基于MEMS的固体化学微推进器阵列技术综述.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 06. 001 基于 MEMS 的固体化学微推进器阵列技术综述 ❋ 汝承博① 许建兵① 代 骥① 叶迎华① 朱 朋① 胡 艳① 沈瑞琪① 南京理工大学化工学院江苏南京,210094 [摘 要] 基于微机电系统MEMS技术的固体化学微推进器阵列具有结构简单、无活动部件、功耗低、可靠性高 等优点,可以用于微卫星的姿态调整、重力或阻力补偿及轨道变换等任务。 国内外相继开展了固体化学微推进器 阵列技术的研究。 从结构设计、推进剂选择、键合工艺、点火电路等方面综述了各研究团队采取的技术途径和取得 的进展,分析了各种技术途径的优缺点。 提出了通过调整喷管结构和优化推进剂,提高微推进器的单元冲量,采用 具有寻址点火特征的交叉式引线结构点火阵列,解决点火控制电路结构复杂的难题,并指出了固体化学微推进器 阵列技术的发展方向。 [关键词] 固体化学微推进器阵列;点火电路;推进剂;比冲;键合 [分类号] TJ450;TQ038 引言 随着微机电系统MEMS技术的迅猛发展,微 纳卫星成为研究的热点。 与传统卫星相比,微纳卫 星的研制周期短、功能专一、研究和发射成本较低, 可以用于空间技术验证、教学任务演示以及编队飞 行,解决传统卫星难以完成的测量任务等[1-2]。 微纳卫星需要微推进系统完成姿态调整、重力 或阻力补偿、定位控制和轨道变换等机动飞行任务。 微纳卫星的推力需求范围是10 1000 μN,而十公 斤级的小卫星则需要 0. 1 mN 到 10 mN 的推力[2], 脉冲冲量范围为 10 -9 10 -3 Ns[3]。 现阶段的微 推进系统主要有固体冷气推进系统、脉冲爆轰微推 进器、自由分子流微推进器、脉冲等离子体微推进器 μPPT、激光烧蚀微推进器以及固体化学微推进器 阵列等。 和其他微推进系统相比,固体化学微推进 器的优点在于无活动部件、结构简单、系统质量轻、 能源功耗低、可靠性高、可以实现批量化生产等;缺 点是作用的一次性。 因此,需要引入阵列的概念,即 在一个芯片上大规模集成微推进器单元。 从 20 世 纪末开始,不同的研究团队开始了基于 MEMS 技术 的固体化学微推进器阵列的研究[4-6],包括结构设 计、制作工艺以及微推力测试等内容。 2011 年,加 拿大 York 大学研制的 6 6 固体化学微推进器阵列 搭载 YUsend-1 立方星进入预定轨道,进行空间条件 下的技术验证[7-8]。 固体化学微推进器主要包括 3 部分点火电路、 药室微燃烧室以及喷口,在喷口底部有一薄层隔 膜,未工作时将推进剂与外界复杂环境相隔绝,如图 1 所示。 固体化学微推进器的工作原理与传统的固 体火箭发动机原理相似,控制电路接收指令并对指 定单元供电,点火桥达到一定温度后,引燃微燃烧室 内的固体推进剂,高温高压产物冲破隔膜经喷口产 生推力。 图 1 微推进器阵列的结构 Fig. 1 Configuration of SPM array 笔者对固体化学微推进器阵列的结构设计、喷 口形状、点火电路设计、推进剂选择、阵列组装、推力 测试等几项关键技术进行了总结,并结合自己的研 究工作,指出了发展趋势。 1 阵列结构 按照点火桥的位置,微推进器可以分为顶部点 火和底部点火两种结构,如图 2 所示。 当点火桥在 12016 年 12 月 基于 MEMS 的固体化学微推进器阵列技术综述 汝承博,等 ❋ 收稿日期2016-05-13 基金项目航天科技创新基金CASC1507XXX 作者简介汝承博1989 - ,男,博士研究生,主要从事固体化学微推进器阵列和纳米含能材料应用研究。 