微型電解水推進器的製作方法
2023-06-16 10:57:51
專利名稱：微型電解水推進器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微型機械技術領域，特別涉及利用純水或水溶液的電解原理的一種微型電解水推進器。
背景技術：
微小型推進技術是伴隨著微小型太空飛行器概念的提出特別是微小衛星的研究開發而凸現出來的。用於傳統太空飛行器的姿控推進器如冷氣推進器或肼推進器等，因頻響有限，衝量單位也比較大，難以滿足微小衛星姿態和位置控制的要求。因此，mN級或更小推力級別、具有較高控制精度的微小型推進器，是航天領域微小型化的關鍵技術之一，具有重要研究意義和應用前景。迄今，國內外已報導的微小型推進器的研究，主要涉及冷氣推進、固體化學能推進和包括電熱、電磁、靜電式的電推進等。冷氣推進系統結構簡單，功耗極低，適於微小型化。比衝太低是其固有缺陷，只適用於工作周期很短的微小型太空飛行器。從長遠角度看，其理論和實用價值不高。
固體燃料推進器的優點是避免了液體工質的洩漏問題；推進器中沒有活動部件，結構簡單可靠；且系統能耗較小。但傳統的固體火箭是一次性使用的，不適於太空飛行器的空間調節。為了解決這一問題，現有設計多採用微細加工工藝得到具有很小衝量單位的固體推進單元，進而組成大規模陣列實現多次啟動。但由於噴管等結構只能一次性使用，浪費有效載荷、不易提高系統總衝量等是其固有缺點，至今未見有效的解決方案見諸發表。此外，其理論比衝較低，一般低於250s，目前實際能達到的水平更低。
靜電或電磁推進器具有極高比衝6000-10000s，遠高於傳統的化學和冷氣推進器。常見的電推進原理包括場發射電推進(FEEP)、脈衝等離子推進(PPT)、及膠體推進等。但是以目前的技術水平，還有一些難以解決的問題，主要是系統整體結構複雜，特別是電源系統的體積和重量比較大，難於微小型化，限制了微小型電推進器的實用化；以目前的技術水平，還不可能用於總重為1kg或10kg級的微衛星。靜電和電磁推進器的工作需要高電壓，PPT還需要高能量的電弧放電電路，相關的電壓變換電路的效率比較低，約50％左右；此外還要解決帶電粒子的電磁汙染問題。
電熱推進有多種工作原理，傳統上有電阻電熱式、電弧加熱式和微波加熱式。從能量傳遞和轉換的角度看，電弧加熱和微波加熱的特點是電能(電弧式)或動能(微波式)在流體工質中直接轉換為工質的熱能，熱能損失於流體和固體壁面之間的對流和輻射換熱；而對電阻加熱方式而言，電能通過熱電阻轉變為熱能儲存在固體加熱器中，再通過固壁—流體之間的對流換熱傳給流體，熱能損失於固體加熱器與其它機構之間的熱傳導和流體與推進器內壁之間的對流換熱。一般來說，對流換熱強度相對較弱，因此電弧和微波加熱的效率一般要高於熱電阻加熱方式。而且電弧或微波式電熱推進系統中最高溫度出現在工質中，推進器結構的溫度相對較低；電阻電熱式推進器則相反。工質的最終加熱溫度是推進器比衝性能的主要決定因素，對於相同的工質溫度，電弧和微波系統的高溫失效風險更小；另一方面，若限制了最高的結構溫度，在電弧和微波系統中允許把工質加熱到更高的溫度以實現更大的比衝。但是，類似於靜電推進器和電磁推進器，電弧加熱和微波加熱系統的電源轉換和驅動電路結構複雜，重量體積較大，電壓變換電路的效率較低，其微型化存在困難。所以目前的微型電熱推進器的主要研究方向是電阻加熱式電熱推進器。
