现代小卫星的微推进系统

现代小卫星,发展迅速,不仅要姿态控制,还要轨道控制,甚至要有轨道机动能力。为此,必须开发研究与其相应的微推进系统。文章首先研究现有推进系统的技术性能;提出对微推进系统的要求;给出适应小卫星的微推进系统,有四个种类,近20个微推进器;最后提出选择微推进器的原则和建议。

基于固体工质的空间微推进技术研究进展

采用固体工质的微推力器具备结构简单、可靠性高、成本低的优点,是最适合微纳卫星的动力装置之一。固体微推进技术可分为微电推进和微化学推进两大类。本文介绍了五种典型固体微推力器的工作原理,包括微脉冲等离子体推力器、真空弧推力器、电控固体微推力器、激光微推力器、固体阵列微推力器,系统梳理了它们的发展历程,总结了其最新的研究进展和应用现状。在此基础上,对固体微推进技术的发展方向进行了展望,以期为微纳卫星动力系统的研发与优选提供参考。

“田园一号”微推进系统设计与性能测试

针对“田园一号”微纳星编队飞行任务的技术需求,开展了微推进系统的总体设计。常规冷气推进由于其比冲低、贮存压力高、结构复杂,难以满足微纳卫星需求。选择R134a作为推进工质,通过将推进剂液化,减小系统体积。基于3D打印技术,设计贮箱、稳压罐、管路一体的推进系统。采用MEMS加工工艺,设计并研制出电加热喷口,从而提高系统比冲。分析了不同喷口尺寸、供气压力以及温度下所产生的推力和比冲大小,确定出喷口设计。表征测试所研制的电加热喷口,结果表明喷口加工误差控制在2%以内。真空条件下,采用扭摆测量系统测试推力器推进性能,测试结果表明,当稳压罐内气体压力在0.1~0.2 MPa变化时,推力大小为5~10 mN。当喷气温度从25℃升至95℃时,推进系统比冲可提升10%以上。

高zeta势下Phan-Thien-Tanner(PTT)流体的电渗微推进器

在高的壁面zeta电势下,考查了Phan-Thien-Tanner(PTT)黏弹性流体在平行板微通道中的电渗推进器问题.在没有考虑Debye-Hückel线性近似的条件下,求解了非线性Poisson-Boltzmann方程,得到了高zeta电势下电势的解析解.通过求解PTT流体满足的Cauchy动量方程,获得了Navier滑移条件下微推进器速度的数值解.进而通过数值积分得到了电渗微推进器的性能分布,包括比冲、推力、效率和推力-功率比.最后,详细分析了黏弹性参数、壁面zeta电势、滑移系数和双电层厚度对速度分布及推进器性能的影响.结果表明,与Newton流体相比,PTT流体作为推进剂有利于推进器性能的提高,比如,流体速度随着黏弹性参数的增大而增大,导致推进器性能也呈增大的趋势.此外,当前推进器比冲为800~1000 ms时,推力可达0~250μN,效率为6%~12%,推力-功率比为0~20 mN/W.

压电比例阀调节的氙气微推进系统流量特性仿真研究

基于压电比例阀驱动的氙气微推进系统是目前国际的发展趋势。压电比例阀作为该类型推进系统的核心组件,其性能将直接影响系统流量特性和推力。本文首先采用AMESim软件对某型氙气工作压力为0.3MPa的压电驱动氙气微推进系统进行建模,并对系统填充过程中的气瓶与减压阀工作特性进行分析。然后研究了不同减压阀反馈腔压力条件下的减压阀与压电比例阀的阀芯运动和氙气质量流量特性。最后,分析了压电比例阀驱动电压对开机过程中的压电比例阀阀针位移、氙气质量流量特性的影响规律。结果显示,压电比例阀阀针在通电后迅速开启,其最终的稳定升程为3.7μm。系统的氙气质量流量的稳定值为5.63mg/s。减压阀反馈腔内的氙气压力越大,压电比例阀开启后的氙气质量流量稳定值越大且响应时间越长。仿真结果表明,本次研究的氙气微推进系统可以通过改变驱动电压实现对氙气质量流量的线性调节,系统氙气质量流量可在较短时间内达到目标值。

激光等离子体微推进技术的研究进展

为了加快激光等离子体微推进技术(μLPP)在航天领域的应用,介绍了该项技术近10年的发展状况。讨论了激光等离子体微推进技术发展过程中衍生出的各种工作模式,并简略分析了不同工作模式的优缺点。着重介绍了靶特性对激光微推进性能的影响,包括靶材的选择、靶的结构、靶材掺杂,以及靶物相特性等。针对该项技术的最终发展目标是研制微小卫星姿轨控的激光等离子体微推力器(μLPT),介绍并分析了美国Phipps小组开展的激光微推力器的研制工作。最后,指出了激光等离子体微推进技术目前存在的一些问题,并展望了它的发展前景。

