RU2498103C1 - Microelectromechanical rocket engine - Google Patents

Microelectromechanical rocket engine Download PDF

Info

Publication number
RU2498103C1
RU2498103C1 RU2012128950/06A RU2012128950A RU2498103C1 RU 2498103 C1 RU2498103 C1 RU 2498103C1 RU 2012128950/06 A RU2012128950/06 A RU 2012128950/06A RU 2012128950 A RU2012128950 A RU 2012128950A RU 2498103 C1 RU2498103 C1 RU 2498103C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
engine
combustion chamber
microelectromechanical
metal conductors
Prior art date
Application number
RU2012128950/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Юрьевич Цыганков
Григорий Львович Павлов
Константин Павлович Лихоеденко
Андрей Борисович Борзов
Виктор Борисович Сучков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority to RU2012128950/06A priority Critical patent/RU2498103C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2498103C1 publication Critical patent/RU2498103C1/en

Links

Landscapes

  • Micromachines (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: microelectromechanical rocket engine is made in the form of a structure, from semiconductor silicon crystals, arranged one above another, in one of which there is a combustion chamber with a fuel element, and comprises a unit of fuel ignition with metal conductors. The combustion chamber with the fuel element is made in the form of nanocrystalline porous silicon with depth of not more than 60 mcm, pores of which are saturated by hydrogen and doped potassium nitrate. In the second plate there is a nozzle arranged symmetrically to the nanocrystalline porous silicon and coupled with it via metal conductors.
EFFECT: simplification and cheapening of a process of engine manufacturing, provision of high reliability of an engine according to parameters associated with engine operation: temperatures, mechanical loads, mode of engine operation and provision of normal gas dynamic function as a result of the proposed design and fuel.
1 dwg

Description

Изобретение относится к космической ракетной технике, а именно к созданию ракетных двигателей нового поколенияThe invention relates to space rocket technology, and in particular to the creation of a new generation of rocket engines

Микромеханический ракетный двигатель предназначен для использования в составе космических разгонных блоков наноспутников.The micromechanical rocket engine is intended for use as a part of space upper stages of nanosatellites.

Известны ракетные двигатели, содержащие работающие на экологически чистом криогенном топливе, состоящем из жидкого кислорода (окислитель) и жидкого водорода (горючее). Это топливо является наиболее эффективным на втором этапе полета, что обусловлено повышенными энергетическими характеристиками жидкого водорода при относительно малом, ввиду его низкой плотности, потребном весовом запасе (см. патент РФ №2397116, от 30.01.2009, МПК B64G 1/00).Known rocket engines containing running on environmentally friendly cryogenic fuel, consisting of liquid oxygen (oxidizing agent) and liquid hydrogen (fuel). This fuel is the most effective at the second stage of the flight, which is due to the increased energy characteristics of liquid hydrogen at a relatively low density due to its low density (see RF patent No. 2397116, January 30, 2009, IPC B64G 1/00).

Известно также решение, в котором реактивная сила для движения ракеты вырабатывается двигателем, состоящим из рабочей камеры с соплом и элементом (топлива) использующим эффект взрыва для создания реактивной силы (см. кн. Володина В.А. Конструкция и проектирование ракетных двигателей, изд. «Машиностроение», М., 1971 г., стр.44).A solution is also known in which the reactive force for rocket movement is generated by an engine consisting of a working chamber with a nozzle and an element (fuel) using the explosion effect to create reactive force (see Prince Volodina, V.A. Design and Design of Rocket Engines, ed. "Engineering", M., 1971, p. 44).

Однако, данное решение не получило своего развития.However, this decision has not been developed.

Известно решение, являющееся наиболее близким, в котором микроэлектромеханический ракетный двигатель состоит из блока камеры сгорания, сопла, воспламенителя, блока подачи электрического импульса для воспламенения и уплотнительной пластины, выполненные из монокристаллического кремния (патент US 6378292 B1, F02K 9/42, опубл. 30.04.2002 г.).The closest solution is known, in which the microelectromechanical rocket engine consists of a combustion chamber unit, a nozzle, an igniter, an electric pulse supply unit for ignition and a sealing plate made of single-crystal silicon (US Pat. No. 6,378,292 B1, F02K 9/42, published on 30.04 .2002).