相比於其它電推進原理，電阻電熱式推進器的比衝較低，但其理論比衝要高於化學能推進器。電阻電熱推進器的結構簡單易於微小型化，特別是加熱電阻的製造工藝與MEMS等微細加工工藝兼容，而且工質選擇靈活，故其研究開展較早。但是目前已報導的微型電阻電熱推進器的加熱效率很低，難以把工質加熱到很高的溫度，因此實際比衝很低(最高90s左右)，遠沒有達到理論值；能量利用效率也很低，熱效率一般低於10％。其原因如下。在傳統尺度(尺寸在釐米以上)的電阻電熱推進器中是通過如下手段提高加熱效率和能量利用效率的將加熱電阻懸置在加熱腔中，儘量減小熱電阻與固體壁面的接觸面積，並選用隔熱性能很好的結構材料，從而減小熱傳導損失；同時採用多孔的或肋等強化換熱結構來提高加熱電阻與流體(氣體或液體工質)之間的對流換熱強度。而對於微小型衛星，為了獲得很小的推力和衝量單位，推進器的尺度往往在毫米以下。這一尺度的器件的加工，目前主要還是依賴MEMS工藝，工藝手段和材料選擇都受到很大限制。1)微型推進器內腔體和管道的尺寸很小，雷諾數很低，加熱電阻與工質(氣體或液體)之間的對流換熱強度很低；而多孔或多肋板等強化換熱結構不易與現有微細工藝兼容；2)現有MEMS工藝主要採用單晶矽或金屬作為結構材料，這些都是熱的良導體(單晶矽的導熱率優於鋼材1.5倍以上)，增大了電阻和基底之間的熱傳導；雖然可以製備SiO2用於隔熱，但只能製作薄膜，隔熱效果有限；3)關於電阻的製備，懸置結構不易製作，一般的MEMS電阻採用濺射金屬層電阻或CVD多晶矽薄膜電阻，得到的平面電阻與基底接觸面積很大，而與流體接觸的面積又有限，因此導熱損失很大；採用犧牲層工藝可以得到懸置結構，但懸置高度很小，效果有限，且降低了結構可靠性；哈佛和Brown大學開發的體矽電阻加熱器擴大了流體和加熱器的接觸面積，但電阻與基底的連接面積依然較大，而且在這種加熱器中電阻和基底接觸的部分是導電通道，無法製備隔熱薄膜。
沿用常規推進原理朝微小型化方向發展，往往碰到原理上或者現有技術能力的限制，因此有必要考慮進行新型推進原理的研究；以MEMS工藝為代表的微細加工技術的迅速發展則為這種研究提供了必要的工藝手段，在um和亞毫米級的微小尺度中，實現在大型火箭和推進器中無法實現的結構和工作原理。
發明內容
本發明提出了一種微型電解水推進器。包括(1)帶有單向閥結構的微型電解水推進器，(2)採用高深寬比結構電極或平面電極的、不帶有單向閥的微型電解水推進器。
所述帶有單向閥結構的微型電解水推進器由頂板8、底板9和噴口板12三層平板結構疊合而成在頂板8和底板9之間製備有間隔排列的電解陽極2和電解陰極3，疏水薄膜4塗覆在頂板8和底板9之間的電解反應腔10內表面，電解反應腔10右邊為燃燒腔5，點火電極7在燃燒腔5內；在燃燒腔5的的出口處設置單向閥門11，噴口板12固定在底板9上，在單向閥門11的下遊為微型平面噴管6；在頂板8中還開有進水口1，進水口1是內表面親水的微細管道。
所述採用高深寬比結構的電極的無單向閥微型電解水推進器，由頂板8和底板9疊和而成。底板9上製備有高深寬比的金屬層，構成進水口1、電解陽極2、電解陰極3和點火電極7，點火電極7設置在燃燒腔5內，在頂板8和底板9之間為電解反應腔10，電解反應腔10右邊為燃燒腔5和平面噴管6；頂板8上刻有淺槽，該淺槽作為電解反應腔10中的氣流通道13。電解反應腔10中的氣流通道13、燃燒腔5和微噴管6的內表面都製備了疏水薄膜4。進水口1是內表面親水的微細管道。
所述電解電極是採用電鑄工藝得到的高深寬比的梳狀電極。