MEMS固体微推进器中Cr薄膜点火电阻的研究

点火电路是MEMS固体化学微推进器中最重要的组成部分,其点火电压的大小及点火可靠性则主要取决于点火电阻.国内外均采用多晶硅(polysilicon)或贵金属铂(Pt)作为点火电阻材料,所制备出来的点火电阻的阻值都比较大,需要的点火电压较高(40V以上),而且点火可靠性不高,难以满足固体微推进器的使用要求.本文首次采用金属铬(Cr)作为点火电阻材料,设计了具有高可靠性的并联点火电阻图形,通过磁控溅射镀膜、光刻以及Cr的湿法腐蚀工艺制备出了Cr薄膜点火电阻,并在20伏左右的低电压下成功地实现了常规火药黑索金的点火,为低点火电压、低成本、高可靠性的点火电路的制备提供了一条有效的技术途径.

N_2O单组元微推进系统及其喷管流场的初步研究

针对利用N2O单组元催化分解产生热气、用于精确控制飞行器姿态的微推进系统,提出了初步的系统方案和主要设计参数。通过数值仿真,对设计推力为1N的微推进器喷管在高空工况的内流场和真空羽流场进行了研究。计算得到喷管的推力为1.041N,比冲为1922.7N.s/kg,从而验证了喷管相关设计参数的合理性。理论分析为后续的地面试验件的设计加工及其热试车提供了有益的参考。

面向空间引力波探测任务的微推进技术研究进展

微推力器是实现空间引力波探测中无拖曳控制任务的关键。本文在分析空间引力波探测无拖曳控制系统对微推力器要求基础上,通过微推进技术原理开展分析,梳理出了满足要求的微推力器,包括冷气推力器、波电离离子推力器、会切磁场型霍尔推力器和场致发射推力器4种备选方案,并介绍了4种推力器以及基于推力器的无拖曳控制国内外相关研究现状。在此基础上,本文介绍了天琴计划开展以来针对这几种微推力器的研制进展,并对后续应用于引力波探测的微推进技术研究方向进行展望。

激光微推进的靶特性研究进展

2003年,首款激光等离子体微推力器(micro-Laser Plasma Thruster,μLPT)应用于美国空军微小卫星姿态轨道控制,激光微推进技术越来越受到业内人士的广泛关注。总结了激光微推进的五种工作模式,并进行了简要分析,重点关注了激光微推进技术发展过程中的靶特性研究现状,介绍了靶材物态和靶材结构两个方面的推进性能研究进展,并对其进行了分析,对激光微推进技术的进一步发展形成了一些认识和建议。

FMMR微推进系统推力测量装置研究

为了对自由分子流微型电阻加热推力器(FMMR)微推进系统的性能进行试验研究,设计了一个基于天平原理的微推力测量装置,装置采用微推力器自重与推力相分离、触点式外接供电和推进系统集成方法,有效消除了供电电缆和推进剂供应管路的影响。结果表明,测量精度可达±8%,能够满足mN级微小推力测量的精度要求;同时,通过对结构进行一定改动,该装置还可用于测量其他集成化微推进系统的推力。

MEMS固体化学微推进阵列的微冲量测试技术

为了评价MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)固体化学微推进阵列的推进性能,对其单元微冲量的精确测试显得尤为重要。在传统冲击摆的基础上,考虑微推进器推力和燃气射流冲击力之间的比例关系,设计了一套适用于MEMS固体化学微推进阵列单元微冲量的间接测试装置,并成功用于6×6规格(单元集成度为36个/cm2)微推进阵列的实际测试中。结果表明:典型实验数据下的待测微冲量为2.5442×10-4N.s,相对误差小于5%;实测8个单元的微冲量平均值为2.5574×10-4N.s,相对偏差较小,具有很好的重复性。

N_2O单组元微推进系统贮箱自增压特性

建立了氧化亚氮(N2O)贮箱自增压地面试验系统,针对亚牛级氧化亚氮单组元微推进系统的推进剂自增压供给过程开展了初步测试试验.基于三区域集总参数物理模型建立了氧化亚氮单组元微推进系统贮箱自增压数学模型,针对相同试验条件下的贮箱自增压过程开展了数值模拟,模拟结果与试验数据吻合较好,验证了仿真模型的准确性.仿真及试验结果均表明,为了确保推力器工作全过程中推进剂供应稳定,在亚牛级氧化亚氮单组元微推进系统的自增压过程中需要对氧化亚氮贮箱进行热量补偿来保证贮箱压力的稳定性,而贮箱压力下降速度分别随着贮箱初始充填率的减少、贮箱容积的减小及氧化亚氮质量流率的增加而增大.

