一种基于固体推进剂的数字式微推进系统

本发明涉及卫星姿态调整，具体涉及一种基于固体推进剂的数字式微推进系统。

背景技术：

1、随着航空航天技术向微型化发展，微小卫星逐渐成为人们的研究热点，其具有质量轻、体积小、发射灵活、发射成本低等特点。同时小卫星具备功能密度大，软件水平高，研制周期短，节省研制经费，发射风险小等优势，在当今卫星应用市场越来越受到青睐。高精度且稳定的姿态调控动力方案是微小卫星高效运作的关键保障。

2、在姿轨控动力系统方面，常采用微型推进系统。微推进系统的作用是产生微小但精确的推力来实现姿态调整与控制、轨道保持与转移、重力或阻力补偿等。我国小卫星多采用的微推进系统为微型液体推进器，但微型液体推进器结构复杂，需要预包装，且难以实现推力无极调节、也不具备自增压特性，必须利用额外的推进剂压力输送系统。相较之下，传统的固体推进器，虽然其结构简单，维护方便，但较大的质量影响其在微小卫星上的应用。

3、在动力系统方面，微型液体推进器的动力系统多为无水肼的液体推进方式，其推力精度高，能实现多次启动。但是肼的毒性等级为中毒iii级，对人体有较大的毒害作用。同时，肼类燃料的羽流污染对地面支持和保障系统提出了较为苛刻的要求。

4、而传统固体推进器所采用的固体推进剂存在燃烧产物腐蚀性强，严重影响推进器寿命与稳定性的缺点；且存在燃烧不充分，特征信号明显的现象。此外，部分采用固体推进剂的微推进器在点火或工作时，燃烧室层与固体推进剂间存在脱粘现象，严重影响了推进器工作的可靠性。而成熟的固体推进剂因其工艺性能无法满足微推进器的浇筑要求，因此无法使用。

技术实现思路

1、本发明针对姿轨控领域中使用的固体推进器及其使用的固体推进剂工艺性能差、腐蚀性强、存在脱粘现象等问题，及微型液体推进器结构复杂，无水肼等液体推进剂有毒和羽流污染等问题，本发明提供了一种基于固体推进剂的数字式微推进系统。

2、本发明的技术方案是：一种基于固体推进剂的数字式微推进系统，从顶部到底部依次包括喷管层、燃烧室、点火电路层；所述点火电路层、燃烧室层和喷管层分别各自独立地包括平面阵列形式的喷管单元、燃烧室单元和点火单元；平面阵列上同一阵列点上的点火单元、燃烧室单元和喷管单元在纵向依次连接且位置对应；其中燃烧室单元包括位于下端的固体推进剂、位于上端的补燃室和位于燃烧室单元壁体与固体推进剂之间的衬层；补燃室顶部连接喷管单元的入口；点火单元与固体推进剂底部连接。

3、进一步的，上述所述喷管单元为方形结构，尺寸先渐缩再渐扩：包括喷管入口处尺寸渐缩的收敛段、中间最窄处的喉部和喷管出口处尺寸渐扩的扩张段；所述喷管单元由硅基材料制作。

4、进一步的，上述喷管单元的收敛段入口端尺寸大于扩张段出口端尺寸；喉部尺寸小于收敛段入口端和扩张段出口端尺寸；所述收敛段、喉部和扩张段的出口端截面均为正方形。

5、进一步的，上述所述燃烧室单元壁体由微晶玻璃材料制作；所述补燃室的高度小于燃烧室单元高度的30％；所述燃烧室单元为圆柱形，其横截面外径与喷管单元的收敛段入口端外接圆直径匹配。

6、进一步的，上述衬层的高度与固体推进剂相同，厚度小于燃烧室单元横断截面半径的10％；所述衬层的成分包括粘合剂体系、增塑剂和填料；其中粘合剂体系包括粘合剂、固化剂、交联剂、催化剂；所述粘合剂为端羟基聚丁二烯和/或四氢呋喃共聚醚；所述固化剂为甲苯二异氰酸酯和/或异佛尔酮二异氰酸酯；所述交联剂为甘油、三羟甲基丙烷或三官能度氮丙啶化合物中的一种或多种；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡和/或三苯基铋；所述衬层的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、2,2-二硝基丙醇缩甲醛与2,2-二硝基丙醇缩乙醛混合物、癸二酸二正辛酯中的一种或多种；填料为气相二氧化硅颗粒。

