一種基于3d打印技術(shù)的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體地說，涉及一種基于3D打印技術(shù)的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]微型航天器附帶的微型固體火箭發(fā)動機(jī)需要能夠進(jìn)行高精度站點跟蹤、姿態(tài)控制、重力補(bǔ)償和軌道調(diào)整，傳統(tǒng)的微型發(fā)動機(jī)不能達(dá)到所需的推力精度和空間要求。在過去的幾十年里，微型發(fā)動機(jī)技術(shù)一直是熱門的研宄領(lǐng)域，在眾多的研宄項目中，對傳統(tǒng)的微型發(fā)動機(jī)進(jìn)行縮小研宄其可行性。曾經(jīng)發(fā)展了幾種微型發(fā)動機(jī)技術(shù)，如:微電推進(jìn)技術(shù)，微冷氣推進(jìn)技術(shù)，微激光等離子體推進(jìn)技術(shù)，它們可提供10_8N.S?1N.S的推力脈沖，能為航天器提供精確的控制，但其體積和重量始終不能滿足要求，限制了它們在微小衛(wèi)星上的使用。3D打印技術(shù)的興起，則很好的解決了微型發(fā)動機(jī)體積和質(zhì)量過大的問題。通過3D打印技術(shù)直接打印出一體的微型發(fā)動機(jī)，減少了微型發(fā)動機(jī)的消極質(zhì)量，有效的提高了微型發(fā)動機(jī)的性能。且由于微型發(fā)動機(jī)是一體打印的，微型發(fā)動機(jī)的密封性更好，安全性更高。針對微型固體發(fā)動機(jī)只能工作一次的不足，采用一塊陣列上集成多個可獨(dú)立尋址的微型發(fā)動機(jī)來解決。通過調(diào)整每次單元發(fā)動機(jī)不同工作數(shù)量，來調(diào)整總沖量，產(chǎn)生10_8N ?S?1N.S的脈沖，以能滿足微型航天器的控制要求。
[0003]美國的E.V.Mulerjee等人研制成功了基于硅陣列的電阻式電熱推力器，即液體微化學(xué)推進(jìn)器。工作原理是通過電阻加熱一個利用微加工制造的微蒸發(fā)室內(nèi)的流體，產(chǎn)生蒸汽，當(dāng)蒸汽噴出噴管時產(chǎn)生推力。但這種微型火箭發(fā)動機(jī)存在的不足是:
[0004]1.蒸汽傾向于凝結(jié)或固化在推進(jìn)劑管路中或噴嘴處。
[0005]2.有較復(fù)雜的微型管路系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的可靠性。
[0006]國內(nèi)清華大學(xué)陳旭鵬等人研制的微型固體火箭發(fā)動機(jī)，是每一微型固體推進(jìn)單元包括工質(zhì)貯腔、收斂擴(kuò)散噴管和點火器。相應(yīng)地，整個器件由三個板狀部件疊合而成。但微型固體火箭發(fā)動機(jī)存在一些缺陷:
[0007]1.噴管尺度小，且要分為3層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工藝要求高。
[0008]2.點火器安裝在喉部，安裝困難；點火電阻絲引線導(dǎo)出困難。
[0009]3.微型發(fā)動機(jī)喉部直徑較小，頂板和中層板的對齊和粘合比較困難。
[0010]美國Honeywell中心和Princeton大學(xué)合作研宄的MEMS兆單元微型推進(jìn)陣列。MEMS推進(jìn)陣列由集成在1.3inXl.3in硅片上的間距為51 μπιΧ51 μπι的512X512個獨(dú)立的推進(jìn)單元陣列組成。每個單元都有獨(dú)立的加熱絲，加熱絲同軸排列在注有燃料的藥室上方，并與RICMOS電路集成為一體，使得每個單元都可單獨(dú)尋址，并點火工作。點火采用兩級方案使燃料燃燒引爆產(chǎn)生推力，首先加熱Ing的熱爆斯蒂酚酸，斯蒂酚酸爆燃釋放出大量熱量，利用熱量引燃上方空腔中的硝化纖維混合物，使其迅速氣化并噴射出來，進(jìn)而產(chǎn)生推力。然而，基于MEMS工藝的微型發(fā)動機(jī)存在的問題是:
[0011]1.MEMS工藝制造的噴管是方形的，氣動特性較差。
[0012]2.點火器只能安裝在前封頭上。
[0013]3.噴管層與燃燒室層帶電鍵合時，有可能讓燃燒室層內(nèi)部的裝藥發(fā)生爆炸，安全性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于3D打印技術(shù)的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)。該發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單且總沖較高，密封可靠，點火容易，操作簡便。
