论文摘要：空间化学微推进技术研究

本文针对空间化学微推进领域两大发展方向——采用无毒推进剂的微推力器和基于MEMS加工技术的微推力器，分别开展的相应研究工作。目标之一是以微小卫星的姿态控制为应用背景，突破单组元推力器关键部件设计以及地面试验等关键技术，研制出采用无毒氧化亚氮（N2O）推进剂的亚牛级单组元推力器原理样机。目标之二是以共烧陶瓷加工技术在微燃烧及微推进领域中的应用为研究背景，针对采用共烧陶瓷材料的轴对称式双组元微燃烧器及微推力器的结构设计、加工工艺、以及燃烧性能开展研究，研制出具有轴对称式燃烧室结构并能在一定时间内维持稳定燃烧的共烧陶瓷微燃烧器。在N2O单组元推力器研究方面，首先参考现有单组元肼推力器的结构特征及研制路线开展了亚牛级N2O单组元推进系统方案设计及推力器的结构设计。基于N2O分解热力学计算结果，采用喷管一维等熵无粘流动模型对所设计N2O单组元推力器的推力及比冲进行了预测，并对影响比冲性能的主要因素进行了分析，计算及分析结果表明N2O单组元推力器理论比冲可达1949N•s/kg，比冲将随N2O分解温度升高而升高。开展了喷管内流场仿真计算，仿真结果揭示了小尺度喷管内附面层厚度较大的特点。采用有限元分析软件对所设计推力器的预热过程和热回浸过程进行了分析，并对喷管热结构进行了校核，分析结果为推力器结构设计提供了依据。提出了亚牛级N2O单组元推力器储箱自增压模型，并通过试验对其准确性进行试验验证，仿真及试验结果均表明储箱压力会随着N2O减少而逐渐降低，压力下降速度分别随着贮箱初始充填率的减小、贮箱容积的减小、N2O质量流率的增加而增大。分别建立了地面环境及模拟高空环境下的试验系统，开展了地面环境下的N2O催化分解试验，结果表明N2O催化分解温度随床载的增加而升高，催化床长度需求随床载增加而加长，寿命随床载增加而缩短。基于催化床结构优选试验结果，分别开展了推力1N和0.1N的推力器的结构设计。模拟真空环境下推力测试试验结果表明设计推力1N的推力器在N2O质量流率为0.6g/s时稳态平均推力可达到924mN，平均比冲达到1560N•s/kg；设计推力0.1N的推力器在0.1g/s质量流率下稳态平均推力达到120mN，比冲达到1207N•s/kg。此外，还从改进预热效率角度出发，提出了一种内加热式N2O单组元推力器的结构方案，并对其性能进行了试验验证。在轴对称式共烧陶瓷微燃烧器研究方面，提出了一种具有轴对称式燃烧室的共烧陶瓷微型燃烧器的结构方案。根据低温共烧陶瓷和高温共烧陶瓷材料的物理性质和加工特点，在开展广泛加工试验的基础上，提出了轴对称式共烧陶瓷微燃烧器的具体加工方案，所加工燃烧器的燃烧室容积范围涵盖16m3~104m3。在所加工的轴对称式共烧陶瓷燃烧器中分别利用氢气、甲烷、乙烯、乙炔与氧气和空气搭配开展了点火试验，比较了不同燃料和氧化剂搭配、不同燃烧室容积、不同点火器结构以及不同喷注形式下的点火效果，试验结果表明氢气与氧气具有最好的点火可靠性。通过控制燃烧温度和使用高温共烧陶瓷材料来加工燃烧器关键部件的方式，在所设计的轴对称式共烧陶瓷燃烧器中实现了短时间内（>10min）的持续稳定燃烧。燃烧效率及热效率测试试验结果表明当前燃烧器的燃烧效率在氢氧当量混合比0.1~0.8范围内能达到95%以上，燃烧器的热效率维持在40%左右。进一步的在轴对称式共烧陶瓷微燃烧器研制基础上加工了一台共烧陶瓷微推力器，该推力器采用氢氧作为推进剂，当总流率为630SCCM（标准升每分钟），当量混合比为0.3时预测推力约为17mN，比冲可达到1831N•s/kg。

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