紀國圣，吳弘濤，李海旺

(北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京　100191)

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變噴口微型固體火箭發(fā)動機設計加工與試驗①

紀國圣，吳弘濤，李海旺

(北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京100191)

提出了一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的全新橫向加工毫米級可變噴口角度微型固體火箭發(fā)動機的設計、加工和點火試驗。微型火箭發(fā)動機是理想的高精度、高推重比的動力系統(tǒng)。在微型航天器的姿態(tài)調(diào)節(jié)、速度控制、重力補償及軌道變更方面都有很大的作用。該新型發(fā)動機由本征硅和BF33玻璃陽極鍵合而成，主體由燃燒室、尾噴管和通氣槽等結構組成。主體結構利用MEMS體加工技術中干法刻蝕工藝橫向加工于本征硅片表面上，實現(xiàn)尾部噴管角度的可調(diào)節(jié)，優(yōu)化了推力的作用效果，簡化了加工工藝流程，增加了加工精度。發(fā)動機燃料采用HTPB復合燃料。文中詳細介紹了橫向加工工藝的流程、燃料的制備和填充技術，詳述了發(fā)動機的點火試驗。

毫米級；固體燃料；火箭發(fā)動機；MEMS技術

0　引言

微型衛(wèi)星憑借著低廉的價格，標準化、批量化的生產(chǎn)等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為未來航天研究的新方向。而微型動力系統(tǒng)作為微型衛(wèi)星的核心技術系統(tǒng)，其可靠性、快速響應性、高精度和高可靠性及成本因素成為微型衛(wèi)星能否成功研制的關鍵。

傳統(tǒng)的微電推進技術[1-2]、微冷氣推進技術[1,3-4]和微等離子體推進技術[5]，在體積和質(zhì)量上存在較大缺陷，導致微型衛(wèi)星的發(fā)射成本較高，限制了其在微型航天器上的使用前景。為了研制低成本、高可靠性的微型飛行器動力系統(tǒng)，各國正在發(fā)展基于微機電系統(tǒng)MEMS(Micro Electro-mechanical System)技術的微化學推進裝置。

與傳統(tǒng)火箭發(fā)動機相比，微型固體火箭發(fā)動機實現(xiàn)了體型從米數(shù)量級降為毫米數(shù)量級的進步。該發(fā)動機是一種體積小、集成度高、推重比大、可靠性高、加工成本低的微化學推進裝置，通過燃燒燃燒室中的固態(tài)燃料，將儲存在燃料中的化學能轉化成動能，利用從噴管噴出的燃燒產(chǎn)物的反沖量來提供向前的動力。

與微型液體、氣體火箭發(fā)動機[1-2,6-8]相比，微型固體火箭發(fā)動機的優(yōu)勢在于沒有轉動件，極大地降低了摩擦等不利因素帶來的設計和加工難度。此外，固體推進劑不可流動的特點給燃料的裝填和發(fā)動機的封裝保存帶來了便利。

本文提出一種可變噴管角度的毫米級微型火箭發(fā)動機的設計、加工和點火試驗。發(fā)動機由硅基燃燒室、收縮-擴張噴管、封裝玻璃、固體推進劑組成。該發(fā)動機在設計中能夠調(diào)節(jié)噴管角度，具備低成本、高可靠性、高集成性、工業(yè)化生產(chǎn)的特點，在皮納衛(wèi)星的姿勢調(diào)整、智能子彈動力系統(tǒng)等方面有極大實用價值。

1　發(fā)動機總體設計

1.1國內(nèi)外研究情況

國內(nèi)外諸多機構開發(fā)出各種類型的微型火箭發(fā)動機。國內(nèi)外的典型代表為以下3家機構：加州大學伯克利分校Dana Teasdale等制作出適用于智能灰塵的微型火箭發(fā)動機[9]；法國LAAS-CNRS實驗室Rossi C等[10]也開發(fā)出了一個由噴管、點火器和燃燒室組成的一個三明治結構的推力系統(tǒng)；國內(nèi)清華大學張高飛等研制了固體推進器包括工質(zhì)貯腔、收斂擴散噴管和點火器[11-12]，該設計見圖1。