微推进器推力测试技术

对近年来微推进器(Micro thruster)的推力测试技术和手段进行了较全面的综述,并对几种典型进行单脉冲冲量、平均推力等参数测量的推力测试系统和手段进行描述,分析各自的特点.文中对微推力测试过程中的细节进行了初步探讨.为未来微推进器推力测试和研究提供有益参考.

激光化学微推进推力性能的实验研究

影响激光化学微推进推力性能的主要因素为激光和推进工质的参数。对不同厚度的自研制双基药复合工质进行了推力性能的实验研究。实验中,激光焦斑为50μm,激光功率密度为4.74×104W/cm2.实验发现随着工质厚度的增加,工质的冲量耦合系数有渐增的趋势,而比冲有渐减的趋势。将激光功率提高近1倍,选用功率为1.80 W的半导体激光器,25μm厚的双基药复合工质的冲量耦合系数和比冲分别达到了130.8 dyne/W和493.0 s,此时,名义上的激光能量利用率高达316.4%,是聚氯乙烯(PVC)工质的6.46倍,化学能的释放更加充分。

无拖曳卫星氮气微推进系统填充与开机工作特性的仿真研究

采用AMESim软件对氮气贮存压力为1.5×10^7 Pa、推力范围为mN级的压电驱动的氮气微推进系统进行建模。研究了氮气填充过程中氮气瓶、减压阀的压力和质量流量瞬态特性。分析了整合喷管的压电比例阀在开机过程中的瞬态工作特性。最后,研究了驱动电压对压电比例阀在开机过程中的阀芯位移和喷管推力瞬态值、阀芯运动和推力响应时间的影响规律。结果显示,当驱动电压为80 V时,阀芯的响应时间和稳定位移分别为0.64 ms和3.67μm。开机后8 ms,喷管推力达到稳定值(0.588 mN)。压电比例阀阀芯的开启响应快速,且驱动电压与喷管推力之间存在良好的线性关系,说明推力可通过改变驱动电压进行mN级的线性调节。

静电喷射纳米铝热剂的微推进性能

纳米铝热剂可用作基于微机电系统(MEMS)的固体化学微推进器的装药。添加含能粘结剂可以增强纳米铝热剂的推进性能表现。选择硝化棉(NC)和聚偏二氟乙烯(PVDF)作为含能粘结剂,利用静电喷射的方式制备纳米铝热剂,从理论和实验系统地研究了燃料/氧化剂的平衡配比、粘结剂含量对推进性能的影响,并与相同条件下机械混合纳米铝热剂的推进性能比较。结果表明:静电喷射较机械混合纳米铝热剂的固体颗粒分布均匀;Al/CuO的计算最佳平衡配比为0.9,最佳实验平衡配比为1.8;当NC含量为2.5%时,比冲可以达到250.2 m·s^(-1),与无粘结剂的Al/CuO相比增加比例为8.0%;PVDF的加入降低了实验比冲值。粘结剂的分解产物将纳米颗粒分开,增加了凝聚相反应的特征传质长度,导致燃烧持续时间从2.9 ms显著地增加到87.8 ms。

基于MEMS的固体燃料微推进技术研究进展

随着航天器小型化的发展,微推进技术研究具有十分迫切和重要的意义.基于微机电系统(MEMS)的固体燃料微推进器(MSPT)具有诸多优点,已成为微推进技术研究热点.介绍了MSPT的研究背景及优势,综述了国内外基于MEMS的固体燃料微推进器的结构与装配、点火部分研究、推进剂研究、推力测试装置设计、模型及数值模拟方面的研究进展.分析了目前研究中存在的问题和不足之处,并展望了未来研究的重点和改进方向.

激光等离子体微推进技术研究进展

随着微卫星技术的发展,微推进器的研究已经越来越紧迫,而激光等离子体微推进器则正是其中的一种。通过对激光等离子体微推进技术的工作原理和国内外研究现状的分析,列举了其相对于其他微推进器的技术特点,也对其目前存在的问题进行了简述。

基于微推进器的遥控释药胶囊的研制

本文将微推进器用于遥控释药胶囊,解决了传统释药胶囊由于机械负压而引起的药物回流,无法完全释药的问题。微推进器是该遥控释药胶囊最关键的部件,它由基于MEMS的微加工技术制成的微点火器构成,内填充二硝基重氮酚作为起爆剂,黑火药为推进剂。通过微推进器动力学分析获取推进剂理论值。点火实验证明了推进器的可行性;体外释药实验表明仅需要16～20 mg推进剂即可完成一次点火达到完全释药。整个部件功耗低,仅需166 mW,并通过安全性分析,证明其安全可靠。