E-mailruchengbo163. com 通信作者叶迎华1962 - ,女,研究员,主要从事 MEMS 火工技术、微推进系统以及含能材料应用技术研究。 E-mailyyinghua njust. edu. cn 万方数据 P1时,为底部点火结构;当点火桥在 P2时,为顶部 点火结构。 底部点火微推进器工作时,推进剂燃烧 传播方向与燃烧产物运动方向一致,当燃烧室内的 压强超过隔膜的机械强度时,未反应的推进剂和燃 烧产物会一起冲出,降低推进剂的利用率[4],造成 推力损失。 顶部点火微推进器工作时,推进剂燃烧 传播方向和燃烧产物运动方向相反,燃烧过程中类 似于火箭发动机中固体推进剂的端面燃烧,燃烧较 为充分。 但在制作或者组装过程中,会因为隔膜的 强度不足造成点火电路失效,降低成品率;且受限于 隔膜上点火桥的存在,只能得到扩张型喷管或者直 喷管。 a底部点火 b顶部点火 1 - 产物运动方向;2 - 燃烧传播方向。 图 2 不同点火桥位置的微推进器 Fig. 2 Microthrusters with igniter fixed in different positions 按照微推进器对称轴方向与基片表面法线方向 的相对位置,可以分为平板式和垂直式 2 种结构,如 图 3 所示。 平板式微推进器的对称轴方向与硅片表 面平行,优势在于喷管形状可以按需求调整,不受体 硅加工技术的限制;可以精确控制隔膜层的厚度;无 需考虑喷口层和药室层的键合、对准问题,减少工艺 步骤。 Zhang 等[9-14]系统地研究了平板式微推进器 的工作过程,并制作了不同点火桥材料的原理样机, 图 4 为其设计的平板式微推进器阵列的集成示意 图。 Shen 等[15-16]于 2014 年成功制作了平板式微推 进器单元原理样机,如图 5 所示。 Chaalane 等[17-18] 也开展了相关的研究,设计并制备了 1 7 的平板式 微推进器阵列。 平板式微推进器阵列的局限性在于 a平板式 b垂直式 1 - 密封层;2 - 微推进器含点火桥;3 - 密封层; 4 - 喷口;5 - 点火电路;6 - 燃烧室。 图 3 两种微推进器 Fig. 3 Two different designs of microthruster 图 4 Zhang 设计的平板式微推进器阵列示意图 Fig. 4 Schematic of planar microthrusters array designed by Zhang 图 5 Shen 制作的平板式微推进器单元样机 Fig. 5 Prototype of planar microthruster developed by Shen 集成规模的限制,集成时附加组件增加了空间需求 和工艺复杂性,降低了系统的可靠性。 垂直式微推进器的对称轴方向与硅片表面法线 方向平行,典型的“三明治”结构如图 1 所示。 其优 势在于集成方式简单,适合大规模集成[19],也是现 阶段研究的重点。 2 喷管结构 合理的喷管可以有效地提高微推进器的推进效 率外效率。 拉瓦尔喷管是固体火箭发动机中常 见的喷管形式,包括收敛段、喉部和扩张段,可以将 燃气速度加速至超音速。 在微推进器阵列中,拉瓦 尔喷管的加工技术是限制其使用的最大因素。 表 1 总结了微推进器阵列中常见喷管的材料及 形状。 与环氧树脂板、玻璃、陶瓷等材料相比,硅片 的机械性能和化学性能比较突出,且基于 MEMS 加 工技术比较成熟,因此,一般选用硅片作为微推进器 的基本材料。 体硅加工技术主要包括两类各向同 性刻蚀和各向异性刻蚀。 受限于体硅加工技术,仅 能获得固定收敛半角或者扩张半角的微喷管。 典型 微型喷管的几何形状如图 6 所示。 