阅读说明：本技术 一种微流量绿色高能单组元推力器结构 (A kind of micrometeor green high-capacity single group member thruster structure ) 是由 刘旭辉 付拓取 张伟 高晨光 官长斌 刘瀛龙 王梦 李永平 沈岩 陈君 王平 于 2019-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种微流量绿色高能单组元推力器结构,推进剂在催化床中催化剂作用下,实现催化分解,在燃烧室中进一步燃烧后经喷管喷出产生推力；热控组件安装在推力室催化床上,对催化床进行温度控制和监测。本发明提出了一种微流量绿色高能单组元推力器结构,通过导热片、毛细管导热丝等调控毛细管温度,抑制微流量下推进剂在毛细管中产生两相流,实现微流量绿色高能单组元推力器稳定工作。抑制微流量下推进剂在毛细管中产生两相流,从而实现微流量绿色高能单组元推力器稳定工作。微流量绿色高能单组元推力器具有高比冲、绿色无毒、质量轻、可预包装等特点,为微纳卫星轨道机动、快速响应等提供所需的力或力矩,极大的拓展了微纳卫星的应用空间。(The present invention relates to a kind of micrometeor green high-capacity single group member thruster structure, propellant under catalyst action, realizes catalytic decomposition in catalytic bed, further sprays after burning through jet pipe generate thrust in a combustion chamber；Thermal control component is mounted in thrust chamber catalytic bed, is carried out temperature to catalytic bed and is controled and monitored.The invention proposes a kind of micrometeor green high-capacity single group member thruster structures, regulate and control capillary temperature by thermally conductive sheet, capillary heat conductive filament etc., inhibit propellant under micrometeor to generate two phase flow in capillary, realizes micrometeor green high-capacity single group member thruster steady operation.Propellant under micrometeor is inhibited to generate two phase flow in capillary, to realize micrometeor green high-capacity single group member thruster steady operation.Micrometeor green high-capacity single group member thruster have the characteristics that high specific impulse, green non-poisonous, light weight, can be pre-packaged, provide required power or torque for micro-nano satellite orbit maneuver, quick response etc., greatly expand the application space of micro-nano satellite.)

一种微流量绿色高能单组元推力器结构

技术领域

本发明涉及一种微流量绿色高能单组元推力器结构，属于推进技术领域。

背景技术

随着绿色高能单组元推进技术的发展，如ADN推进技术，推力器性能得到极大提升，但同时由于推力室温度的提高，使得推力器所处的热环境更为恶劣，对推力器的设计带来极大挑战，与此同时，对于小推力单组元推力器，推力器工作流量小，使得推力器对推力室温度的升高更为敏感，会导致推力器喷注器毛细管中推进剂产生两相流，形成气堵，造成推力不稳定，无法满足使用要求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种微流量绿色高能单组元推力器结构，通过陶瓷和金属复合结构前室，减少推力室热量向毛细管的传导，通过导热片、毛细管导热丝等增加推力室、毛细管与外界的导热通道，降低推力器工作过程中毛细管的温度，抑制微流量下推进剂在毛细管中产生两相流，从而实现微流量绿色高能单组元推力器工作推力稳定。

本发明解决的技术方案为：一种微流量绿色高能单组元推力器结构，包括：微型电磁阀(1)、喷注器(2)、推力室(3)和热控组件(4)；微型电磁阀(1)的出口与喷注器(2)入口连接，微型电磁阀(1)用于对推进剂的流通进行通断控制；喷注器(2)出口与推力室(3)入口连接，喷注器(2)实现推进剂的输送和阻隔推力室(3)的热量向微型电磁阀(1)方向的传导并能够将推力室(3)的热量传导至外部；推力室(3)由催化床(31)、燃烧室(32)和喷管(33)组成，推进剂在催化床(31)中的催化剂作用下，实现催化分解，在燃烧室(32)中进一步燃烧后经喷管(33)喷出产生推力；热控组件(4)安装在推力室(3)催化床(31)外壁上，对催化床(31)进行温度控制和监测。

