 一种冷气微推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷气微推进器，包括支撑层及贴合在所述支撑层表面的加热层，所述加热层朝向所述支撑层的一面具有一沟槽，所述沟槽与所述支撑层的表面形成一加热腔，以对进入所述加热腔中的气体进行加热，在所述加热层背向所述支撑层的表面上与所述加热腔对应位置设置有加热源，用于为所述加热腔加热，所述加热层还包括设置在所述加热腔两侧且贯穿所述加热层的开口，以形成隔离带，所述隔离带用于隔绝所述加热腔与所述加热层之间的热传导。本发明的优点在于，其加工工艺可实现性强，制作成本低，可靠性高，安装方便可靠和可实时检测加热温度。

Description

一种冷气微推进器

技术领域

本发明涉及推进器领域，尤其涉及一种用于微纳卫星的基于MEMS技术的冷气微推进器。

背景技术

推进系统是大多数航天器的关键子系统，主要用于航天器的轨道机动、姿态控制等。然而，近二十年来，在国际研制的微纳卫星（质量20kg左右）中几乎都不配备推进系统，或者只有极其有限的机动能力，这主要是因为传统的推进器体积和质量都很大，不适合微纳卫星的使用。然而，随着微纳卫星技术的发展及其应用领域的扩大，对微推进系统提出了越来越迫切的需求。微纳卫星的编队飞行，微纳卫星星座可以完成许多复杂昂贵的单个大卫星所无法完成的工作。如组成分布式星载载波雷达、卫星三维立体成像、高分辨率合成孔径对地遥感等等。要完成上述任务，就必然对卫星相对轨道位置的保持、高精度的姿态控制提出较高的要求，通常需要推进器脉冲冲量范围为10-9Ns~10-3Ns量级。

针对适用于微纳卫星的微推进器，目前国际上研究的种类主要有胶体微推进器，MEMS固体阵列微推进器，脉冲等离子微推进器，场致发射电推进器和冷气推进器，就性能和加工复杂度而言，场致发射电推进器和冷气推进器性能较高，加工难度低，但电推进器的电源系统复杂，并且有电荷羽流污染，相比之下，冷气推进器具有结构简单，安全和可靠性高等优点。不会对航天器产生电荷污染，而且功耗也比电推进器低。而基于MEMS（微机电系统）技术的冷气微推进器成本低、体积小、质量轻、集成度高，再加上推力分辨率高（小于10uN），可实现对卫星姿态的高精度控制，对其合理的使用还可以减少控制系统执行部件的数量，提高微纳卫星的集成度。

基于MEMS技术的冷气微推进器，正在被国际上许多公司和科研院校进行研发。但目前研发的基于MEMS技术的冷气微推进器无法同时做到加工容易，成本低，可靠性高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种冷气微推进器，其加工工艺可实现性强，制作成本低，可靠性高，安装方便可靠和可实时检测加热温度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种冷气微推进器，包括支撑层及贴合在所述支撑层表面的加热层，所述加热层朝向所述支撑层的一面具有一沟槽，所述沟槽与所述支撑层的表面形成一加热腔，以对进入所述加热腔中的气体进行加热，在所述加热层背向所述支撑层的表面上与所述加热腔对应位置设置有加热源，用于为所述加热腔加热，所述加热层还包括设置在所述加热腔两侧且贯穿所述加热层的开口，以形成隔离带，所述隔离带用于隔绝所述加热腔与所述加热层之间的热传导。

进一步，还包括分别设置在所述加热腔两端的进气口及喷嘴，用以提供气体进出加热腔的路径。

进一步，所述进气口贯穿所述加热层，以允许气体进入所述加热腔。

进一步，还包括一进气机械接口，所述进气机械接口包括一本体及贯穿所述本体的通孔，所述本体通过一密封圈设置在所述加热层背向所述支撑层的表面上，且所述通孔与所述进气口对应，以将外部气体导入所述进气口中，所述密封圈用于防止气体泄漏。

进一步，所述喷嘴采用收缩-扩张的构型，用于提供推力。

进一步，还包括设置在所述隔离带同一侧和/或两侧的与所述加热源电连接的至少两个加热源焊盘，所述加热源焊盘用于与外部构件连接，以为所述加热源供电。

进一步，包括四个加热源焊盘，所述四个加热源焊盘可用于测量加热源的电阻，以得到加热源的实时温度，进而实时监测加热源的温度。

进一步，所述冷气微推进器可与一印刷电路板连接，所述印刷电路板上的焊盘通过导线与所述加热源焊盘连接，以保护所述加热源焊盘免受损坏。

进一步，所述加热源与所述加热层间设置有绝缘层，以使所述加热源与所述加热层绝缘。

进一步，还包括贯穿所述支撑层及加热层的固定孔，用于将所述冷气位推进器固定在外部构件上。

本发明的优点在于：

（1）制作工艺容易实现，制作成本低。本发明冷气微推进器在加热腔上表面设置热源，可利用溅射工艺，制作工艺更容易实现，而且通过在加热腔两侧设隔离带，防止热损失，提高加热效率。