В процессе сборки одной из основных операций является заполнение блока камеры сгорания пастообразным топливом. Процесс сборки состоит из следующих технологических операций: 1) сборка приклеиванием; 2) заполнение топливом; 3) сборка УФ склейкой; 4) заполнение топливом; 5) сборка склейкой эпоксидной смолой.In the assembly process, one of the main operations is filling the combustion chamber unit with paste-like fuel. The assembly process consists of the following technological operations: 1) assembly by gluing; 2) filling with fuel; 3) assembly by UV gluing; 4) fuel filling; 5) assembly by gluing with epoxy resin.

Недостатками данного двигателя являются: 1) сложность и дороговизна изготовления отдельных частей двигателя и их сборки; 2) необходимость двойного внедрения топлива с помощью трафаретной печати (топливо основное и для воспламенения); 3) невысокая надежность за счет использования стандартных технологических операций и материалов не выдерживающих высоких температур и механических нагрузок, сопутствующих работе двигателя.The disadvantages of this engine are: 1) the complexity and high cost of manufacturing individual parts of the engine and their assembly; 2) the need for double introduction of fuel using screen printing (primary fuel and for ignition); 3) low reliability due to the use of standard technological operations and materials that do not withstand high temperatures and mechanical loads associated with engine operation.

Решаемой технической задачей данного изобретения является: 1) упрощение и удешевление процесса изготовления двигателя; 2) обеспечение высокой надежности двигателя по сопутствующим работе двигателя температурам, механическим нагрузкам, режиму работы двигателя; 3) обеспечение нормальной газодинамической функции за счет предлагаемой конструкции и топлива.The technical problem of this invention is solved: 1) simplification and cheapening of the engine manufacturing process; 2) ensuring high engine reliability in terms of associated engine operation, temperatures, mechanical loads, engine operation mode; 3) ensuring a normal gas-dynamic function due to the proposed design and fuel.

Для реализации поставленной задачи в микроэлетромеханическом ракетном двигателе, выполненном в виде структуры из полупроводниковых кристаллов кремния, расположенных один над другим, в одном из которых выполнена камера сгорания с топливным элементом, и содержит блок поджига топлива с металлическими проводниками, камера сгорания с топливным элементом выполнена в виде нанопористого кремния глубиной не более 60 мкм и, поры, которого насыщены водородом и допированным нитратом калия, во второй пластине выполнено сопло, расположенное симметрично нанокристаллическому пористому кремнию и сочленное с ним через металлические проводники.To accomplish this task in a microelectromechanical rocket engine made in the form of a structure of semiconductor silicon crystals located one above the other, in one of which a combustion chamber with a fuel element is made, and contains a fuel ignition unit with metal conductors, a combustion chamber with a fuel element is made in in the form of nanoporous silicon with a depth of not more than 60 μm and, pores, which are saturated with hydrogen and doped potassium nitrate, a nozzle located in the second plate is located adic nanocrystalline porous silicon and joined to it through the metallic conductors.

Изобретение поясняется чертежом, где изображен продольный разрез микроэлектромеханического ракетного двигателя.The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of a microelectromechanical rocket engine.

Двигатель содержит: камеру 1 сгорания в виде слоя нанопористого кремния, верхнюю пластину 2 монокристаллического кремния, нижнюю платину 3 монокристаллического кремния, сопло 4, металлический проводник 5, предназначенный для подачи электрического импульса для воспламенения топлива. Камера 1 сгорания выполнена в пластине монокристаллического кремния 2, и образована областью нанопористого кремния, полученного при травлении кремния полирующими растворами, допированного нитратом калия. В нижней монокристаллической кремниевой пластине вытравлено сопло 4 Лаваля. Между ними расположены металлические проводники 5.The engine contains: a combustion chamber 1 in the form of a layer of nanoporous silicon, an upper plate 2 of single-crystal silicon, a lower plate 3 of single-crystal silicon, a nozzle 4, a metal conductor 5, designed to supply an electrical impulse to ignite the fuel. The combustion chamber 1 is made in a single-crystal silicon wafer 2, and is formed by a region of nanoporous silicon obtained by etching silicon with polishing solutions doped with potassium nitrate. An Laval nozzle 4 is etched into the lower single-crystal silicon wafer. Between them are metal conductors 5.