圖1　清華大學設計的微推力系統(tǒng)

以上開發(fā)的微化學推進系統(tǒng)都采用縱向加工方式，即將噴管層、點火電路層和燃燒室層分開加工，然后再通過膠合或鍵合將3個部分連接。噴管層通過MEMS濕法加工工藝制成，受限于單晶硅的特定晶向，只能加工出特定噴管角度的噴管層。法國LAAS-CNRS實驗室采用膠合連接各層結構，給整體結構的穩(wěn)定性、精密性帶來了系列問題。燃料燃燒后，沖量過大可能會對噴管層結構造成破壞。

1.2發(fā)動機設計綜述

發(fā)動機的設計見圖2。發(fā)動機橫向設計加工中，整體結構可分為2層：本征硅片層和BF33玻璃層。本征硅片層由橫向設計的3部分組成，燃燒室、通氣槽和尾噴管。發(fā)動機的主體結構被刻蝕在硅片層上。

圖2　可變噴口的微型固體火箭發(fā)動機設計

BF33玻璃層作為發(fā)動機主體結構的密封層使用，與燃燒室、尾噴管等結構直接相連，所受溫度高、沖量大，并在裝填過程中需要透明可視，故采用抗熱性能極佳、強度較大、硅玻璃鍵合較為容易的BF33玻璃片。其主要作用是將硅片層的發(fā)動機主體結構與外界隔離，使固體火藥的燃燒順利進行，防止推進劑泄露。此外，在加工過程中，硅玻璃鍵合具備鍵合難度低、鍵合質(zhì)量好、環(huán)境要求低、加工成本低等優(yōu)勢。

燃燒室主要用來儲存固體推進劑，同時參與推進劑的燃燒。燃燒室中的推進劑作為能量來源，要求設計有一定的容積來儲存足夠的推進劑。燃燒室通過干法刻蝕特定形狀的硅片層加工而成，在高深度干法刻蝕中，通過大量實驗，優(yōu)化了刻蝕過程中相關工藝參數(shù)，保證了高深度的情況下良好的形貌表面，保證了燃燒時氣體流通的穩(wěn)定性，提高了燃燒效率。發(fā)動機的主體結構平面尺寸見圖3。

通氣槽用于制造壓差裝填燃料，由于燃料為粘稠狀固體，粘性極大，需要較大的負壓和超聲波輔助才能成功完成填裝，負壓是通過通氣槽和真空泵組成的特殊注射裝置實現(xiàn)。通氣槽寬度的設計需要同時保證負壓的效果，并防止裝填燃料時燃料溢出及點火時氣體從通氣槽噴出，通氣槽的寬度設計為50 μm。

圖3　發(fā)動機尺寸(μm)

尾噴管使高速高溫燃氣的熱能轉換為動能，向外噴出從而產(chǎn)生推力。同時，通過對燃氣流量的控制，使燃燒室內(nèi)建立工作壓差。由于噴管內(nèi)有高溫高速燃氣的劇烈變化，導致其工作條件較惡劣。噴管采用先收縮后擴張的拉瓦爾噴管，使燃氣流動從亞聲速加速到超聲速，以增大流速與推力。在設計加工中，通過改變拉瓦爾噴管的設計參數(shù)，最終實現(xiàn)了可變噴口的形貌優(yōu)化。

空氣散熱槽用于增加隔熱效果，加強點火效率。

1.3發(fā)動機設計技術指標

發(fā)動機設計中，采用了不同參數(shù)的對比試驗。標準組的平面圖如圖4所示。圖4中，5個一組的長度為12 800 μm，寬度為3 400 μm，噴管角度為12°，喉管寬度為260 μm。從左到右5個通氣槽的寬度分別為30、40、50、60、70 μm，每個發(fā)動機單元之間都有一個空氣槽隔開。

圖5為實驗對照組中的其中一組，實驗對照組的噴管角度為20°和30°，對照組主要研究噴管角度對點火性能和氣動布局的影響。

圖4　發(fā)動機設計CAD圖(噴管張角12°)

