[發明專利]一種可以多次裝填燃料的微型推力發生裝置及其操作方法

有效

• 申請號: 201610207706.4
• 申請日: 2016-04-06
• 公開（公告）號: CN105863881B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 朱宏玉;王海涌;胡肖肖;劉琦
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F02K9/24
• 分類號: F02K9/24;F02K9/34;F02K9/95
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于航天器推進技術與姿態和軌道控制技術領域。更具體的，本發明涉及適用于微小型航天器的姿態與軌道控制的、以固體推進劑為燃料的微型火箭推力發生裝置。

背景技術

航天器是指在地球大氣層以外空間飛行的各種裝置。利用其飛行于外太空的優勢，航天器可以執行氣象觀測、地質觀測、通信中繼、空間探測、以及航天器維護等多種任務。隨著航天器應用的日益廣泛，降低航天器整個生命周期成本的需求越來越強烈。使用固體推進劑的微型推力發生裝置以其能有效地顯著降低推進系統的干質量而得到關注。

使用固體推進劑的微推力技術是一種正在發展探索之中，尚未完全成熟的航天器推進技術。已有的固體推進劑微型推力發生裝置一般是面向總質量低于100kg的微小衛星的軌道控制應用而開發的。

固體推進劑微型推力發生裝置一般應用微機電系統(MEMS)技術在硅基材料上加工，且制成多層結構。一個固體推進劑微型推力發生單元一般至少包括噴口層、燃燒室層和點火電路層三層結構。噴口層由硅基材料及其上小孔構成，為固體推進劑燃燒產物提供排出通道并由此輸出推力。燃燒室層由硅基材料及其中的孔洞組成，用于容納固體推進劑并在固體推進劑燃燒室充當燃燒室。點火電路層是一個集成電路板，用于按照指令點燃燃燒室層中的固體推進劑。不同的設計方案中，點火電路層的位置不同。例如，2000年發表在《Sensors and Actuators A:Physical》上的Lewis等人的論文“Digital micropropulsion”中介紹的TRW公司的產品，其點火電路層位于燃燒室的底部，與噴口相對的位置。又例如，2011年發表的南京理工大學余協正的碩士學位論文《MEMS固體化學微推進陣列的設計、制作及其性能研究》中介紹的南京理工大學的產品，其點火電路層位于噴口層與燃燒室層之間。由于這種推力器只能點火一次，點火后即失去推力產生能力，所以，已有的固體推進劑微型推力發生裝置都設計成多行多列排列在一起的多個推力發生單元組成的推力發生單元陣列，并將其點火電路連接到邏輯控制電路中。

固體推進劑微型推力發生裝置只能輸出一次推力的特性影響其實際應用。例如，洪延姬等編著的《先進航天推進技術》中第7.8節中提到：對質量為100kg的人造地球衛星來說，“在一個‘標準’任務中，位置保持所需的推力器數目為每年200個-1000個”，按當前平均技術水平，這“等價于90cm²-340cm²的表面積”。若將質量100kg的微小衛星視為立方體，其一個側面的表面積大約為1600cm²-2500cm²。容易計算，為保證衛星正常工作5年，所需推力器將覆蓋幾乎整個側面。眾所周知，航天器外表面需要布置溫度控制裝置、姿態敏感裝置、有效載荷、太陽電池、通信設備等多種設備設施，若將大部分面積用于布置推力器陣列，必將影響航天器正常工作的能力。上述例子是將固體推進劑微型推力發生裝置用于軌道控制的例子，如果考慮將固體推進劑微型推力發生裝置用于姿態控制，推力器數量的增長將是災難性的。以軌道周期在90分鐘左右的太陽同步軌道衛星為例，如果輸出控制力矩的周期為0.5秒，每次都需要輸出3個軸上的控制力矩，每個軸的控制需要2個推力發生單元點火，則衛星每個軌道周期內就需要消耗64800個推力發生單元，每天需要消耗的推力發生單元個數為1036800個！

由此可見，工程應用要求在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發生單元。許多研究向這一方向做了卓有成效的努力。例如，2000年Youngner等人的研究報告《MEMS Mega-pixel Micro-thruster Arrays for small satellite stationkeeping》中就介紹了一種在邊長3.3cm的正方形內布置262144個推力發生單元的產品。

但是，這種在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發生單元的努力至少在以下三個方面存在不足。

第一，這種在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發生單元的努力仍然難以滿足航天器姿態控制的需求。以上述具有262144個推力發生單元的產品為例，在一種理想的飛行狀態下，前述例子中的太陽同步軌道衛星一天的飛行就需要消耗這樣的占據約10cm²面積的推力發生單元4片！一個月的飛行需要120片，一年的飛行需要約1500片！