[發明專利]一種變噴口微型固體火箭發動機及其制造方法

有效

• 申請號: 201610084050.1
• 申請日: 2016-02-06
• 公開（公告）號: CN105673252B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 陶智;李秋實;李海旺;紀國圣;吳弘濤;田騰躍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F02K9/34
• 分類號: F02K9/34;F02K9/97
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 郝瑞剛

技術領域

本發明涉及航天技術領域，尤其涉及一種變噴口微型固體火箭發動機及其制造方法。

背景技術

微型衛星憑借著低廉的價格，標準化、批量化的生產等優點，已經逐漸成為未來航天研究的新方向。而微型動力系統作為微型衛星的核心技術系統，其可靠性、快速響應性、高精度和高可靠性以及成本因素成為微型衛星能否成功研制的關鍵。

傳統的微電推進技術、微冷氣推進技術和微等離子體推進技術，在體積和質量上存在著較大的缺陷，導致微型衛星的發射成本較高，限制了其在微型航天器上的使用前景。為了研制低成本、高可靠性的微型飛行器動力系統，各國正在發展基于微機電系統MEMS(Micro Electro-mechanical System)技術的微化學推進裝置。

與傳統火箭發動機相比，微型固體火箭發動機實現了體型從米數量級降為毫米數量級的進步。該發動機是一種體積小、集成度高、推重比大、可靠性高、加工成本低的微化學推進裝置。它是通過燃燒燃燒室中的固態燃料，將儲存在燃料中的化學能轉化成動能，利用從噴管噴出的燃燒產物的反沖量來提供向前的動力。

與微型液體、氣體火箭發動機相比，微型固體火箭發動機的優勢在于沒有轉動件，極大地降低了摩擦等不利因素帶來的設計和加工難度。此外，固體推進劑不可流動的特點給燃料的裝填和發動機的封裝保存帶來了便利。

現有技術中的微型固體火箭發動機，以如下三種為典型代表：(1)加州大學伯克利分校Dana Teasdale等制作出適用于智能灰塵的微型火箭發動機；(2)法國LAAS-CNRS實驗室C.Rossi等開發出了一個由噴管、點火器和燃燒室組成的一個三明治結構的推力系統。(3)如圖1所示，清華大學張高飛等研制的固體推進器包括工質貯腔2、收斂擴散噴管3和密封蓋層1。

上述三種微型固體火箭發動機采用的都是縱向加工方式，即將噴管層、點火電路層和燃燒室層分開加工，然后再將三個部分連接，且噴管層都是通過MEMS濕法加工工藝加工制造。

MEMS濕法加工的工藝方式受單晶硅特定晶向的限制，只能加工出特定噴管角度的噴管層，不能滿足不同發動機對噴管角度需求不同的加工要求，不能進一步提高微型固體發動機的推力，且這種加工方式工藝繁瑣，加工精度高，難度大，加工過程中使用的化學試劑危險性高，所需設備種類繁多；因發動機的各層分開加工再連接，當膠合連接發動機各層結構時，微型固體火箭發動機整體結構的穩定性差、精密性不足；燃料燃燒的沖量過大則會對噴管層結構造成破壞。

因此，針對以上不足，需要提供一種新型變噴口微型固體火箭發動機及制造方法。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是解決現有微型固體火箭發動機的加工工藝繁瑣，加工精度高，難度大，加工過程危險性高且所需設備多，易對噴管層結構造成破壞，機構整體的穩定性差，精密形不足，且只能加工出特定噴管角度的噴管層，不能進一步提高微型固體發動機的推力，不能滿足不同發動機對噴管角度需求不同的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明一方面提供了一種變噴口微型固體火箭發動機，其包括密封層和動力層，所述動力層的上表面開設有發動機凹槽，所述密封層蓋合在所述動力層的上表面，所述發動機凹槽包括依次連通的通氣槽、燃燒室和尾噴管，所述尾噴管的噴口端與所述動力層的一側邊緣連通，所述通氣槽的進口端與所述動力層相對的的另一側邊緣連通。

其中，所述通氣槽、燃燒室和尾噴管一體成型；所述通氣槽、燃燒室與所述尾噴管均沿所述發動機凹槽的中心線設置；所述通氣槽的寬度為50um。

其中，所述密封層與所述動力層通過鍵合連接；所述密封層為玻璃層，所述動力層為硅片層。

其中，所述尾噴管沿燃料的噴射方向依次設有收縮段、喉管段和擴張段，所述喉管段用于過渡連接收縮端和所述擴張段。

另一方面，一種制造上述任一項所述變噴口微型固體火箭發動機的制造方法，其包括以下步驟：

S1.在動力層上涂覆光刻膠；

S2.在掩膜版上刻蝕要制造的發動機凹槽的形狀，將S1得到的動力層放置在所述掩膜版下進行曝光，使所述掩膜版上發動機凹槽的形狀投射在所述動力層的光刻膠上，導致所述發動機凹槽的形狀投射到的光刻膠發生變性；

S3.將S2處理后的動力層進行顯影，將所述發生變性的光刻膠去除，使光刻膠下方的動力層的上表面顯露出所述發動機凹槽的形狀；

S4.對S3得到的動力層進行干法刻蝕，使顯露出的動力層表面形成發動機凹槽；