圖5　發(fā)動機設計CAD圖(噴管張角20°)

2　發(fā)動機加工技術

2.1本征硅片層加工

發(fā)動機主體利用MEMS干法刻蝕技術加工，加工環(huán)境要求為百級及千級區(qū)，分兩步刻蝕工藝來實現(xiàn)不同深度的刻蝕，第一步選取刻蝕面積較小的空氣槽及點火電路主體結構進行刻蝕，以保證第二步刻蝕時刻蝕表面形貌的良好。加工工藝流程見圖6。

圖6　MEMS干法刻蝕技術加工工藝流程圖

清洗：取一片直徑4寸、厚度1 mm的本征硅片進行清洗。先用無塵布蘸取酒精擦拭，然后用去離子水沖洗，最后利用氮氣吹干，并保證表面無水漬及污漬。

涂光刻膠：向放置在涂膠機中的硅片中心滴3～5滴的R2N-6200增粘劑，以2 500 r/min的轉速涂勻增粘劑50 s，以保證后期光刻膠的粘著性。接著，向硅片中心滴入硅片面積1/4的GHI-1400光刻膠，以500 r/min的轉速涂勻光刻膠2.5 min。

前烘：使用前烘鑷子夾取涂膠后的硅片，放置在前烘熱板(110 ℃)上進行前烘工藝，計時100 s后，使用前烘鑷子取出硅片。

曝光：將涂膠后的硅片轉移至放置好掩模版的曝光機上，在UV光下曝光。選用頂部套刻、硬接觸、30 μm對準間隙，87 s曝光時長。硅片上的光刻膠，一部分在掩模版結構的保護下沒有暴露變性，另一部分由于沒有受到掩模版的保護被UV光照射而變性。

顯影：將AZ400K顯影液與去離子水(單個硅片按照50 ml和150 ml的配比)配制顯影液，將曝光后的硅片放置在顯影液中進行顯影工藝，待設計圖案清晰浮現(xiàn)，一般時間為5 min，光刻膠被完全去除后取出硅片，在去離子水中清洗硅片，防止過顯影。

后烘：將清洗后的硅片用氮氣氣槍吹干，將硅片放置在后烘熱板(100 ℃)上進行后烘工藝，計時60 s結束后，用后烘鑷子取出硅片，準備進行刻蝕。

刻蝕：本實驗采用的是STS Plasma ICP干法刻蝕設備，在轉移至ICP刻蝕前，應利用酒精擦拭硅片背面保證潔凈度。ICP刻蝕是利用感應耦合等離子體刻蝕機將暴露出來(未被光刻膠覆蓋)的硅片表面通過保護氣體C4F8和刻蝕氣體SF6的交替反應進行刻蝕，從而形成具有特定形貌的立體結構。

選取改良后刻蝕參數(shù)：線圈功率為600 W；加速平板功率為15 W；工藝腔體內(nèi)壓強為30 mTorr；刻蝕和保護氣體流量分別為C4F8∶85 sccm，SF6∶130 sccm；單次循環(huán)過程中刻蝕時長比鈍化工藝時長為8 s∶5 s～12 s∶5 s；循環(huán)周期數(shù)為500；工藝溫度為25 ℃；刻蝕過程中O2流量為13 sccm,刻蝕深度為486 μm。

為了能夠順利地裝填火藥，刻蝕深度選擇了500 μm工藝。圖7為距離傳感器3D掃描的燃燒室橫截面圖，工藝改良前后對比見圖8。

圖7　發(fā)動機截面掃描圖

圖8　工藝改良前后對比圖

根據(jù)3D實體掃描結果，改良過的工藝Ra達到了2.74 μm，硅片地面平滑光整。發(fā)動機點火不會受到因為底部“長草”的影響，減少流動損失；裝填火藥的效率也大大提高,掃面結果見圖9。