Пластины монокристаллического кремния соединяются, например, анодной посадкой, таким образом, что металлический проводник находится под частью нанопористого кремния, и через него подается электрический импульс, увеличивающий температуру в районе нанопористого кремния. Происходит воспламенение смеси топлива - водорода, допированного в нанопористый кремний в результате травления плавиковой кислотой или полирующими растворами, смешиваемого с окислителем-кислородом, выделяющимся при разложении нитрата калия. Инициированная быстрая экзотермическая реакция в зависимости от скорости истечения образующегося газа приводит к нормальному истечению сгоревших продуктов реакции и реализации классической газодинамической функции в течение десятка миллисекунд или к увеличению скорости ударной волны и созданию волны детонационного типа, превышающей скорость звука, и взрыву, происходящему за время менее 1 миллисекунды. Учитывая размеры и габариты, массу нанопористого кремния, в обоих случаях достигается эффект реактивного управляемого движения.Monocrystalline silicon wafers are connected, for example, by anodic fit, so that the metal conductor is under a part of nanoporous silicon, and an electrical impulse is applied through it, increasing the temperature in the region of nanoporous silicon. Ignition of a fuel-hydrogen mixture occurs, doped into nanoporous silicon as a result of etching with hydrofluoric acid or polishing solutions, mixed with oxidizing agent-oxygen released during the decomposition of potassium nitrate. The initiated fast exothermic reaction, depending on the flow rate of the resulting gas, leads to the normal expiration of the burnt reaction products and the implementation of the classical gas-dynamic function within ten milliseconds or to an increase in the speed of the shock wave and the creation of a detonation wave exceeding the speed of sound, and an explosion occurring in less than 1 millisecond Given the size and dimensions, the mass of nanoporous silicon, in both cases the effect of reactive controlled motion is achieved.

Работает устройство следующим образом: при подаче напряжения на металлический проводник 5 поджигается топливо находящееся в нанопористом кремнии 1. Горючие газы, образованные быстрой экзотермической реакцией вырываются через сопло 4, создавая реактивную тягу.The device operates as follows: when voltage is applied to the metal conductor 5, the fuel contained in nanoporous silicon 1 is ignited. Combustible gases generated by a quick exothermic reaction break out through the nozzle 4, creating reactive thrust.

В зависимости от объема, в котором получен нанопористый кремний, возможны процессы, обеспечивающие нормальное квазистационарное истечение газа и получение детонационной волны. Границей между этими двумя режимами работы является глубина, на которую протравливается монокристаллический кремний. До 60 мкм глубины теплота экзотермической реакции, скорость отведения тепла по монокристаллическому кремнию обеспечивают нормальную газодинамическую функцию работы микроэлектромеханичекского ракетного двигателя.Depending on the volume in which nanoporous silicon is obtained, processes are possible that ensure normal quasistationary gas outflow and generation of a detonation wave. The boundary between these two modes of operation is the depth at which single-crystal silicon is etched. Up to 60 microns in depth, the heat of an exothermic reaction and the rate of heat removal through single-crystal silicon provide the normal gas-dynamic function of a microelectromechanical rocket engine.

Более 60 мкм глубины полученного нанопористого кремния создают условия для увеличения теплоты быстрой экзотермической реакции, увеличению температуры процесса в 1,5-2 раза до ~5000 K и образованию детонационной волны. При расчетах уравнений внутренней баллистики используется механизм образования ударных волн.More than 60 microns of the depth of the obtained nanoporous silicon create conditions for increasing the heat of a quick exothermic reaction, increasing the process temperature by 1.5-2 times to ~ 5000 K and the formation of a detonation wave. When calculating the equations of internal ballistics, the mechanism of formation of shock waves is used.

Данное устройство является идеальным решением для малых космических аппаратов, в которых размеры и масса двигателей являются критическими.This device is an ideal solution for small spacecraft in which the size and mass of the engines are critical.

Описываемый микроэлектромеханический ракетный двигатель может быть использован для малогабаритных искусственных наноспутников.The described microelectromechanical rocket engine can be used for small-sized artificial nanosatellites.