所述電解陽極和電解陰極位於同一表面上，平行布置。
所述推進器的噴管是微型的平面噴管，集成在燃燒室的出口。
所述採用平面電極的無單向閥微型電解水推進器，由頂板8和底板9疊和而成。頂板8或底板9上刻有槽狀進水口1、電解反應腔10、燃燒腔5和微型平面噴管6。頂板8或底板9上製備有金屬薄膜，形成電解陽極2、電解陰極3和點火電極7，點火電極7設置在燃燒腔5內。電解陽極2和電解陰極3可以全部製備在底板9上，平行布置；也可分別製備在頂板8和底板9上，對稱布置。電解反應腔10中的氣流通道13、燃燒腔5和微噴管6的內表面都製備了疏水薄膜4。進水口1是內表面親水的微細管道。
所述推進器的噴管是微型的平面噴管，集成在燃燒室的出口。
本發明的有益效果是1、微型電解水推進器的熱效率高。
工質的加熱是通過燃燒釋放的化學能，是內熱源方式。傳熱損失發生在高溫水蒸氣與燃燒腔壁面之間的輻射和對流換熱；這一點類似於電弧和微波加熱式電熱推進器。如前文「背景技術」中所述，採用MEMS等微細工藝製作的微型推進器中，對流換熱強度很難提高。這一特點對於電阻電熱推進器而言是缺點，而對於本發明所述的微型電解水推進器而言則是優點，有效減小了傳熱損失，提高了熱效率。
2、比衝性能較高，結構溫度較低，因高溫而失效的風險小。
由於傳熱損失低，推進器的結構溫度較低。在相同的加熱能量下，降低結構溫度意味著降低了器件因高溫失效的風險，而且也避免由於推進器表面的溫度過高而幹擾衛星上其它部件的正常工作；或者，如果系統設計中限制了推進器的結構溫升，那麼對於相同的結構溫度上限，採用本發明所述的微型電解水推進器，就可以得到更高的工質溫度，提高比衝性能。
3、控制精度高。
通過測量和調整電解過程的電壓、電流和通電時間，可以精確控制產生的氫氧混和氣體的量，從而精確控制每脈衝中推進器輸出的衝量。該微型推進器採用微細工藝製造，電解反應腔、管道和燃燒腔的容積很小，因此每脈衝的衝量輸出很小，可以大大提高衛星的姿態和位置的控制精度。
4、電源系統和驅動電路簡單，效率高，易於微小型化。
電解過程採用低壓電源，不需要複雜的轉換和驅動電路，容易微小型化；電路效率較高，降低了衛星的功耗。點火過程所需能量也很低，採用簡單小巧的振蕩電路即可。
5、結構簡單，適於採用MEMS等微細加工工藝實現集成化和微小型化設計。
電解反應電極和點火電極、平面化的電解反應腔、燃燒腔和微型噴管等結構，都與矽平面微細工藝等MEMS技術相兼容，易於實現微小型化和提高系統的集成度，減小整個系統的尺寸、重量和內部管道腔體的死區容積，提高控制精度；適於陣列化設計和製造。
6、無毒無汙染。
採用清潔工質純水或適當的電解質溶液。這種水基工質無毒，無腐蝕性，不易燃，容易保存，是最理想的推進器工質。而且推進器工作過程的中間和最終產物都是電中性的，不會對衛星造成電磁汙染。
圖1為一種採用平面電極和單向閥的微型電解水推進器的結構示意圖。
圖2為圖1的微型電解水推進器的頂板結構示意圖。
圖3為採用高深寬比結構的電極的微型電解水推進器的結構示意圖。
圖4為圖3的A-A剖面所示的電解反應腔內的流場和電場示意圖。
圖5為採用平行布置的平面電極的微型電解水推進器的結構示意圖。
圖6為圖5的A-A剖面所示的電解反應腔內的流場和電場示意圖。
圖7為採用對稱布置的平面電極的微型電解水推進器的結構圖。
圖8為圖7的A-A剖面所示的電解反應腔內的流場和電場示意圖。
圖9為圖8的B-B剖面所示的電解反應腔內的流場示意圖.