刻蝕后，利用SP-01正膠剝離劑將表層殘留的光刻膠全部剝離，進行第二次刻蝕工藝，完成刻蝕工藝的硅片如圖10所示。

圖9　工藝改良前后表面掃描對比

圖10　完成刻蝕工藝的硅片

2.2發(fā)動機整體鍵合與切片

發(fā)動機的三維微機械結構需要通過一定的鍵合技術實現(xiàn),將4寸500 μm厚的BF33玻璃片和1 mm厚的本征硅片鍵合成一個完整的固體火箭發(fā)動機。

不同于不穩(wěn)定的膠合方式，該微型火箭發(fā)動機采用陽極鍵合方案完成整機的制作，陽極鍵合通過原子間的相互作用力，在微觀尺度上將硅玻璃層連接在一起，具有不需要粘合劑等輔助材料、較高的機械強度等優(yōu)勢。

使用AML ALIGNER WAFER BONDER鍵合設備，陽極鍵合是通過外電場的作用將硅片與玻璃連接。在實際操作時，將玻璃與硅片緊靠在一起，同時硅片接陽極，玻璃接陰極。在真空環(huán)境中，通過800 V電壓與370 ℃高溫形成BF33玻璃與本征硅片原子鍵，從而實現(xiàn)鍵合，保證了結合面良好的氣密性和穩(wěn)定性，防止了后期切片時的翹曲、分離等缺陷。

最后，將鍵合好的硅玻璃片利用切割設備進行切片，切割刀口厚度為30 μm，生成獨立的發(fā)動機單元，微型固體火箭發(fā)動機成品見圖11。

圖11　可變噴管的微型固體火箭發(fā)動機

3　燃料的配置與裝填技術

3.1燃料配置

發(fā)動機的燃料選擇HTPB復合燃料，HTPB推進劑具有工藝與力學性能優(yōu)異，可容納較多固體含量以及燃速調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點，對于毫米級的微型火箭發(fā)動機而言，其常溫下的穩(wěn)定性讓其成為理想的燃料。

燃料成分質(zhì)量比例見表1。其中，HTPB是一種丁二烯聚合物，半透明液體，有極強的粘性；AP是白色的晶體，是強氧化劑，分解可產(chǎn)生大量氣體;Fe2O3作催化劑。

表1　HTPB復合燃料(1)成分配比

具體配置過程如下：將HTPB利用玻璃棒引流倒入相應的燒杯中，利用電子分析天平稱出HTPB的質(zhì)量，并利用公式計算AP和Fe2O3的質(zhì)量，稱量出所需要的AP和Fe2O3，混合，用玻璃棒攪拌均勻。此處先稱量HTPB是因為HTPB粘性過強，難以取用。

將混合完成的燃料轉移至研缽中，研磨2 h，然后轉移至專用的試劑瓶中，在陰涼處貯存。

從試劑瓶中取出部分試樣放入表面皿中，在熱板中恒溫75 ℃加熱7 d進行固化，固化結束后，研磨即得到推進劑試樣。

此外，還配置了另一種燃料試樣，即在原燃料各成分相對質(zhì)量比不變的基礎上，再加上20%的超細鋁粉(具體配方見表2)，鋁粉可增加燃料的燃燒率和火焰溫度，從而增加發(fā)動機的比推力。

表2　HTPB與AP復合燃料(2)成分配比

3.2燃燒試驗對比

取相同質(zhì)量的HTPB與AP復合燃料(1)、(2)通過鎳鉻合金絲進行電阻點火試驗，鎳鉻合金絲長度為4.5 cm。對比燃燒結果(見表3)，確定相應的點火電流、點火時長及火焰形貌。點火試驗見圖12。

表3　2種燃料點火實驗數(shù)據(jù)對比

(a)HTPB復合燃料(1)　　(b)HTPB復合燃料(2)

3.3燃料裝填

燃料填裝技術一向是微型固體火箭發(fā)動機的難點，可利用70 kPa的壓差將燃料填入燃燒室，在設計時，在燃燒室一側設計有通氣口，裝填燃料時利用真空泵抽空燃燒室內(nèi)的空氣，創(chuàng)造燃燒室和噴管之間的負壓環(huán)境，進而將燃料裝填入燃燒室。