微型电磁阀(1)，包括一个入口、通断控制开关和一个出口，入口通入的推进剂经过通断控制开关控制流通和阻断后，从出口流出。

喷注器(2)由法兰框架(21)、毛细管(22)、导热片(23)、前室(24)和毛细管导热丝(25)组成，微型电磁阀(1)安装在法兰框架(21)上，前室(24)用于连接推力室(3)，毛细管(22)两端分别焊接在法兰框架(21)和前室(24)上，前室(24)焊接在法兰框架(21)上，导热片(23)一端安装在前室(24)上，导热片(23)另一端连接外部(具体是指外部的卫星支撑板)，毛细管导热丝(25)一端安装在毛细管(22)上靠近前室(24)一侧，毛细管导热丝(25)另一端连接外部(具体是指外部的卫星支撑板)。

推力器工作时，推力室(3)产生高温，高温向喷注器(2)方向传导，通过导热片(23)以及毛细管导热丝(25)，将热量导出推力器外，降低热量向毛细管(22)的传导和在毛细管(22)上的堆积；毛细管(22)的一端连接微型电磁阀(1)的出口，毛细管(22)的另一端连接推力室(3)入口，推进剂从毛细管(22)的一端进入，流经毛细管(22)后，从毛细管(22)的另一端喷入推力室(3)，通过导热片(23)、毛细管导热丝(25)等调控毛细管(22)温度，抑制微流量下推进剂在毛细管(22)中产生两相流。

导热片(23)由连接接头和导热带组成，为铜材质或银材质，连接接头焊接在前室(24)上，位置为毛细管(22)与前室(24)焊接位置的外侧，导热带一端固定在连接接头上，另一端通过压片固定在卫星的支撑板上，增加一个前室(24)与外部的导热通道，将推力室(3)热量传导至外部，降低推力室(3)热量向毛细管(22)的传导。

毛细管导热丝(25)为铜材质或银材质，一端焊接在毛细管(22)上，位置靠近毛细管(22)与前室(24)焊接位置，另一端通过压片固定在卫星的支撑板上，形成毛细管(22)与外部的导热通道，降低毛细管(22)处温度。

法兰框架(21)分为法兰和框架两个部分，法兰为L型结构，为喷注器(2)与微型电磁阀(1)的连接部位和推力器与外部连接安装面，微型电磁阀(1)通过螺钉连接在喷注器(2)法兰上，并通过铝制垫片密封；框架为空心圆柱体侧面开孔型结构，实现阻隔推力室(3)的热量向微型电磁阀(1)方向的传导。

推力器与外部连接采用螺钉连接，推力器与外部卫星导热安装，将喷注器(2)热量传导至外部，降低推力器工作过程中及推力器关机后喷注器(2)、微型电磁阀(1)温度。

前室(24)包括陶瓷连接件和金属连接件，陶瓷连接件和金属连接件焊接连接，陶瓷连接件为带中心喇叭孔的阶梯轴结构，中心喇叭孔中焊接毛细管(22)的一端，阶梯轴细端外壁面上焊接导热片(23)的连接接头，阶梯轴粗端外壁面上焊接金属连接件的内壁面，金属连接件两端面，一端焊接法兰框架(21)的框架，另一端焊接推力室(3)。

毛细管(22)为喷注器(2)的流量压降控制部件，喷注器(2)为单根毛细管(22)喷注结构。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了一种微流量绿色高能单组元推力器结构，通过喷注器上导热片、毛细管导热丝等增加喷注器、毛细管与外界的导热通道，降低推力器工作过程中毛细管的温度。