Claims (1)

Микроэлектромеханический ракетный двигатель, выполненный в виде структуры, из полупроводниковых кристаллов кремния, расположенных один над другим, в одном из которых выполнена камера сгорания с топливным элементом, и содержит блок поджига топлива с металлическими проводниками, отличающийся тем, что камера сгорания с топливным элементом выполнена в виде нанокристаллического пористого кремния глубиной не более 60 мкм, поры которого насыщены водородом и допированным нитратом калия, во второй пластине выполнено сопло, расположенное симметрично нанокристаллическому пористому кремнию и сочлененное с ним через металлические проводники. A microelectromechanical rocket engine made in the form of semiconductor silicon crystals located one above the other, in one of which a combustion chamber with a fuel cell is made, and contains a fuel ignition unit with metal conductors, characterized in that the combustion chamber with a fuel cell is made in in the form of nanocrystalline porous silicon with a depth of not more than 60 μm, the pores of which are saturated with hydrogen and doped potassium nitrate, a nozzle located in the second plate is located tricky to nanocrystalline porous silicon and articulated with it through metal conductors.
RU2012128950/06A 2012-07-10 2012-07-10 Microelectromechanical rocket engine RU2498103C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012128950/06A RU2498103C1 (en) 2012-07-10 2012-07-10 Microelectromechanical rocket engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012128950/06A RU2498103C1 (en) 2012-07-10 2012-07-10 Microelectromechanical rocket engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2498103C1 true RU2498103C1 (en) 2013-11-10

Family

ID=49683200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012128950/06A RU2498103C1 (en) 2012-07-10 2012-07-10 Microelectromechanical rocket engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2498103C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU178748U1 (en) * 2017-07-05 2018-04-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" REVERSE MATRIX ROCKET MOTOR SYSTEM WITH INDIVIDUAL DIGITAL CONTROL OF THE MAGNETIC BRAKE OF EACH REVERSE MOTOR CELL FOR SMALL SPACE VEHICLES
RU178924U1 (en) * 2017-05-10 2018-04-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" MATRIX ROCKET MOTOR SYSTEM WITH INDIVIDUAL DIGITAL CONTROL OF THE GREAT DRAW OF EACH ENGINE CELL FOR SMALL SPACE VEHICLES
RU2654782C1 (en) * 2017-07-03 2018-05-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Reversible matrix missile engine system with individual digital control of the thrust magnitude of each reverse engine cell for small spacecraft
RU2660210C1 (en) * 2017-04-26 2018-07-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Matrix rocket engine system with individual digital management of the thrust value of each motor cell for small spacecraft
RU183937U1 (en) * 2018-07-09 2018-10-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" MULTI-VECTOR MATRIX ROCKET MOTOR SYSTEM WITH DIGITAL VALUE CONTROL AND MOTOR CELL DRAW DIRECTION FOR SMALL SPACE VEHICLES
RU2700299C1 (en) * 2018-07-03 2019-09-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Multivector matrix rocket engine system with digital control of value and direction of thrust of motor cells for small spacecraft
RU2792701C1 (en) * 2022-04-18 2023-03-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" Method for operation of the matrix of solid propellant jet microengines with renewable fuel filling

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5836150A (en) * 1995-05-31 1998-11-17 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Micro thrust and heat generator
US6046485A (en) * 1999-04-01 2000-04-04 Honeywell International Inc. Large area low mass IR pixel having tailored cross section
US6102530A (en) * 1998-01-23 2000-08-15 Kim; Chang-Jin Apparatus and method for using bubble as virtual valve in microinjector to eject fluid
US6378292B1 (en) * 2000-11-10 2002-04-30 Honeywell International Inc. MEMS microthruster array
RU2240430C1 (en) * 2003-07-08 2004-11-20 Московский государственный технический университет "МАМИ" Heat insulation coating of elements and/or units of diesel engine combustion chamber
RU2332583C1 (en) * 2007-02-13 2008-08-27 ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ПОЛЕТ-ИНТЕР" (ЗАО "Полет-Интер") Thermal-electric micro engine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5836150A (en) * 1995-05-31 1998-11-17 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Micro thrust and heat generator
US6102530A (en) * 1998-01-23 2000-08-15 Kim; Chang-Jin Apparatus and method for using bubble as virtual valve in microinjector to eject fluid
US6046485A (en) * 1999-04-01 2000-04-04 Honeywell International Inc. Large area low mass IR pixel having tailored cross section
US6378292B1 (en) * 2000-11-10 2002-04-30 Honeywell International Inc. MEMS microthruster array
RU2240430C1 (en) * 2003-07-08 2004-11-20 Московский государственный технический университет "МАМИ" Heat insulation coating of elements and/or units of diesel engine combustion chamber
RU2332583C1 (en) * 2007-02-13 2008-08-27 ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ПОЛЕТ-ИНТЕР" (ЗАО "Полет-Интер") Thermal-electric micro engine

