新型高效微推进技术研究

论文摘要

微小卫星组网编队飞行可以完成许多复杂昂贵的大卫星所无法完成的工作,其关键在于卫星编队的形成与保持。因此,对微小卫星间相对轨道位置的保持、高精度的姿态控制提出较高的要求。所需推力小,精度高,一般为毫牛,甚至微牛量级。本文针对百公斤级微小卫星姿控的需求,以研制一个高效双氧水化学微推力系统原理样机为目标,研究内容包括自增压燃料箱,基于MEMS的微型推进器及其真空微推力性能测试,芯片内部流动光学可视化观测等。推进系统占卫星总体质量比重较大,传统系统通常包含高压气瓶,减压阀等,系统部件比较多,质量大,难于微型化。本文发明了一种自增压燃料箱,使用小加热器控制NH4HCO3分解产生气体的方式进行燃料箱的增压。该系统结构简单,重量轻,易于微型化。优化设计了一款MEMS推进器芯片B,该芯片的流道采用S型流道非对称结构,增加工质在腔体内滞留时间;催化腔采用密排微柱结构,大大增加了催化面积,使双氧水催化反应更为充分。在硅芯片背面直接加工金属薄膜加热器。整个芯片B结构紧凑,充分利用反应热,减少热损失。搭建了真空微推力测试实验台。采用杠杆力的放大原理进行微推力测量,使用真空油阻尼系统降低环境噪音干扰。通过实验发现了只要测力探头足够大,喷嘴喷出的气流对探头的冲击力随着冲击距离的增大而出现一个高平台区。在该区内冲击力几乎维持不变,而且与喷嘴的推力大致相等。从而找到了一种采用合适大小的测力探头在高平台区的距离范围内进行冲击力测量来间接测量微型冷气推进器微推力的方法,避免了推进器引线干扰的问题。最后以芯片A为喷口,外加Pt丝增加催化表面和电辅助加热的方法研制了一款微型双氧水推进器。该推进器克服了硅芯片与其它金属管道部件的密封连接问题。并进行了推进性能测试实验。采用液柱压差法测量了微流量。经测试表明该款微型双氧水推进器在入口绝压为2～3bar时获得4～6mN的平均推力;加热仅为2～3w的情况下获得的200s左右的比冲,达到了预期的研制目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论（微型推进系统研究进展）
• 1.1 引言
• 1.2 微小卫星对轨道和姿态控制的要求
• 1.2.1 各种类型小卫星的出现及功能需求
• 1.2.2 小卫星对推进系统提出的新要求
• 1.3 各类微型推进系统概述
• 1.3.1 各种微型推进器的发展现状及比较
• 1.3.2 微型双氧水推进器的优点
• 1.4 本文研究内容及目标
• 1.5 基本推进理论
• 1.6 研制百公斤级微小卫星推进系统的基本参数要求
• 1.6.1 推力
• 1.6.2 比冲
• 1.6.3 重量
• 1.7 本章小结
• 参考文献
• 第2章 自增压燃料箱的研制
• 2.1 传统卫星推进系统组成
• 2.2 新型微推进系统
• 2.2.1 各种新型微推进系统发展
• 2.2.2 自增压燃料箱原理
• 2.3 自增压燃料箱的制作
• 2.3.1 自增压燃料箱化学药品的选择
• 2.3.2 自增压燃料箱的具体结构
• 2.4 自增压燃料箱的性能测试实验
• 2.5 空间环境对微推进系统的考虑
• 2.6 自增压燃料箱的优点
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第3章 MEMS基微型推进器芯片的研制
• 3.1 MEMS技术研究进展
• 3.1.1 MEMS技术的特点
• 3.1.2 MEMS的加工技术
• 3.1.3 各种MEMS基硅微推进器比较
• 3.2 MEMS微型推进器芯片的设计和加工
• 3.2.1 芯片A的结构及其加工过程
• 3.2.2 芯片B的设计及其加工
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第4章 微推力测量的研究
• 4.1 微推力测量研究进展
• 4.2 微推力测试实验台
• 4.2.1 冲击力测试实验台
• 4.2.2 微推力测量实验台
• 4.3 微推力测试实验过程
• 4.3.1 标定
• 4.3.2 微推力测量
• 4.3.3 测量过程应注意的问题
• 4.3.4 测量误差分析
• 4.4 微推力测量方法的研究
• 4.4.1 两类微推力测试方法
• 4.4.2 两类微推力测量方法相结合的思路
• 4.4.3 微推力与冲击力关系的研究
• 4.4.4 微推力与冲击力关系的理论分析
• 4.4.5 微推力与冲击力关系研究结果总结与展望
• 4.5 真空环境下微推力测量的一些特性
• 4.5.1 流量的测量
• 4.5.2 真空度对推进性能测试的影响
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 微型推进器的性能测试实验
• 5.1 微尺度对推进器的影响分析
• 5.2 推进器芯片A的冷气推进性能实验
• 5.2.1 芯片A与管道的连接
• 5.2.2 大气环境下实验结果与讨论
• 5.2.3 真空环境实验结果:
• 5.3 以水为工质的推进实验
• 5.4 一款微型双氧水推进器的研制及其性能测试
• 5.4.1 双氧水的物理化学特性
• 5.4.2 一款微型双氧水推进器的研制
• 5.4.3 微型双氧水推进器的性能测试
• 5.5 微型推进系统的初步组装
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第6章 微型推进器芯片内部流动的光学可视化研究
• 6.1 光学可视化研究实验台
• 6.2 光学可视化研究结果及分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文与取得的研究成果