研究发现,钛金 合金、陶瓷,因为其与硅片的热膨胀系数相差较大, 与 MEMS 工艺兼容性并不好,且不易阵列式加工; 7740 玻璃可以采用激光烧蚀或精密机械加工的方 法制作直喷管,通过阳极键合实现与硅片的键合,但 是由于强度问题,也不宜用作喷管材料。 2 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 表 1 微推进器阵列中常见的喷管 Tab. 1 Nozzles of SPM array 材料刻蚀方法喷管形状半角/ 单晶硅 各向异性 湿法刻蚀 方形拉瓦尔 喷管 [20-22] 方形扩张 喷管[4, 23-25] 35. 3 单晶硅DRIE 刻蚀 圆形扩张 喷管[26] 4. 0 单晶硅DRIE 刻蚀 圆形直 喷管[27-29] 0 光敏玻璃 各向异性 湿法刻蚀 圆形扩张 喷管[30] 4. 0 钛精密加工 圆形拉瓦尔 喷管[8] 30. 0 云母陶瓷微细加工 圆形拉瓦尔 喷管[31] 收敛半角 45. 0 扩张半角 17. 0 在前期的研究中,研究人员主要是通过理论计 算对喷管的作用进行评估。 Rossi[26]在文章中提出, 为了获得最佳的推力,喷管的扩张半角 α 与喷管的 长度 L 的关系为 L tanα 47. 8 μm 。1 Zhang 等[9]用 Fluent 软件分别计算了在海平面 和空间中,扩张半角对推力和冲量的影响,计算结果 表明,在海平面上最佳的扩张半角范围是 10 20;在空间条件下,由于喷管长度较短,扩张半角对 推力性能的影响并不明显。 周海清[32]通过数值分 析发现,采用湿法刻蚀硅片得到结构不连续的拉瓦 尔喷管,在喉部上游可以形成虚拟收敛段,燃气加速 性能与正常的拉瓦尔喷管性能相当。Shen[16]用 Fluent软件系统地研究了收敛半角、扩张半角、喉径 比、喉部宽度等因素对推力和比冲的影响,计算结果 表明,喉部宽度是影响推力的重要因素,而喉径比对 比冲值的影响程度最大,得到的最佳扩张半角为 20,最佳收敛半角为 30。 Rossi 等[33]通过试验对 比了扩张喷管与无喷管情况推进剂的燃烧性能和产 生的单元冲量,发现扩张喷管的加入提高了推进剂 的燃速,并明显提高了单元冲量从 0. 135 mNs 增长至 7. 300 mNs。 Sathiyanathan 等[7]分别测 试了无喷管、收敛喷管以及拉瓦尔喷管条件下微推 进器的推进性能,试验结果表明,喷管的加入明显地 降低了燃烧持续时间,并提高了推进剂的比冲;拉瓦 尔喷管条件与收敛喷管条件对比,比冲增长比例为 27。 从前期的研究结果可以看出,喷管的有无对 推进性能的影响比较大,但喷管形状对推进性能影 响并不明显。 3 点火电路设计 点火电路的作用是利用点火桥将电能转换成热 能,加热与其接触的药剂,直至药剂温度升高到发火 温度。 在设计点火电路时,既要考虑到点火可靠性, 也要考虑点火桥阵列布局的合理性。 阵列集成度不 大时,可以采用单层引线结构布局,即每个点火桥共 用一条母线、同时独立对应另一条引线。 如图 7 所 示,微推进器阵列集成规模为 10 10,共 101 条互 连线,包括一条母线和一百条引线。 随着集成规模 的增大,单层引线结构的点火电路就无法实现其功 能。 因此,需要引入交叉式引线结构,采用行列式寻 址控制点火,节省引线布局空间。 交叉式引线带来的问题是,工作点火桥单元与 非工作点火桥单元并联[19],通电时非选择点火桥中 图 6 不同形状的喷管 Fig. 6 Different shaped nozzles 32016 年 12 月 基于 MEMS 的固体化学微推进器阵列技术综述 汝承博,等 万方数据 图 7 单层引线点火电路 Fig. 7 Ignition circuit with planar lead 也有电流通过,等效电路图如图 8 所示。 