燃料裝填裝置如圖13、圖14所示。該裝置的裝置從上至下分為3個部分：頂蓋、發(fā)動機基座、抽氣層。裝置有2個重要的腔室：發(fā)動機放置槽、濾膜固定腔。

圖13　燃料填充裝置設計

圖14　燃料填充裝置

頂蓋為燃料注入的部分，粘稠狀燃料通過裝置內(nèi)部通道進入發(fā)動機放置槽，當燃燒室內(nèi)壓強較低時，粘稠狀燃料可填充入發(fā)動機燃燒室內(nèi)。

發(fā)動機基座上層用于支撐發(fā)動機，基座中間有一氣流通道，使發(fā)動機放置槽內(nèi)形成低壓環(huán)境，基座下層空間與抽氣層構成的腔室用于儲存多余的燃料。

抽氣層主要有2個作用：一是與真空泵相連，通過真空泵抽氣使裝置內(nèi)形成低壓；二是放置濾膜，防止燃料進入真空泵，所放置的為2層0.22 μm孔徑的濾膜。

裝置各層之間通過銷孔進行定位與連接。整個裝填系統(tǒng)如圖15所示。

圖15　燃料填充系統(tǒng)

4　發(fā)動機點火試驗

采用從尾噴口伸入電阻絲點燃火藥，這種點火方式雖然自動化不強，但具備簡單、低成本、易實現(xiàn)的特點，點火成功率極高。

裝填燃料后，選取直徑30 μm的鎳鉻合金絲作為點火電阻，將部分鎳鉻合金絲置于微型火箭發(fā)動機噴口處，接通電源，將電流調(diào)至0.21 A左右，等待片刻后該發(fā)動機點燃，試驗中尾部推進氣體噴射形狀呈現(xiàn)扇形，圖16為發(fā)動機點火成功的照片。

5　結論

(1)打破傳統(tǒng)微型固體火箭發(fā)動機將發(fā)動機沿縱向進行分層與加工的加工方式，將發(fā)動機沿平行于橫向進行分層與加工。

(2)降低傳統(tǒng)加工方式中，由于噴管部分的加工精度要求極高所帶來的加工難度，提高系統(tǒng)特別是噴管部分的加工精度。

(3)滿足不同發(fā)動機噴管結構的加工要求，使得噴管的優(yōu)化設計成為可能，提高了發(fā)動機的做功能力。

(4)在設計中，方便改變噴管的噴口角度，解決了傳統(tǒng)加工工藝的弊端。

在國內(nèi)這種毫米級微型固體火箭發(fā)動機的設計與加工尚屬首次，對國內(nèi)微型推進器技術的發(fā)展有較大的促進作用。

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(編輯：劉紅利)

Design, fabrication and experiment of the micro solid propellant rocket engine with a changeable nozzle

JI Guo-sheng，WU Hong-tao，LI Hai-wang

(School of Energy and Power Engineering,Beihang University,Beijing10019，China)

The design,fabrication and experiment of a novel micro solid propellant rocket engine with a changeable nozzle is presented.Micro rocket engine is an ideal high-accuracy and high thrust-weight ratio power system.It plays an important role in the attitude control,speed adjustment,gravity compensation and orbit change of microspacecraft.The presented engine is made by bonding the fabricated silicon plate with BF33 glass.The engine consists of a combustion chamber,three venting channels and a nozzle.The main structure of the engine is manufactured on the plane of a silicon plate using the MEMS DRIE technology.The fabrication direction is cross direction,allowing the nozzle to be changeable.This helps improve the efficiency of the propelling engine,simplify the fabrication process and increase the precision of the fabrication.The propellant chosen for the engine is the HTPB compound propellant.The cross-direction fabrication process,the preparation and installation of the propellant and the ignition experiment of the engine is presented in detail.

millimeter-scaled;solid propellant;rocket engine;MEMS technology

2015-10-14；

2015-10-26。

紀國圣(1992—)，男，博士生，主要研究微型推進系統(tǒng)的設計與MEMS加工工藝。E-mail：guosheng_ji@buaa.edu.cn

李海旺。E-mail：09620@buaa.edu.cn

V435

A

1006-2793(2016)03-0327-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.03.006