固體氮氣微推力器的集成設(shè)計與關(guān)鍵元器件技術(shù)研究.pdf

1、微納衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移和保持都需要質(zhì)量輕、體積小、功耗低的微推力器。本文完成了固體氮氣微推力器集成設(shè)計，解決了關(guān)鍵元器件問題。固體氮氣微推力器包括儲氣室、固體氮氣發(fā)生器、電磁閥、壓力傳感器、拉瓦爾微噴口以及控制電路。在此基礎(chǔ)上，為了提高固體氮氣微推力器的比沖，設(shè)計并制備了MEMS電熱微推力器，并對其性能進(jìn)行了表征。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)設(shè)計并制備了固體氮氣發(fā)生器，優(yōu)化了氮氣發(fā)生劑配方，提高了裝藥量，確定氮氣發(fā)生

2、劑的配方為NaN3∶Fe2O3=65∶35。通過差示掃描量熱(DSC)確定氮氣發(fā)生劑的反應(yīng)溫度區(qū)間為410℃～435℃。確定裝藥方式為壓裝裝藥，裝藥密度可達(dá)1.71 g/cm3。通過點火實驗確定藥柱平均燃燒速率為22.8mm/s，儲氣室內(nèi)的溫度不超過60℃，其分解率達(dá)90％以上。
　　(2)通過理論計算，制備了兩種不同形狀的拉瓦爾微噴口，圓錐形Al制微噴口和硅基MEMS噴口。兩種噴口的收斂半角與擴張半角均為15°、20°，圓錐形A

3、l制微噴口的喉部直徑為150μm，擴張比為12;硅基MEMS噴口喉部寬度為50μm，擴張比為25。通過推力測試裝置對其性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明:當(dāng)微噴口工作時間為1ms時，圓錐形Al制微噴口能產(chǎn)生沖量為I=0.59 mN·s，推力F=590mN;當(dāng)工作時間為192ms時，圓錐形Al制微噴口產(chǎn)生最大沖量Imax=11.081mN·s，最大推力Fmax=57.7mN;在工作時間為192ms時硅基MEMS噴口產(chǎn)生最大沖量Imax=2.548mN

4、·s，最小沖量為Imin=0.117mN·s，對應(yīng)的最大推力Fmax=13.269mN，最小推力Fmin=0.612mN。
　　(3)本文通過COMSOL Multiphysics軟件對鎳薄膜電阻加熱過程進(jìn)行仿真模擬，利用MEMS工藝設(shè)計并制備出了MEMS電熱微推力器。其結(jié)構(gòu)包括硅片、鎳薄膜電阻和Pyrex7740玻璃。當(dāng)電熱微推力器溫度為100℃左右時，對其推力性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明，在相同初始壓力及流量條件下，與不加熱微噴口相