具體實施例方式
本發明提出了一種微型電解水推進器。基本工作原理是1)首先利用電化學原理，將純水或水的電解質溶液電解為氫氣和氧氣陰極反應陽極反應總反應2)點燃上述氫氧混合氣體的電解反應產物，發生爆燃並放熱，形成高溫高壓的水蒸氣，噴出微型噴管形成推力。
氫氧燃燒反應不計中間環節，能量轉換的方式是「電能→熱能」。
在圖1所示的一種採用平面電極和單向閥的微型電解水推進器的結構示意圖中，在工質貯箱中，利用飽和蒸汽壓維持一個比較低的供給背壓。在推進器開始工作後，工質貯箱的電控閥門打開，由於毛細效應，工質貯箱裡的水自動通過在頂板8中開的內表面親水的槽狀進水口1(如圖2所示)的微管道流入電解反應腔10。電解反應腔10中分別用疏水、親水材料製備適當形狀的塗層，形成疏水薄膜4，利用表面張力防止液態水直接流入燃燒腔5和溢出噴口6，並得以精確控制水的供給量(即由親水、疏水層的邊界所界定的容積)。然後給電解陽極2和電解陰極3施加直流電壓，電解反應開始，電解反應腔10內的水轉化為氫氧混合氣體，其成分比例恰為氫氧燃燒的化學反應配比，處於爆炸極限範圍。電解過程中，工質由液態轉變為氣態，體積擴大，充滿燃燒腔5。在燃燒腔5和噴管6之間有一單向閥門11，在氫氧混和氣體被點燃之前，燃燒腔5內的壓力不夠高，打不開單向閥11，因此混和氣體儲存在燃燒腔5內，不會通過噴管6洩漏。由電解驅動電路的電壓、電流參數判斷電解過程的結束，並控制燃燒室5內的點火電極7通電，氫氧混合氣體被電弧點燃發生爆燃，形成的高溫高壓水蒸氣，打開單向閥11並從噴管6噴口噴出，產生推力。點火電極7安排在燃燒室5的推力室前部，防止部分工質在沒有燃燒之前就被後腔高壓的燃燒產物噴出。一次噴射完成後，推力室壓降低，工質的供給再次自動進行，系統的工作得以維持，並以脈衝形式工作，直到工質貯箱的控制閥門關閉或關斷電解電壓。電解反應腔、燃燒室和噴口採用兼容的微細工藝流程加工成一體化的推力室，提高器件的集成度，並大大減個了管道和腔體的容積，提高了系統的響應速度和控制精度。
本發明的這一系列反應理論上可以把20℃的水轉變成3000℃以上的高溫水蒸氣，得到450s以上的理論真空比衝。這已經遠遠超出了現有的除離子推進以外的其他電推進器。實際上，由於電極上氫、氧過電位的存在，以及溶液本身的歐姆電阻，在電解過程中有額外的熱能以歐姆熱的形式儲存在工質中，若不計能量損失，反應溫度和理論比衝更高。
圖3、4所示採用高深寬比結構的電極的微型電解水推進器的結構圖。由頂板8和底板9疊和而成(在圖3中，為了顯示其內部結構，而將頂板8打開)。底板9上通過電鑄技術製備高深寬比的金屬層，形成進水口1、電解陽極2、電解陰極3(點火電極7與電解電極共用同一結構)、電解反應腔10、燃燒腔5、平面噴管6。頂板8上刻有淺槽，槽底製備了疏水薄膜4。該淺槽的主要功能是作為電解反應腔10中的氣流通道13。燃燒腔5和噴管6的內表面都製備有疏水薄膜4，阻止尚未被電解的水流入燃燒腔5和噴管6。進水口1是內表面親水的微細管道。