(2)本发明通过陶瓷和金属复合结构前室方案，增大推力室向毛细管的传热热阻，降低推力室向毛细管的热量传导。

(3)本发明通过法兰框架结构，实现阻隔推力室热量和将热量传导至推力器安装面，减弱热量向微型电磁阀方向的传导。

(4)本发明通过调控毛细管温度，抑制微流量下推进剂在毛细管中产生两相流，实现微流量绿色高能单组元推力器稳定工作。

(5)本发明通过L型喷注器法兰与外部连接，实现安装结构紧凑，适用于应用于立方星等微纳卫星的微推进系统。

附图说明

图1为本发明微流量绿色高能单组元推力器结构示意图；

图2为喷注器结构示意图；

图3为法兰框架结构示意图；

图4为前室结构示意图；

图5为推力室结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种微流量绿色高能单组元推力器结构，包括微型电磁阀(1)、喷注器(2)、推力室(3)和热控组件(4)；微型电磁阀(1)出口与喷注器(2)入口连接，用于对推进剂的流通进行通断管理；喷注器(2)出口与推力室(3)入口连接，由法兰框架(21)、毛细管(22)、导热片(23)、前室(24)和毛细管导热丝(25)组成，喷注器(2)法兰框架(21)实现阻隔推力室(3)工作过程中热量向微型电磁阀(1)方向的传导，导热片(23)降低推力室(3)对毛细管(22)的热传导，毛细管导热丝(25)安装在毛细管(22)上靠近推力室(3)侧，降低毛细管(22)温度，毛细管(22)实现推进剂的输送；推力室(3)由催化床(31)、燃烧室(32)和喷管(33)组成，推进剂在催化床(31)中催化剂作用下，实现催化分解，在燃烧室(32)中进一步燃烧后经喷管(33)喷出产生推力；热控组件(4)安装在推力室(3)催化床(31)上，对催化床(31)进行温度控制和监测。本发明提出了一种微流量绿色高能单组元推力器结构，通过导热片(23)、毛细管导热丝(25)等调控毛细管(22)温度，抑制微流量下推进剂在毛细管(22)中产生两相流，实现微流量绿色高能单组元推力器稳定工作。

本发明的一种微流量绿色高能单组元推力器结构，抑制微流量下推进剂在毛细管中产生两相流，从而实现微流量绿色高能单组元推力器稳定工作。微流量绿色高能单组元推力器具有高比冲、绿色无毒、质量轻、可预包装等特点，为微纳卫星轨道机动、快速响应等提供所需的力或力矩，极大的拓展了微纳卫星的应用空间。

如图1所示，一种微流量绿色高能单组元推力器结构，包括：微型电磁阀(1)、喷注器(2)、推力室(3)和热控组件(4)。微型电磁阀(1)，用于对推进剂的流通进行通断控制，包括一个入口、通断控制开关和一个出口，入口通入的推进剂经过通断控制开关控制流通和阻断后，从出口流出，微型电磁阀(1)的出口与喷注器(2)入口螺钉连接，铝垫片密封。

如图2所示，喷注器(2)由法兰框架(21)、毛细管(22)、导热片(23)、前室(24)和毛细管导热丝(25)组成，喷注器(2)出口与推力室(3)入口电子束焊连接，喷注器(2)实现推进剂的输送和阻隔推力室(3)的热量向微型电磁阀(1)方向的传导并能够将推力室(3)的热量传导至外部。

法兰框架(21)，如图3所示，分为法兰和框架两个部分，法兰为L型结构，为喷注器(2)与微型电磁阀(1)的连接部位和推力器与外部连接安装面，微型电磁阀(1)的出口通过螺钉连接在喷注器(2)法兰上，并通过铝制垫片密封，推力器与外部连接采用螺钉连接，推力器与外部卫星导热安装，将喷注器(2)热量传导至外部，降低推力器工作过程中及推力器关机后喷注器(2)、微型电磁阀(1)温度。框架为空心圆柱体侧面开孔型结构，实现阻隔推力室(3)的热量向微型电磁阀(1)方向的传导。

前室(24)，如图4所示，用于喷注器(2)电子束焊连接推力室(3)，包括陶瓷连接件和金属连接件，金属连接件在外侧，陶瓷连接件在内侧，陶瓷连接件为带中心喇叭孔的阶梯轴结构，阶梯轴粗端外壁面上焊接金属连接件的内壁面，金属连接件两端面，一端焊接法兰框架(21)的框架，另一端电子束焊接推力室(3)，陶瓷连接件中心喇叭孔中焊接毛细管(22)的一端，毛细管(22)为喷注器(2)的流量压降控制部件，喷注器(2)为单根毛细管(22)喷注结构，毛细管(22)另一端焊接在法兰框架(21)上，陶瓷连接件阶梯轴细端外壁面上焊接导热片(23)的连接接头，导热片(23)由连接接头和导热带组成，为铜材质或银材质，连接接头焊接在前室(24)上，位置为毛细管(22)与前室(24)焊接位置的外侧，导热带一端固定在连接接头上，另一端通过压片固定在卫星的支撑板上，增加一个前室(24)与外部的导热通道，将推力室(3)热量传导至外部，降低推力室(3)热量向毛细管(22)的传导。