（2）可靠性高，可实时检测加热温度的有益效果。本发明支撑层与加热层连接面积大，连接强度高，气密性好，易于进行后续工程化中的振动测试。且通过在加热腔两侧设隔离带，防止热损失，提高加热效率，可以达到既不损失加热腔的加热效率，又可以提高其连接质量的目的。且加热层面积增大，可设计面积较大的加热源焊盘，使得后续引线牢固。同时，在进气口机械结构的设计上，现有技术中将进气口加工在支撑层与加热层连接面的侧面，导致进气口很小，只能采用针式的进气管插入到该进气口，然后用胶将四周封堵，防止气体泄漏。胶体封装会导致可靠性大幅度降低。而本发明将进气口开在了支撑层与加热层连接面正面，这样方便用压紧密封圈的方式进行密封，该设计针对后续工程化中的振动测试，可靠性高。

（3）安装方便可靠。在设计了贯穿支撑层和加热层的固定孔用于进行后续的安装固定，并将芯片直接安装在了控制电路印刷电路板上，增加了后续推进系统的集成度。

附图说明

图1是本发明冷气微推进器的一个角度的结构示意图；

图2是本发明冷气微推进器的另一个角度的结构示意图；

图3是图1中A-A向剖视示意图；

图4是本发明冷气微推进器的加热层的结构示意图；

图5是本发明冷气微推进器设置在印刷电路板上的结构示意图；

图6是图5示意图的爆炸示意图；

图7是图5中B-B向截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种冷气微推进器的具体实施方式做详细说明。

图1是本发明冷气微推进器的一个角度的结构示意图，图2是本发明冷气微推进器的另一个角度的结构示意图，图3是图1中A-A向剖视图。参见图1、图2及图3，本发明提供的冷气微推进器包括支撑层10及贴合在所述支撑层10表面的加热层20。所述支撑层10与所述加热层20可采用键合的方式连接。所述支撑层10的材料可以为硅或者玻璃，所述加热层20的材料可以为硅。在本具体实施方式中，所述冷气微推进器由玻硅键合而成，所述玻璃采用键合专用的派热克斯玻璃（Pyrex玻璃），可承受800摄氏度的高温，足够承受所述加热源40的加热温度。

图4是本发明冷气微推进器的加热层20的结构示意图。参见图3及图4，所述加热层20朝向所述支撑层10的一面具有一沟槽201，所述沟槽201与所述支撑层10的表面形成一加热腔30，以对进入所述加热腔30中的气体进行加热。

参见图1及图3，在所述加热层20背向所述支撑层10的表面上与所述加热腔30对应位置设置有加热源40，用于为所述加热腔30加热。所述加热源40可以为金属材料制成，例如，铝、金。所述加热源40可采用溅射的方法形成在所述加热腔30的对应位置，用于为所述加热腔30加热。

所述加热层20还包括设置在所述加热腔30两侧且贯穿所述加热层20的开口，以形成隔离带204，所述隔离带204用于隔绝所述加热腔30与所述加热层20之间的热传导，提高加热腔30的加热效率。

所述冷气微推进器为所述支撑层10及加热层20提供了较大的键合面积，使得所述支撑层10及加热层20键合强度高，气密性好，易进行后续工程化中的振动测试。且采用隔离带204结构，可以既不损失加热腔30的加热效率，又可以提高所述支撑层10及加热层20的键合质量。

所述冷气微推进器还包括分别设置在所述加热腔30两端的进气口202及喷嘴203，用以提供气体进出加热腔30的路径。

所述进气口202贯穿所述加热层20，以允许气体进入所述加热腔30。现有技术中，一般将所述进气口设置在支撑层10与加热层20连接的侧面，导致进气口很小，只能采用针式的进气管插入到所述进气口，然后用胶将四周封堵，防止气体泄漏。胶体封装会导致可靠性大幅度降低。本发明所述冷气微推进器将进气口202设置在支撑层10与加热层20连接的正面，这样方便用压紧密封圈的方式进行密封，该设计针对后续工程化中的振动测试，可靠性高。

所述喷嘴203采用收缩-扩张的构型，用于提供推力，将通过加热腔30加热的气体喷出。所述收缩-扩张的尺寸本发明不进行限定。

参见图1，所述冷气微推进器还包括设置在所述隔离带204同一侧和/或两侧的与所述加热源40电连接的至少两个加热源焊盘50，所述加热源焊盘50用于与外部构件，例如PCB板连接，以为所述加热源40供电。在本具体实施方式中，包括四个加热源焊盘50，其中一个加热源焊盘50接正电压，一个加热源焊盘50接地，另外两个加热源焊盘50接电流表（附图中未标示）。等于一个加热源40引出了4个端，用于进行四线法或电桥法测电阻，再用电阻和加热源40的温度系数的乘积得出加热源40的实时温度，相当于一个温度传感器，用于实时监测加热源40的温度。进一步，所述加热源40及加热源焊盘50与所述加热层20间设置有绝缘层（附图中未标示），以使所述加热源40及加热源焊盘50与所述加热层20绝缘。