圖4所示為圖3所示推進器的A-A剖面圖，顯示了電解反應腔10內水基工質15(純水或電解質的水溶液)的流場、氣流通道13和電力線14的形狀與分布。電解反應腔10的上表面(頂板8)覆有疏水薄膜4，因此水基工質僅容納於高深寬比的電極之間，不會充滿整個電解反應腔10，從而在上方形成了氣流通道13。電解產生的氫氧混和氣體通過氣流通道13從電解反應腔10溢出到燃燒腔5。
如圖5、6所示為採用平行布置的平面電極的微型電解水推進器的結構圖。由頂板8和底板9疊和而成(在圖5中，為了顯示其內部結構，而將頂板8打開)。底板9上通過金屬濺射或電鍍技術製備平面化的電解陽極2、電解陰極3和點火電極7。其中電解陽極2和電解陰極3可以採用同種金屬，也可以採用不同種金屬，它們位於同一平面(底板9的上表面)並平行布置。頂板8的下表面刻有一定深度的槽。頂板8上的槽狀進水口1、電解反應腔10、燃燒腔5和微型平面噴管6。燃燒腔和噴管的內表面都製備有疏水薄膜4，阻止尚未被電解的水流入燃燒腔5和噴管6。進水口1是內表面親水的微細管道。
圖6所示為圖5所示推進器的A-A剖面圖，顯示了電解反應腔10內水基工質15(純水或電解質的水溶液)的流場、氣流通道13和電力線14的形狀與分布。電解反應腔10的上表面(頂板8)覆有疏水薄膜4，因此水基工質附著在電極平面上方的一定高度，不會充滿整個電解反應腔10，從而在其上方形成了氣流通道13。電解產生的氫氧混和氣體通過氣流通道13從電解反應腔10溢出到燃燒腔5。
圖7、8、9所示為採用對稱布置的平面電極的微型電解水推進器的結構圖。由頂板8和底板9疊和而成(在圖7中，為了顯示其內部結構，而將頂板8打開)。底板9和頂板8的結構完全相同，但是所選用的金屬材料可以不同。底板9的上表面和頂板8的下表面的一部分刻有淺槽，共同形成電解反應腔10；另一部分刻有深槽，形成進水口1、燃燒腔5和微型平面噴管6。頂板8上通過金屬濺射或電鍍技術製備電解陽極2，在與之對稱的位置上，底板9上製備了電解陰極3，二者形狀完全相同，頂板8和底板9裝配在一起後，它們的位置恰好正對。以同樣的工藝製作點火電極7。在電解反應腔10的前端，其內表面上製備了疏水薄膜4，阻止尚未被電解的水流入燃燒腔5和噴管6。進水口1是內表面親水的微細管道。
圖8所示為圖7所示推進器的A-A剖面圖，顯示了電解反應腔10內水基工質15(純水或電解質的水溶液)的流場、氣流通道13和電力線14的形狀與分布。不論是頂板8還是底板9上，電解陽極2和電解陰極3的基底塗覆有疏水薄膜4，因此水基工質僅附著在上下相對的陽極2和電解陰極3之間，不會溢出充滿整個電解反應腔10，從而在這些工質之間形成了氣流通道13(如圖9所示)。電解產生的氫氧混和氣體通過氣流通道13從電解反應腔10溢出到燃燒腔5。
權利要求
1.一種微型電解水推進器，包括帶有單向閥結構的微型電解水推進器和採用高深寬比結構電極或平面電極的不帶有單向閥結構的微型電解水推進器；其特徵在於所述帶有單向閥結構的微型電解水推進器由頂板(8)、底板(9)和噴口板(12三層平板結構疊合而成在頂板(8)和底板(9)之間製備有間隔排列的電解陽極(2)和電解陰極(3)，疏水薄膜(4)塗覆在頂板(8)和底板(9)之間的電解反應腔(10)內表面，電解反應腔(10)之後為燃燒腔(5)和微型平面噴管(6)，點火電極(7)在燃燒腔(5)內；在燃燒腔(5)的和微型噴管(6)之間設置單向閥門