毛细管(22)上焊接毛细管导热丝(25)，毛细管导热丝(25)为铜材质或银材质，一端焊接在毛细管(22)上，位置靠近毛细管(22)与前室(24)焊接位置，另一端通过压片固定在卫星的支撑板上，形成毛细管(22)与外部的导热通道，降低毛细管(22)处温度。

推力室(3)电子束焊接于喷注器(2)前室(24)上，如图5所示，由催化床(31)、燃烧室(32)和喷管(33)组成，燃烧室(32)和喷管(33)为一体结构，催化床(31)与燃烧室(32)和喷管(33)电子束焊接，催化床(31)中装填催化剂后与喷注器(2)前室(24)电子束焊接。推进剂在催化床(31)中的催化剂作用下，实现催化分解，在燃烧室(32)中进一步燃烧后经喷管(33)喷出产生推力。

热控组件(4)安装在推力室(3)催化床(31)外壁上，对催化床(31)进行温度控制和监测。

推力器工作时，推力室(3)产生高温，高温向喷注器(2)方向传导，通过导热片(23)以及毛细管导热丝(25)，将热量导出推力器外，降低热量向毛细管(22)的传导和在毛细管(22)上的堆积。毛细管(22)中推进剂的对流换热功率P_q与推力室(3)向喷注器(2)传导的热功率P_t，导热片(23)导出的热功率P_d，毛细管导热丝(25)导出的热功率P_m优选满足如下关系：P_q＞P_t-P_d-P_m。其中，P_m＝f_m*C_p*T_m，f_m*表示推进剂流量，C_p为推进剂的比热容，T_m为毛细管下游3～5mm处推进剂的变化平均温差。

毛细管(22)的一端连接微型电磁阀(1)的出口，毛细管(22)的另一端连接推力室(3)入口，推进剂从毛细管(22)的一端进入，流经毛细管(22)后，从毛细管(22)的另一端喷入推力室(3)，通过导热片(23)、毛细管导热丝(25)等调控毛细管(22)温度，抑制微流量下推进剂在毛细管(22)中产生两相流。

毛细管(22)中推进剂的对流换热功率P_q与推力室(3)向喷注器(2)传导的热功率P_t，导热片(23)导出的热功率P_d，毛细管导热丝(25)导出的热功率P_m需要具有一定的匹配性，该结构适用于肼等低能量特性推进剂，也适用于ADN、HAN基绿色高能推进剂。优选方案为：当推进剂为ADN基推进剂时，设P_t为20W，流量f_m为100mg/s时，对流换热功率为14W，要求散热结构导热截面积≥2.5mm²，毛细管内径≤0.3mm，导热功率P_d+P_d≥6W，保障在小流量时，毛细管内不出现两相流，要保障T_m低于一定范围，则要求导热功率要进一步提升。对于散热结构及功率确定需要通过一定的实验进行进一步的确定。采用本发明设计的微流量绿色高能单组元推力器结构，抑制毛细管中推进剂产生两相流，实现微流量绿色高能单组元推力器工作推力稳定。

本发明提出了一种微流量绿色高能单组元推力器结构，通过喷注器上导热片、毛细管导热丝等增加喷注器、毛细管与外界的导热通道，降低推力器工作过程中毛细管的温度。通过陶瓷和金属复合结构前室方案，增大推力室向毛细管的传热热阻，降低推力室向毛细管的热量传导。通过法兰框架结构，实现阻隔推力室热量和将热量传导至推力器安装面，减弱热量向微型电磁阀方向的传导。

本发明通过调控毛细管温度，抑制微流量下推进剂在毛细管中产生两相流，实现微流量绿色高能单组元推力器稳定工作。通过L型喷注器法兰与外部连接，实现安装结构紧凑，适用于应用于立方星等微纳卫星的微推进系统。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。