阵列中,非 选择单元按照区域可以分为 3 组,与工作单元同行 的单元 G1、同列的单元 G2以及其他区域的单元 G3。 当输入的电流 Iapply足够大,非选择单元通过的电流 Iparasitic高于其临界发火电流时,便会引起意外发火。 图 8 交叉寻址点火电路的等效电路图 Fig. 8 Equivalent electrical model of cross addressed ignition circuit 为了解决点火电路布局复杂的问题,各国研究 团队提出了不同的解决方案。 Youngner 等[34]为了 满足 512 512 微推进器阵列的点火需求,基于 CMOS 红外成像[35]的原理提出了交叉式引线结构 的点火电路,结构复杂,降低了系统的可靠性。 Koji 等[36]提出了两种交叉式点火电路方案,一种是利用 二极管正向导通、反向截止的特性,最大限度地降低 非选择单元的漏电流;另一种是利用偏置电压的原 理,在非选择单元施加 1/3 的点火电压,降低非选择 单元通过的电流,达到寻址点火的目的,如图 9 所 示。 但是这种方案大大增加了能源负载。 Puig-Vidal 等[37]使用P Spice软件计算了漏电流 对阵列点火功耗的影响,并制作了基于二极管的 交叉寻址点火电路原理样机,如图10所示。Rossi 等[19]用齐纳二极管代替传统的整流二极管,同时实 现点火桥功能,降低工艺复杂程度。刘旭辉等[38-39] 图 9 偏置式点火电路原理图 Fig. 9 Schematic of bias-type ignition circuit 图 10 Puig-Vidal 设计的交叉寻址点火电路原理图 Fig. 10 Schematic of crossing addressed ignition circuit designed by Puig-Vidal 将电阻和体式二极管采用外部焊接串联的形式,制 作了 100 100 阵列的点火电路,并提出了要避免 L 型点火命令[40]。 余协正[25]设计并制作了立体引线 结构的点火电路,但点火桥并未串联二极管,存在意 外发火的风险。 从目前研究来看,点火桥与二极管串联的方案 是寻址点火电路的最佳形式。 制作交叉式引线点火 电路,需要考虑以下几点首先是二极管的平面化, 使用 MEMS 技术与点火电路集成在同一芯片上,不 再以独立元器件的形式存在;其次,二极管的反向漏 电流应该要远远小于临界点火电流,避免热量积累 甚至意外发火;同时,二极管的正向压降应该要尽量 小,降低输入能量损失。 4 推进剂选择及燃烧特性 微推进器的主要性能参数为推力 F 和单元冲 量 I,推力与冲量的关系为 I ʃFdt。2 当微推进器结构确定时,推力和冲量仅取决于 推进剂的自身特性。 随着微燃烧室内径减小,推进 剂的比表面增大,热量损失越来越大,易出现熄燃的 现象。 燃烧反应能够自持传播的条件为,至少一种 燃烧产物温度高于其熔点,且绝热燃烧温度高于 2 000 K[41]。 Rossi 等[42]研究了燃烧内壁热传导率 4 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 对聚叠氮缩水甘油醚/ 高氯酸铵/ 锆GAP/ AP/ Zr 燃速的影响。 试验结果表明,随着热传导率的增加, 燃速呈线性下降。 刘建等[43]通过高速摄影对硼/ 硝 酸钾B/ KNO3 在微管内的燃烧现象进行试验研 究,管壁热损失和管道阻力是影响 B/ KNO3燃烧不 稳定的主要因素。 他们还利用 ANSYS 瞬态热分析 研究了壁面热损失和壁面轴向热传导对微细管内火 药的燃烧过程的影响[44],结果表明,管径越小,其热 损失和管道阻力越大,燃速越低;管壁的热传导率越 高,燃速越低。 