CN107740734A - 一种基于微尺度燃烧的自供能点火推进器 - Google Patents

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潘剑锋
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    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
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Abstract

本发明提供了一种基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，包括燃烧室、绝缘过滤器、光电池和点火装置；所述推进器内部空间分为燃烧室和拉法尔喷嘴，所述拉法尔喷嘴位于燃烧室尾部；所述点火装置安装在燃烧室前部，所述点火装置包括并联的若干点火电阻，所述点火电阻呈波浪型，且沿点火电阻中心向两端振幅递减；所述燃烧室外部两侧固定绝缘过滤器，所述绝缘过滤器为多层堆叠绝缘过滤器；所述绝缘过滤器上粘接光电池，所述光电池与蓄电池连接。本发明可以将微型推进器与光电池相结合，通过能量循环利用的方式解决基于微尺度燃烧的微型推进器中存在的散热大，能量利用率低等问题。

Description

一种基于微尺度燃烧的自供能点火推进器
技术领域
本发明涉及微型推进器技术领域和微尺度燃烧领域，特别涉及一种基于微尺度燃烧的自供能点火推进器。
背景技术
近年来，微型卫星的应用越来越受到各国航天界的重视与关注。微型卫星具有体积小、重量轻、技术含量高、研制周期短等优点。其在对地观测。立体成像、精确定位、大气监测等方面有着广泛的应用。但是微型卫星由于质量很小，并且能够提供的电源电压都不高，因此必须研究适合于微型卫星轨道保持、轨道机动与姿态控制用的高集成度、低功耗、小推力、微冲量的微型推进系统。其中以化学能为动力的微型推进器有着比冲高，能量密度大，成本低等优点。
然而，目前的小型化学能推进器燃烧室内化学能释放不稳定，造成推进器输出推力会有波动。当微型推进器阵列布置时，各个单元的工作状态又不尽相同，往往会产生冲量误差，开环状态下，这种误差往往很难补偿。而且由于推进器尺寸小，推力的检测限于空间的原因，测量难度大，难以实现以推力为对象的闭环调节。因此急需一种稳定推力的调节方式。
其次，基于化学燃烧的微型推进器由于面体比大，存在着隔热、温降等问题，燃烧产生的高温辐射无法有效利用，造成能量的浪费。这种情况在外太空的真空低温状态下愈加明显。同时现阶段微型推进器点火需要消耗卫星系统的能量，而微型卫星本身的能量有限，微型推进器点火的能量损耗也不容忽视。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，可以将TPV热光电转换装置与微型推进器进行结合，通过光电转换回收一部分燃烧耗散能量，将这部分电能用于燃烧室的点火。同时，光电转换产生的电流强度反应出燃烧强度，通过监测电流来实时调节燃烧室进气流量，进而达到稳定燃烧强度的效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，包括燃烧室、绝缘过滤器、光电池和点火装置；所述推进器内部空间分为燃烧室和拉法尔喷嘴，所述拉法尔喷嘴位于燃烧室尾部；所述点火装置安装在燃烧室前部，所述点火装置包括并联的若干点火电阻，所述点火电阻呈波浪型，且沿点火电阻中心向两端振幅递减；所述燃烧室外部两侧固定绝缘过滤器，所述绝缘过滤器为多层堆叠绝缘过滤器；所述绝缘过滤器上粘接光电池，所述光电池与蓄电池连接。
进一步，所述推进器材料为碳化硅；所述绝缘过滤器由硅和二氧化硅相互交错叠加组成。
进一步，还包括整流叶栅，所述整流叶栅设在燃烧室和拉法尔喷嘴之间。
进一步，所述光电池材料为耐高温材料，优先GaSb光电池。
进一步，还包括微冷却翅片，所述微冷却翅片粘接在所述光电池上。
进一步，所述点火电阻为薄膜电阻，所述薄膜电阻材料为Cr，所述薄膜电阻厚度为2.5～3μm。
进一步，所述薄膜电阻的宽度为50-80μm。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，将微型推进器与光电池相结合，通过能量循环利用的方式解决基于微尺度燃烧的微型推进器中存在的散热大，能量利用率低等问题。
2.本发明所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，光电池所产生的电流大小直接反映了燃烧室内的燃烧强度，可以利用光电池产生的电流信号，通过反馈电路的调节，实现燃烧内稳定燃烧，以保证微型推进器推力的稳定。
3.本发明所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，通过点火电阻呈波浪型，且沿点火电阻中心向两端振幅递减，可以以保证点火能量集中。
附图说明
图1为本发明所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器立体图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图2的B-B剖视图。
图4为本发明所述的薄膜电阻结构图。
图中：
