CN104989552B - 一种基于3d打印技术的微型固体火箭发动机结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的微型固体火箭发动机结构，包括三喷头打印机，打印机在每一截面上打印设计实体的不同材料，将壳体、药柱、金属点火器打印成一体结构；壳体由燃烧室、喷管、前封头组成，喷管有收敛段和扩张段，金属点火器位于燃烧室内表面，金属点火器的引线从前封头引出，独立寻址的连接到控制芯片上，激发不同数量的金属点火器，金属点火器直接点燃燃烧室内的药柱。金属点火器采用铜质材料,药柱为固体推进剂材料的任一种。微型固体火箭发动机结构点火容易，密封可靠；发动机结构简单,且总冲较高。微型发动机阵列由多个大小相同的微型发动机等间距排列布局打印在一起，操作简捷，工艺周期短。

Description

一种基于3D打印技术的微型固体火箭发动机结构

技术领域

本发明属于微型固体火箭发动机结构设计领域，具体地说,涉及一种基于3D打印技术的微型固体火箭发动机结构。

背景技术

微型航天器附带的微型固体火箭发动机需要能够进行高精度站点跟踪、姿态控制、重力补偿和轨道调整，传统的微型发动机不能达到所需的推力精度和空间要求。在过去的几十年里，微型发动机技术一直是热门的研究领域，在众多的研究项目中，对传统的微型发动机进行缩小研究其可行性。曾经发展了几种微型发动机技术，如:微电推进技术，微冷气推进技术，微激光等离子体推进技术，它们可提供10^-8N·s～10N·s的推力脉冲，能为航天器提供精确的控制，但其体积和重量始终不能满足要求，限制了它们在微小卫星上的使用。3D打印技术的兴起，则很好的解决了微型发动机体积和质量过大的问题。通过3D打印技术直接打印出一体的微型发动机，减少了微型发动机的消极质量，有效的提高了微型发动机的性能。且由于微型发动机是一体打印的，微型发动机的密封性更好，安全性更高。针对微型固体发动机只能工作一次的不足，采用一块阵列上集成多个可独立寻址的微型发动机来解决。通过调整每次单元发动机不同工作数量，来调整总冲量，产生10^-8N·s～10N·s的脉冲，以能满足微型航天器的控制要求。

美国的E.V.Mulerjee等人研制成功了基于硅阵列的电阻式电热推力器,即液体微化学推进器。工作原理是通过电阻加热一个利用微加工制造的微蒸发室内的流体，产生蒸汽，当蒸汽喷出喷管时产生推力。但这种微型火箭发动机存在的不足是:

1.蒸汽倾向于凝结或固化在推进剂管路中或喷嘴处。

2.有较复杂的微型管路系统，降低了系统的可靠性。

国内清华大学陈旭鹏等人研制的微型固体火箭发动机,是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。但微型固体火箭发动机存在一些缺陷:

1.喷管尺度小，且要分为3层，结构复杂，对工艺要求高。

2.点火器安装在喉部，安装困难；点火电阻丝引线导出困难。

3.微型发动机喉部直径较小，顶板和中层板的对齐和粘合比较困难。

美国Honeywell中心和Princeton大学合作研究的MEMS兆单元微型推进阵列。MEMS推进阵列由集成在1.3in×1.3in硅片上的间距为51μm×51μm的512×512个独立的推进单元阵列组成。每个单元都有独立的加热丝，加热丝同轴排列在注有燃料的药室上方，并与RICMOS电路集成为一体，使得每个单元都可单独寻址，并点火工作。点火采用两级方案使燃料燃烧引爆产生推力，首先加热1ng的热爆斯蒂酚酸，斯蒂酚酸爆燃释放出大量热量，利用热量引燃上方空腔中的硝化纤维混合物，使其迅速气化并喷射出来，进而产生推力。然而，基于MEMS工艺的微型发动机存在的问题是:

1.MEMS工艺制造的喷管是方形的，气动特性较差。

2.点火器只能安装在前封头上。

3.喷管层与燃烧室层带电键合时，有可能让燃烧室层内部的装药发生爆炸，安全性差。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于3D打印技术的微型固体火箭发动机结构。该发动机结构简单且总冲较高，密封可靠，点火容易，操作简便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:基于3D打印技术的微型固体火箭发动机结构，包括三喷头打印机，打印机在每一截面上打印设计实体的不同材料，其特征在于壳体、药柱、金属点火器打印成一体结构，壳体包括燃烧室、喷管、前封头，喷管有收敛段和扩张段，金属点火器位于燃烧室内表面，金属点火器的引线从前封头引出，独立寻址的连接到控制芯片上，以激发不同数量的金属点火器，金属点火器直接点燃燃烧室内的药柱；金属点火器采用铜质材料；药柱为固体推进剂的任意一种。

有益效果

1.相较于传统微型发动机各部件分开加工，装配繁琐的过程，本发明的微型固体火箭发动机结构较为简单，喷管、点火器、燃烧室和前封头为一个不可分的整体，密封可靠，工艺周期短。

2.金属点火器的位置是任意的，可打印在前封头和燃烧室内壁面上，打印在发动机前封头和内壁的金属点火器可在短时间内实现装药的全面燃烧。

3.喷管的横截面是圆形的，气动参数稳定。

4.喷管可设计成曲面喷管，提高了发动机的推力。

5.发动机是一整体结构，密封性好。

6.微固体发动机阵列可以点火不同数量的单元发动机来实现所需冲量，由于单元发动机数量众多，故微固体发动机阵列可工作几百次。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于3D打印技术的微型固体火箭发动机结构作进一步详细说明。

图1为本发明微型固体火箭发动机阵列布局示意图。

图2为本发明微型固体火箭发动机剖视图。

图中:

1.壳体 2.药柱 3.金属点火器

具体实施方式

本实施例是一种基于3D打印技术的微型固体火箭发动机结构。

区别于传统微型发动机前封头、燃烧室、喷管以及药柱分开加工，然后进行装配的加工工艺，本实施例所有部件都是一起打印出来的，是一个密闭的实体。根据所使用材料的不同，本实施例设计的微型固体火箭发动机结构由壳体1、金属点火器3和药柱2三部分组成。壳体1包括燃烧室、喷管、前封头，均由硅材料制成；喷管有收敛段和扩张段；金属点火器3由铜导体金属材料制成；药柱2为任意一种固体推进剂；壳体1、金属点火器3和药柱2为一整体结构。

微型固体火箭发动机工作原理:是用位于燃烧室内表面上的金属点火器直接点燃燃烧室内的药柱，药柱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。

参阅图1、图2,本实施例中需要三个喷头的打印机，打印机在每一个截面上打印上设计实体的不同材料，打印每一部分时要有一定的时间间隔，以确保打印过程的安全。

本实施例微型固体火箭发动机阵列,是由多个大小相同的微型发动机等间距排列布局；各个微型发动机壳体的前封头部分打印在一起。金属点火器的引线从前封头引出，独立寻址的连接到控制芯片上，按照微型航天器工作的要求，激发不同数量的金属点火器，以达到控制推力的目的。

本实施例中,壳体1、药柱2和金属点火器3打印成一体结构。打印开始后，首先打印的是前封头部分，在前封头部分需要壳体1和金属点火器3两种打印材料；接着打印燃烧室，在燃烧室部分的前段需要壳体1、金属点火器3和药柱2三种打印材料，之后的燃烧室部分的后段以及喷管部分需要壳体1的打印材料。

微型固体火箭发动机制作过程:

1.完成微型固体火箭发动机的设计。

2.将设计完成的微型固体火箭发动机模型转成特殊的格式，再导入到3D打印机中。

3.将微型固体火箭发动机的壳体、药柱和金属点火器三部分与3D打印机的三个喷头一一对应，并在喷头内装入各自的材料。

4.进行3D打印机工作前的调试过程。

5.开始打印，3D打印机层层打印，最后将完整一体的微型固体火箭发动机打印出来。

Claims (1)

1.一种基于3D打印技术的微型固体火箭发动机结构，采用三喷头打印机在每一截面上打印设计实体的不同材料，其特征在于:壳体、药柱、金属点火器打印成一体结构，壳体包括燃烧室、喷管、前封头，喷管有收敛段和扩张段，金属点火器位于燃烧室内表面，金属点火器的引线从前封头引出，独立寻址的连接到控制芯片上，以激发不同数量的金属点火器，金属点火器直接点燃燃烧室内的药柱；金属点火器采用铜质材料；药柱为固体推进剂的任意一种。