推进剂在微推进器中的燃烧是十分复杂的过 程,由于燃烧室的长度较短,难以转化为稳定燃烧的 阶段。 胡松启等[45]用 dp/ dt 瞬态燃烧模型分析了 推进器喉部尺寸对推进性能的影响,结果表明,随着 喉部面积的增大,推力明显增大,而燃烧室内平衡压 强降低,瞬态燃烧效应并不是影响微推进器工作的 主要因素。 从上述分析可以看出,随着燃烧室内径 的降低,推进剂的燃烧趋于不稳定,对燃烧过程的研 究也愈发困难。 比冲是评价推进剂优劣的一项重要指标,与其 热力学性能密切相关。 理论比冲 Isp与推进剂的燃 烧生成热 H 的关系为 Isp2ηthH;3 ηth1 - 1/ ε n -1 / n。 4 式中ηth为理论燃烧热效率;n Cp/ Cv,是绝热指 数;ε p/ pout,为喉径扩张比。 同时,理论比冲值与气相产物的平均相对分子 质量 Mg和气体产物最高温度 Tmax的关系为 Isp∽ Tmax/ Mg。5 从式3到式5可以看出,提高比冲值的有效 途径是提高推进剂的燃烧生成热和燃气温度,降低 燃烧产物的平均分子量。Futko 等[46-47]通过理论计算 发现,在GAP推进剂中添加少量的黑索今RDX时, 随着 RDX 含量的提高,推进剂的比冲增大。 在前期研究中,研究人员主要选用了斯蒂芬酸 铅LTNR [4, 22, 48-50]、GAP/ AP[7, 42]、端羟基聚丁二 烯/ 高氯酸铵/ 铝粉HTPB/ AP/ Al [14]、B/ KNO 3 [23]、 3,6-双1-氢-1,2,3,4-四唑-5-氨基-1,2,4,5-四嗪 BTATz [21]、硝酸肼镍[51] 等传统的推进剂或者起 爆药作为推进剂。 纳米铝热剂有较高的反应热,反 应速率较快,微小尺寸下的燃烧性能突出,同时燃烧 产物不会产生污染或者有毒性。 Puchades 等[52]为 了提高微推进器阵列推进剂的燃烧效率,选用了 Al/ Bi2O3、Al/ I2O5作为固体推进剂。 王成玲[29]使 用溶胶-凝胶法制备了纳米 Al/ CuO 和 Al/ Bi2O3,并 添加了硝化棉NC作为微推进器推进剂。 但因为 微小尺度下燃烧不完全,实际比冲值要远远低于理 论比冲值。 表 2 列出了部分含能材料的主要热力学 参数。 5 键合技术 制作各层组件后,选择合适的键合技术对阵列 进行芯片级封装。 键合技术的选择需要考虑到微推 进器阵列组装过程中的限制条件。 首先,点火电路 层表面有引线和点火桥等微结构,表面粗糙度及清 洁度达不到直接键合的要求,同时合金焊料会导致 电路短路失效;其次,硅基底和金属薄膜的低温共晶 合金反应限制了键合过程中的温度载荷。 如图 11 所示,当使用玻璃浆料键合点火电路层和药室层时, 键合温度需要达到 450 ℃左右,金属薄膜引线能与 硅基底和重掺杂的多晶硅点火桥形成共晶合金,导 致点火电路短路失效;同时,微药室内填装了含能 材料,含能材料的低发火温度进一步限制了键合温 度,由于点火电路的存在,低温共晶合金键合不能 应用于点火电路层与药室层的键合,防止点火电路 短路失效;最后,含能材料的装填过程中可能会污染 表 2 含能材料的热力学参数 Tab. 2 Thermophysical parameters of energetic materials 推进剂 点火温度/ K 反应热/ Jg -1 主要产物 产气量/ gg -1 绝热反应温度/ K GAP533①2 380. 0N2, CO, CO2, CH4, H2, H2O, Cs0. 77[53] LTNR[54]555②1 910. 0 CO, CO2, H2O, N2, Pb1. 0约 2 273 NC12. 