7、进一步的，上述衬层成分中，粘合剂体系质量百分含量为75％～85％，填料质量百分含量为5％，增塑剂质量百分含量为10％～20％。

8、进一步的，上述固体推进剂为三氨基胍硝酸盐推进剂，包括以下组分：三氨基胍硝酸盐燃料：质量百分含量为70％～90％，粒度为40～200目；含能粘合剂：质量百分含量为8％～28％，包括3,3-二叠氮甲基氧丁环与四氢呋喃共聚醚粘合剂、缩水甘油叠氮聚醚粘合剂中的一种或多种；添加剂：质量百分含量1％～2％，包括固化剂、催化剂、交联剂、增塑剂、扩链剂中的一种或多种；其中，添加剂中的固化剂包括缩二脲三异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯的一种或多种；催化剂包括二月桂酸二丁基锡、三苯基铋的一种或多种；交联剂包括三羟甲基丙烷、季戊四醇、甘油、三星型聚氧化烯烃、四星型聚氧化烯烃的一种或多种；增塑剂包括：邻苯二甲酸二丁酯、2,2-二硝基丙醇缩甲醛与2,2-二硝基丙醇缩乙醛混合物的一种或多种；扩链剂包括：分子量在200～20000之间的聚乙二醇、1,4-丁二醇、一缩二乙二醇的一种或多种。

9、进一步的，上述点火电路层包括：点火单元、微晶玻璃基板、铜导线和焊盘；点火单元为涂覆点火药的cr薄膜点火电阻；各个点火单元之间通过铜导线连接并在铜导线末端设置焊盘；所述点火单元与燃烧室单元对应设置和分布。

10、进一步的，上述点火药为铝热剂点火药，由铝粉和三氧化二铋组成，铝粉与三氧化二铋质量比为1:2.5～1:3.5。

11、本发明相比现有技术的有益效果是：

12、1)本发明通过喷管单元、燃烧室单元和点火电路层的阵列结构设计，可通过控制阵列数工作实现在推力方面宽范围、高精度可调；

13、2)本发明燃烧室单元和点火电路主要部件采用微晶玻璃制成，具有低热膨胀系数，在高温工作时具有良好的尺寸稳定性；且具有低热导率，能有效防止蹿火现象发生；工艺性能优异，仅需要精密机械加工即可完成；

14、3)本发明的燃烧室单元内壁与固体推进剂间设置了衬层结构，能有效防止微推进器工作时固体推进剂与燃烧室壁面脱粘，提升工作可靠性；

15、4)本发明的燃烧室中增加了补燃室结构，能提高微推进器中固体推进剂的燃烧效率；

16、5)本发明的点火电路层中点火单元由cr薄膜电阻和铝热剂点火药组成，能实现低电流点火，提升了点火的可靠性；

17、6)本发明采用的固体推进剂，成气性高达99％，且燃烧产物清洁，对微推进器无腐蚀性；固体推进剂感度低，安全性能高；推进剂中含能组分质量分数高，推进剂能量性能高；推进剂中的三氨基胍硝酸盐燃料、含能粘合剂及部分的含能固化剂能确保推进剂高能的同时，添加交联剂、扩链剂使得推进剂具有优异的力学性能，添加增塑剂且固体推进剂中无金属颗粒，使得推进剂具有优异的工艺性能，更易实现在微推进器燃烧室中的浇筑；本发明采用的固体推进剂无氧化剂、无金属粉，且燃料易燃，固体推进剂点火温度低，可自持反应燃烧，更适用于微推进器。

技术特征：

1.一种基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，从顶部到底部依次包括喷管层、燃烧室、点火电路层；

2.根据权利要求1所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，所述喷管单元为方形结构，尺寸先渐缩再渐扩：包括喷管入口处尺寸渐缩的收敛段、中间最窄处的喉部和喷管出口处尺寸渐扩的扩张段；

3.根据权利要求2所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，

7.根据权利要求5所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的基于固体推进剂的数字式微推进系统，其特征在于，

技术总结提供了一种基于固体推进剂的数字式微推进系统，从顶部到底部依次包括喷管层、燃烧室、点火电路层；点火电路层、燃烧室层和喷管层分别各自独立地包括平面阵列形式的喷管单元、燃烧室单元和点火单元；同一阵列点上的点火单元、燃烧室单元和喷管单元在纵向依次连接且位置对应；其中燃烧室单元包括位于下端的固体推进剂、位于上端的补燃室和位于燃烧室单元壁体与固体推进剂之间的衬层；补燃室顶部连接喷管单元的入口；点火单元与固体推进剂底部连接。本发明通过喷管单元、燃烧室单元和点火单元形成的阵列结构设计，可通过控制阵列数工作实现在推力方面宽范围、高精度可调。技术研发人员：周星,王耀霄,涂金英,黄蕾,于海洋,高晓受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8