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2660210C1 (en) * 2017-04-26 2018-07-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Matrix rocket engine system with individual digital management of the thrust value of each motor cell for small spacecraft
RU178924U1 (en) * 2017-05-10 2018-04-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" MATRIX ROCKET MOTOR SYSTEM WITH INDIVIDUAL DIGITAL CONTROL OF THE GREAT DRAW OF EACH ENGINE CELL FOR SMALL SPACE VEHICLES
RU2654782C1 (en) * 2017-07-03 2018-05-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Reversible matrix missile engine system with individual digital control of the thrust magnitude of each reverse engine cell for small spacecraft
RU178748U1 (en) * 2017-07-05 2018-04-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" REVERSE MATRIX ROCKET MOTOR SYSTEM WITH INDIVIDUAL DIGITAL CONTROL OF THE MAGNETIC BRAKE OF EACH REVERSE MOTOR CELL FOR SMALL SPACE VEHICLES
RU2700299C1 (en) * 2018-07-03 2019-09-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Multivector matrix rocket engine system with digital control of value and direction of thrust of motor cells for small spacecraft
RU183937U1 (en) * 2018-07-09 2018-10-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" MULTI-VECTOR MATRIX ROCKET MOTOR SYSTEM WITH DIGITAL VALUE CONTROL AND MOTOR CELL DRAW DIRECTION FOR SMALL SPACE VEHICLES
RU2792701C1 (en) * 2022-04-18 2023-03-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" Method for operation of the matrix of solid propellant jet microengines with renewable fuel filling
RU224770U1 (en) * 2023-12-08 2024-04-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" MULTI-VECTOR MULTI-MATRIX PROPULSION SYSTEM FOR SMALL-SIZED SPACEVEHICLES

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2498103C1 (en) Microelectromechanical rocket engine
US7506498B2 (en) Pulsed detonation engines for reaction control systems
CN106134417B (en) Low-thrust rocket
Chaalane et al. A MEMS-based solid propellant microthruster array for space and military applications
US20050210879A1 (en) Pulse detonation engine system for driving turbine
RU2400644C1 (en) Low-thrust rocket engine running on non-self-igniting gaseous oxidiser and liquid fuel, and method of its starting
Li et al. Experimental study on multiple-pulse performance characteristics of ammonium perchlorate/aluminum powder rocket motor
CN102519704A (en) Pulse wind tunnel thermal jet flow experiment gas source feed platform
Bussing A rotary valved multiple pulse detonation engine
Kailasanath Applications of detonations to propulsion-A review
Wang Transient two-dimensional analysis of side load in liquid rocket engine nozzles
Sankovic et al. Performance of a miniaturized arcjet
EP4030046A1 (en) Multi-time ignition starting apparatus for a rocket engine, and rocket engine having same
Stanley et al. Experimental investigation of pulse detonation wave phenomenon as related to propulsion application
Wang et al. Discovery of breathing phenomena in continuously rotating detonation
RU187985U1 (en) HYPERSONIC AIRCRAFT ENGINE WITH RECTANGULAR AIR-REACTIVE ENGINE
Kailasanath A review of research on pulse detonation engines
RU2490173C1 (en) Vtol aircraft
Frolov et al. Air-Breathing Liquid-Fueled Pulse Detonation Engine Demonstrator.
RU2407908C1 (en) Method of generating pressure pulses in acoustic chambers of combustion chambers and gas generators of liquid-propellant rocket engines
Bauer et al. Design and test of a resonance ignition system for green in-orbit propulsion systems
RU2640893C1 (en) Combustion chamber of liquid-propellant engine with afterburning of generator gas
Paravan et al. Nano-Sized Aluminum for Solid Fuel Regression Rate Enhancement
RU2485402C1 (en) Gas dynamic igniter
Keshavarzi et al. Controlled energy release based on explosive porous silicon

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160711