050310 364. 9CO2, CO, H2, N2, H2O1. 02 830 Al/ CuO[55]1 040③[56]4 073. 7 Al2O3l, Cul, g0. 342 843 Al/ Bi2O3 [55] 850③[56]2 116. 5 Al2O3l, g, Bi0. 893 253 HMX600②9 334. 0N2, CO2, H2O, Cs0. 91④3 800 RDX503②9 475. 0N2, CO2, H2O, Cs0. 92④3 700 注 ①DSC 测试结果;②5 s 爆发点;③T-jump 测试结果;④VLW 方程计算结果。 52016 年 12 月 基于 MEMS 的固体化学微推进器阵列技术综述 汝承博,等 万方数据 a键合前 b键合后 图 11 玻璃浆料键合对点火电路的破坏 Fig. 11 Destruction of ignition circuit caused by the glass frit bonding 药室层的表面,降低键合强度。 MEMS 圆片级键合技术可以分为直接键合和中 间层键合。 直接键合技术主要包括阳极键合、硅熔 融键合以及低温直接键合。 各种中间层键合技术的 区别在于键合介质的不同,主要有玻璃浆料键合、 BCB苯并环丁烯键合、黏结剂键合、SU-8 键合以 及共晶合金键合焊料键合。 直接键合技术的键 合强度高,气密性好,但对键合表面要求高,键合条 件苛刻。 相对而言,中间层键合所需的键合温度较 低,对键合表面的粗糙度、清洁度容忍范围较广,但 键合强度低,气密性较差。 固体化学微推进器阵列的组装过程包括装药前 键合、装药以及装药后键合,如图 12 所示。 图 12 顶部点火微推进器阵列组装过程 Fig. 12 Assembling procedure of microthruster array with top side igniters 以顶部点火微推进器阵列为例首先,键合点火 电路层和未装药的药室层。 在未装药之前,可以采 用直接键合技术或者高质量的中间层键合技术,如 BCB 键合,提高键合强度和气密性。 将 BCB 通过丝 网印刷均匀地涂覆在基片的表面,对位,施加一定的 键合压力,并升温至250 ℃左右,完成键合图12 中 1。 然后,对微药室阵列进行装药图 12 中 2。 最后,键合药室层和密封层。 装药后选择键合温度 低的黏结剂键合,如 H70E、MD130 等黏结剂。 将黏 结剂通过丝网印刷或喷墨打印的方式涂覆在基片的 表面,对位,施加一定的压力完成键合图12 中3, 得到顶部点火固体化学微推进器阵列 图 12 中 4。 Rossi[19]、Zhang[9]、尤政[57]等用阳极键合完成 装药前的键合,即点火电路层与未装药的药室层键 合;Giulio 等[58]则用硅硅直接键合技术键合了无表 面微结构的药室层。 而装药后的键合均采用低固化 温度的黏结剂键合,Lewis 等[4]用氰基丙烯酸盐黏 结剂完成阵列的全部键合过程;Rudnyi[59]、王成 玲[29]等分别使用 H70E 双组分环氧胶对装药后的 药室层进行封底;Wu 等[21]使用硅酮胶完成键合;孙 小兵[31]用 AK04-4 无机胶黏剂完成陶瓷基微结构的 键合;Lee 等[48]使用 UV 光敏胶键合各层结构,同时 使用 Kapton 胶覆盖点火桥区和药室孔,防止胶溢 流。 余协正[25]使用导电银浆作为黏结剂完成点火 电路层与药室层和控制电路层的键合过程。 键合质量主要为键合层的气密性和键合强度, 关系到微推进器阵列的可靠性以及安全性。 若黏结 剂涂覆不均匀会造成键合层的缺陷,气密性达不到 要求,高温燃烧产物便会通过缺陷进入相邻单元,导 致意外发火。 