固体氮气微推力器的集成设计与关键元器件技术研究

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微纳卫星的姿态控制、轨道转移和保持都需要质量轻、体积小、功耗低的微推力器。本文完成了固体氮气微推力器集成设计,解决了关键元器件问题。固体氮气微推力器包括储气室、固体氮气发生器、电磁阀、压力传感器、拉瓦尔微喷口以及控制电路。在此基础上,为了提高固体氮气微推力器的比冲,设计并制备了 MEMS电热微推力器,并对其性能进行了表征。主要研究内容及结论如下:(1)设计并制备了固体氮气发生器,优化了氮气发生剂配方,提高了装药量,确定氮气发生剂的配方为NaN3:Fe2O3=65:35。通过差示扫描量热(DSC)确定氮气发生剂的反应温度区间为410℃~435℃。确定装药方式为压装装药,装药密度可达1.71g/cm3。通过点火实验确定药柱平均燃烧速率为22.8mm/s,储气室内的温度不超过60°C,其分解率达90%以上。(2)通过理论计算,制备了两种不同形状的拉瓦尔微喷口,圆锥形A1制微喷口和硅基MEMS喷口。两种喷口的收敛半角与扩张半角均为15。、20。,圆锥形A1制微喷口的喉部直径为150μm,扩张比为12;硅基MEMS喷口喉部宽度为50μm,扩张比为25。通过推力测试装置对其性能进行表征,结果表明:当微喷口工作时间为lms时,圆锥形Al制微喷口能产生冲量为I=0.59mN·s,推力F=590mN;当工作时间为192ms时,圆锥形Al制微喷口产生最大冲量Imax=11.081mN·s,最大推力Fmax=57.7mN;在工作时间为192ms时硅基MEMS喷口产生最大冲量Imax=2.548mN·s,最小冲量为1min=0.117mN·s,对应的最大推力Fmax=13.269mN,最小推力Fmin=0.612mN。(3)本文通过COMSOL Multiphysics软件对镍薄膜电阻加热过程进行仿真模拟,利用MEMS工艺设计并制备出了 MEMS电热微推力器。其结构包括硅片、镍薄膜电阻和Pyrex7740玻璃。当电热微推力器温度为100℃左右时,对其推力性能进行表征,结果表明,在相同初始压力及流量条件下,与不加热微喷口相比,MEMS电热微推力器可使比冲提高6%。
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