(11)，噴口板(12)固定在底板(9)上；在頂板(8)中還開有進水口(1)；所述採用高深寬比結構電極的無單向閥結構的微型電解水推進器，由頂板(8)和底板(9)疊和而成，底板(9)上製備有高深寬比的金屬層，形成進水口(1)、電解反應腔(10)、燃燒腔(5)、微型噴管(6)、電解陽極(2)、電解陰極(3)和點火電極(7)，點火電極(7)設置在燃燒腔(5)內；頂板(8上刻有淺槽，該淺槽作為電解反應腔(10)中的氣流通道(13)，電解反應腔(10)中的氣流通道(13)、燃燒腔(5)和微噴管(6)的內表面都製備了疏水薄膜(4)；所述採用平面電極的無單向閥結構的微型電解水推進器，由頂板(8)和底板(9)疊和而成，頂板(8)或底板(9)上刻有一定深度的槽，構成進水口(1)、電解反應腔(10)、燃燒腔(5)和微型平面噴管(6)；頂板(8)或底板(9)上製備有金屬薄膜，形成電解陽極(2)、電解陰極(3)和點火電極(7)，點火電極(7)設置在燃燒腔(5)內；電解陽極(2)和電解陰極(3)可以全部製備在底板(9)上，平行布置；也可分別製備在頂板(8)和底板(9)上，對稱布置；電解反應腔(10)中的氣流通道(13)、燃燒腔(5)和微噴管(6)的內表面都製備了疏水薄膜(4)。
2.根據權力要求1所述的一種微型電解水推進器，其特徵在於所述進水口是內表面親水的微細管道，利用毛細效應，實現工質自動注入電解反應腔。
3.根據權力要求1所述的一種微型電解水推進器，其特徵在於電解反應腔中分別利用疏水和親水材料製備適當的親水和疏水圖案，利用表面張力作用阻止尚未被電解的液態水直接流入燃燒腔和溢出噴口；並利用親、疏水圖案的邊界所界定的容積精確控制工質的供給量。
4.根據權利要求1所述微型電解水推進器，其特徵在於所述電解電極是採用電鑄工藝得到的高深寬比的梳狀電極。
5.根據權利要求1所述微型電解水推進器，其特徵在於所述電解陽極和電解陰極是採用金屬濺射或電鍍工藝加工的平面電極，位於同一表面上，平行布置；或分別位於電解反應腔上下表面，對稱布置。
6.根據權利要求1所述微型電解水推進器，其特徵在於所述推進器的噴管是微型的平面噴管，集成在燃燒室的出口。
全文摘要
本發明屬於微型機械技術領域的利用純水或水溶液的電解原理的一種微型電解水推進器。包括1)由頂板、底板和噴口板三層平板結構疊合而成的帶有單向閥的微型電解水推進器；2)由頂板和底板疊合而成的採用高深寬比結構電極或平面電極的無單向閥微型電解水推進器。電解反應腔在頂板和底板之間，內有電解陽極和電解陰極，燃燒腔內有點火電極，疏水薄膜塗覆在電解反應腔和燃燒腔內表面，單向閥門在燃燒腔和微型噴管之間。本發明的微型推進器通過水的電解反應生成氫氧混和氣體，進而點燃生成高溫高壓水蒸氣噴出噴管形成推力，提高了器件的比衝性能、熱效率、響應速度和控制精度，其結構與MEMS微細工藝兼容，容易加工，適於實現微型化和集成化。
文檔編號C25B1/04GK1804386SQ200510132739
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月28日 優先權日2005年12月28日
發明者陳旭鵬, 李勇 申請人:清華大學