殉爆燃烧的过程可能发生在燃烧的初 始阶段,如图 13 a所示;也可能发生在燃烧的末 端,如图 13 b所示。 若键合强度低于隔膜层的机 械强度,当燃烧产物压强高于键合强度而未到达破 膜压强时,微推进器阵列便会发生结构上的破坏而 失效。 a在点火的瞬间 b当推进剂燃烧完全后 图 13 殉爆燃烧过程 Fig. 13 Detonation and combustion process 6 微推力测试 微推进性能测试包括推力测试和冲量测试。 目 前的测试方法主要分为两种,一种是直接测量,记录 推力随时间变化,得到推力的实时值,测试装置如压 力传感器、电子分析天平等,测试装置结构简单,测 试的推力值较大,一般在几十 mN 到 N 量级[60];另 一种是通过功能转化关系间接测量,通过测量摆锤 或者扭壁等目标因推力产生的位移变化或者角度变 化,换算得到推力或者冲量,测试装置比较复杂,主 6 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 表 3 微推进测试结果 Tab. 3 Detonation and combustion process 研究人员测试装置燃烧时间/ ms推力/ mN冲量/ mNs Rossi[33]摆锤2700. 36 Lewis[4]单摆1. 0100100 Zhang[13]石英力传感器50 3400. 021 0. 115 Tanaka[23]石英力传感器1201500. 50 Lee[30]石英力传感器36190. 381 Wu[21]电子分析天平0. 12 余协正[25]单摆0. 256 Sathiyanathan[7]舟形单摆1 300 1 8000. 021 0. 0680. 097 0. 379 Shen[16]电子分析天平256. 3 10 -3 Liu[27]压电力传感器0. 15 0. 460. 370. 06 0. 21 要有扭摆、单摆、双摆等结构,测量范围可在μN mN之间。马立志[6]设计的基于天平原理单摆微小 推力测试系统精度可以达到5 10 -5 N。对于微推进 器阵列来讲,推力数值较小且持续时间较短,对直接 测量装置要求较高。 表 3 总结了固体化学微推进器 阵列微推力测试结果。 可以看出,固体化学微推进 器阵列的推力、冲量范围符合微推进系统的需求。 7 总结与展望 固体化学微推进器阵列可以作为微纳卫星或其 他微型飞行器的微推进系统,用来执行姿态调整、重 力和阻力补偿、轨道变换等任务。 笔者总结并分析 了微推进器阵列的几项关键技术 1垂直式结构有利于微推进器大规模集成阵 列,顶部点火结构可以提高药剂的燃烧效率。 交叉 式寻址点火电路是实现阵列大规模集成的必要条 件,点火桥与平面二极管串联的布局设计可以实现 逻辑寻址点火功能。 2微推进器的性能与喷管的形状、推进剂的性 能密切相关。 就目前加工技术而言,难以得到最佳 结构的拉瓦尔喷管。 推进剂的热力学性质是影响其 推力性能的重要参数,提高推进剂的燃烧生成热、产 气量,降低气态产物平均相对分子质量是提高比冲 值的有效途径。 3由于含能材料的存在,需要选择合适的低温 中间层键合技术来完成阵列的组装。 推力性能测试 结果表明,固体化学微推进器阵列可以满足微纳卫 星的推进需求。 微推进器阵列技术已趋于成熟,但还需要解决 部分关键技术,如微药室阵列装药技术、控制电路模 块平面化等技术,同时还需要评估微推进器阵列在 空间环境下的工作可靠性。 在未来的一段时间内, 大规模集成的固体化学微推进器阵列仍将是研究热 点,从而满足微小飞行器对微推进系统的要求。 参 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