进一步，所述冷气微推进器还包括贯穿所述支撑层10及加热层20的固定孔70，用于将所述冷气位推进器固定在外部构件上，例如印刷电路板上。例如，可采用螺栓结构穿过所述固定孔70，将所述冷气微推进器固定在印刷电路板上。在本具体实施方式中，设置有六个固定孔70。

图5是本发明冷气微推进器设置在印刷电路板上的结构示意图，图6是图5示意图的爆炸示意图，图7是图5中B-B向截面示意图。参见图5、图6及图7，所述印刷电路板80用于支撑和安装所述冷气微推进器，便于所述冷气微推进器和后续的控制芯片集成到一张印刷电路板上，提高集成度。所述冷气微推进器包括一进气机械接口60。所述进气机械接口60包括一本体61及贯穿所述本体61的通孔62。所述本体61通过一密封圈63设置在所述加热层30背向所述支撑层10的表面上，且所述通孔62与所述进气口202对应，以将外部气体导入所述进气口202中，所述密封圈63用于防止气体泄漏。所述通孔62设置有内螺纹，用于和后续的快接插头（附图中未标示）连接。

在进气机械接口60的本体61上设置有通孔64，所述通孔64与贯穿所述支撑层10及加热层20的固定孔70相通，可采用螺栓结构穿过所述通孔64及固定孔70，将所述冷气微推进器固定在印刷电路板80上，且通过上下螺栓紧固力来加紧密封圈63，防止气体泄漏。

进一步，所述印刷电路板80上的焊盘81通过导线与所述加热源焊盘50连接，从而加热源焊盘50可通过印刷电路板80的焊盘81与外部电接触，起到间接保护加热源焊盘50的目的，以使所述加热源焊盘50免受损坏。

所述冷气微推进器可采用丁烷，氮气等推进剂设计，气体经由贮气罐、电磁阀和流量控制阀进入所述冷气微推进器的进气口202之前，需先将加热腔30加热到一定温度，加热之后气体再经过加热腔30加热，由收缩-扩张构型的喷嘴203喷出，产生推力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种冷气微推进器，其特征在于，包括支撑层及贴合在所述支撑层表面的加热层，所述加热层朝向所述支撑层的一面具有一沟槽，所述沟槽与所述支撑层的表面形成一加热腔，以对进入所述加热腔中的气体进行加热，在所述加热层背向所述支撑层的表面上与所述加热腔对应位置设置有加热源，用于为所述加热腔加热，所述加热层还包括设置在所述加热腔两侧且贯穿所述加热层的开口，以形成隔离带，所述隔离带用于隔绝所述加热腔与所述加热层之间的热传导。

2.根据权利要求1所述的一种冷气微推进器，其特征在于，还包括分别设置在所述加热腔两端的进气口及喷嘴，用以提供气体进出加热腔的路径。

3.根据权利要求2所述的一种冷气微推进器，其特征在于，所述进气口贯穿所述加热层，以允许气体进入所述加热腔。

4.根据权利要求3所述的一种冷气微推进器，其特征在于，还包括一进气机械接口，所述进气机械接口包括一本体及贯穿所述本体的通孔，所述本体通过一密封圈设置在所述加热层背向所述支撑层的表面上，且所述通孔与所述进气口对应，以将外部气体导入所述进气口中，所述密封圈用于防止气体泄漏。

5.根据权利要求2所述的一种冷气微推进器，其特征在于，所述喷嘴采用收缩-扩张的构型，用于提供推力。

6.根据权利要求1所述的一种冷气微推进器，其特征在于，还包括设置在所述隔离带同一侧和/或两侧的与所述加热源电连接的至少两个加热源焊盘，所述加热源焊盘用于与外部构件连接，以为所述加热源供电。

7.根据权利要求6所述的一种冷气微推进器，其特征在于，包括四个加热源焊盘，所述四个加热源焊盘可用于测量加热源的电阻，以得到加热源的实时温度，进而实时监测加热源的温度。

8.根据权利要求6所述的一种冷气微推进器，其特征在于，所述冷气微推进器可与一印刷电路板连接，所述印刷电路板上的焊盘通过导线与所述加热源焊盘连接，以保护所述加热源焊盘免受损坏。

9.根据权利要求1所述的一种冷气微推进器，其特征在于，所述加热源与所述加热层间设置有绝缘层，以使所述加热源与所述加热层绝缘。

10.根据权利要求1所述的一种冷气微推进器，其特征在于，还包括贯穿所述支撑层及加热层的固定孔，用于将所述冷气位推进器固定在外部构件上。