1-燃烧室；2-绝缘过滤器；3-光电池；4-点火电阻；5-整流叶栅；6-微冷却翅片。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、图2和图3所示，本发明所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，包括燃烧室1、绝缘过滤器2、光电池3和点火装置；所述推进器内部空间分为燃烧室1和拉法尔喷嘴，所述拉法尔喷嘴位于燃烧室1尾部；所述点火装置安装在燃烧室1前部，所述点火装置包括并联的若干点火电阻4，所述点火电阻4呈S状的波浪型，且沿点火电阻4中心向两端振幅递减；所述燃烧室1外部两侧固定绝缘过滤器2，所述绝缘过滤器2为多层堆叠绝缘过滤器；所述绝缘过滤器2上粘接光电池3，所述光电池3与蓄电池连接。将微型推进器与光电池相结合，通过能量循环利用的方式解决基于微尺度燃烧的微型推进器中存在的散热大，能量利用率低等问题。
如图2所示，本发明实施例中所述燃烧室1由上层碳化硅片与下层碳化硅片拼接而成，下层碳化硅片上加工有拉法尔喷嘴，且拉法尔喷嘴与燃烧室使用一体式加工。燃烧室与拉法尔喷嘴中间开有深0.5mm、长5mm的槽，用于安装整流叶栅5，用于将湍流高温气体整合成层流气体，进入拉法尔喷嘴。所述整流叶栅14材质为不锈钢，其是由不锈钢块经线切割工艺加工而成。燃烧室1两侧有四个预混气体进气孔，四个进气口在燃烧室两侧对称布置，使预混气在燃烧室内均匀分布。燃烧室后部有供安装点火器的位置。所述绝缘过滤器2采用一种多层堆叠绝缘过滤器，它是用硅和二氧化硅相互叠加制成，再将其粘合至光电池上。这样可以对较长波长的光具有极高的反射性，而对波长较短波长的光又表现出极高的透射性。所述绝缘过滤器2的作用为将一部分能量低而不足以使光电池产生自由电子的光子反射回燃烧室，并将所有可以激发自由电子的光子透过至光电池，防止光电池发生过载。
所述光电池3为GaSb光电池，GaSb是一种耐高温材料，该光电池为一种低能带隙光电池，经试验测得其对0.3μm～2μm的量子效率平均达到0.75，可以充分利用燃烧室辐射中的长波能量；该光电池上安装有铝质微冷却翅片6，保证光电池在高温工况下工作的稳定性。光电池引线将连接电流信号采集器，产生的电能最后将流入蓄电池中。其中将光电池产生的电流连接至电流信号采集器的作用为：以光电池电流作为衡量燃烧室内燃烧强度的信号，利用反馈调节控制燃烧室内反应强度，保持反应强度稳定。GaSb光电池产生电能用于燃烧室预混气体点火。氢氧预混气体燃烧温度在1600K左右，在此温度范围内，装有绝缘过滤器2的GaSb光电池可以产生6W左右的功率，储存在蓄电池内。在下一次的喷射中，电能经过点火电阻4点燃预混气体。光电池所产生的电流大小直接反映了燃烧室内的燃烧强度，可以利用光电池产生的电流信号，通过反馈电路的调节，实现燃烧内稳定燃烧，以保证微型推进器推力的稳定。
结合图4，所述点火电阻4为薄膜电阻，所述薄膜电阻材料为Cr，所述薄膜电阻厚度为2.5～3μm，所述薄膜电阻的宽度为50-80μm。其电阻薄膜按照S型加工，薄膜之间留有相等间隙，越靠近电阻中间位置，薄膜长度越长，最终形成整体的菱形结构，以保证点火能量集中。点火电阻可以在20伏左右的低电压下，在通电瞬间加热到足够点燃预混气体的高温。但同时，要保证通电时间不能太长，否则会熔断电阻丝。点火电阻4共三组，并联连接，可以保证点火稳定性。防止因为其中某组电阻损坏造成点火失败。经试验测得，该点火装置的点火功率约为6W，而传统电火花式点燃方式的点火功率在70W以上。因此，该点火电阻4更加适用于微型卫星上的推进器点火。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，其特征在于，包括燃烧室(1)、绝缘过滤器(2)、光电池(3)和点火装置；所述推进器内部空间分为燃烧室(1)和拉法尔喷嘴，所述拉法尔喷嘴位于燃烧室(1)尾部；所述点火装置安装在燃烧室(1)前部，所述点火装置包括并联的若干点火电阻(4)，所述点火电阻(4)呈波浪型，且沿点火电阻(4)中心向两端振幅递减；所述燃烧室(1)外部两侧固定绝缘过滤器(2)，所述绝缘过滤器(2)为多层堆叠绝缘过滤器；所述绝缘过滤器(2)上粘接光电池(3)，所述光电池(3)与蓄电池连接。
2.根据权利要求1所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，其特征在于，所述推进器材料为碳化硅；所述绝缘过滤器(2)由硅和二氧化硅相互交错叠加组成。
3.根据权利要求1所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，其特征在于，还包括整流叶栅(5)，所述整流叶栅(5)设在燃烧室(1)和拉法尔喷嘴之间。
4.根据权利要求1所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，其特征在于，所述光电池材料为耐高温材料，优先GaSb光电池。
5.根据权利要求1所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，其特征在于，还包括微冷却翅片(6)，所述微冷却翅片(6)粘接在所述光电池(3)上。
6.根据权利要求1所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，其特征在于，所述点火电阻(4)为薄膜电阻，所述薄膜电阻材料为Cr，所述薄膜电阻厚度为2.5～3μm。
7.根据权利要求6所述的基于微尺度燃烧的自供能点火推进器，其特征在于，所述薄膜电阻的宽度为50-80μm。
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