[0015]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:基于3D打印技術(shù)的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，包括三噴頭打印機(jī)，打印機(jī)在每一截面上打印設(shè)計實體的不同材料，其特征在于殼體、藥柱、金屬點火器打印成一體結(jié)構(gòu)，殼體包括燃燒室、噴管、前封頭，噴管有收斂段和擴(kuò)張段，金屬點火器位于燃燒室內(nèi)表面，金屬點火器的引線從前封頭引出，獨(dú)立尋址的連接到控制芯片上，以激發(fā)不同數(shù)量的金屬點火器，金屬點火器直接點燃燃燒室內(nèi)的藥柱；金屬點火器采用銅質(zhì)材料；藥柱為固體推進(jìn)劑的任意一種。
[0016]有益效果
[0017]1.相較于傳統(tǒng)微型發(fā)動機(jī)各部件分開加工，裝配繁瑣的過程，本發(fā)明的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，噴管、點火器、燃燒室和前封頭為一個不可分的整體，密封可靠，工藝周期短。
[0018]2.金屬點火器的位置是任意的，可打印在前封頭和燃燒室內(nèi)壁面上，打印在發(fā)動機(jī)前封頭和內(nèi)壁的金屬點火器可在短時間內(nèi)實現(xiàn)裝藥的全面燃燒。
[0019]3.噴管的橫截面是圓形的，氣動參數(shù)穩(wěn)定。
[0020]4.噴管可設(shè)計成曲面噴管，提高了發(fā)動機(jī)的推力。
[0021]5.發(fā)動機(jī)是一整體結(jié)構(gòu)，密封性好。
[0022]6.微固體發(fā)動機(jī)陣列可以點火不同數(shù)量的單元發(fā)動機(jī)來實現(xiàn)所需沖量，由于單元發(fā)動機(jī)數(shù)量眾多，故微固體發(fā)動機(jī)陣列可工作幾百次。
【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明一種基于3D打印技術(shù)的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]圖1為本發(fā)明微型固體火箭發(fā)動機(jī)陣列布局示意圖。
[0025]圖2為本發(fā)明微型固體火箭發(fā)動機(jī)剖視圖。
[0026]圖中:
[0027]1.殼體2.藥柱3.金屬點火器
【具體實施方式】
[0028]本實施例是一種基于3D打印技術(shù)的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)。
[0029]區(qū)別于傳統(tǒng)微型發(fā)動機(jī)前封頭、燃燒室、噴管以及藥柱分開加工，然后進(jìn)行裝配的加工工藝，本實施例所有部件都是一起打印出來的，是一個密閉的實體。根據(jù)所使用材料的不同，本實施例設(shè)計的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)由殼體1、金屬點火器3和藥柱2三部分組成。殼體I包括燃燒室、噴管、前封頭，均由硅材料制成；噴管有收斂段和擴(kuò)張段；金屬點火器3由銅導(dǎo)體金屬材料制成；藥柱2為任意一種固體推進(jìn)劑；殼體1、金屬點火器3和藥柱2為一整體結(jié)構(gòu)。
[0030]微型固體火箭發(fā)動機(jī)工作原理:是用位于燃燒室內(nèi)表面上的金屬點火器直接點燃燃燒室內(nèi)的藥柱，藥柱在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，高溫高壓氣體由噴管噴出將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，進(jìn)而產(chǎn)生推力。
[0031]參閱圖1、圖2，本實施例中需要三個噴頭的打印機(jī)，打印機(jī)在每一個截面上打印上設(shè)計實體的不同材料，打印每一部分時要有一定的時間間隔，以確保打印過程的安全。
[0032]本實施例微型固體火箭發(fā)動機(jī)陣列，是由多個大小相同的微型發(fā)動機(jī)等間距排列布局；各個微型發(fā)動機(jī)殼體的前封頭部分打印在一起。金屬點火器的引線從前封頭引出，獨(dú)立尋址的連接到控制芯片上，按照微型航天器工作的要求，激發(fā)不同數(shù)量的金屬點火器，以達(dá)到控制推力的目的。
[0033]本實施例中，殼體1、藥柱2和金屬點火器3打印成一體結(jié)構(gòu)。打印開始后，首先打印的是前封頭部分，在前封頭部分需要?dú)んwI和金屬點火器3兩種打印材料；接著打印燃燒室，在燃燒室部分的前段需要?dú)んw1、金屬點火器3和藥柱2三種打印材料，之后的燃燒室部分的后段以及噴管部分需要?dú)んwI的打印材料。
[0034]微型固體火箭發(fā)動機(jī)制作過程:
[0035]1.完成微型固體火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計。
[0036]2.將設(shè)計完成的微型固體火箭發(fā)動機(jī)模型轉(zhuǎn)成特殊的格式，再導(dǎo)入到3D打印機(jī)中。
[0037]3.將微型固體火箭發(fā)動機(jī)的殼體、藥柱和金屬點火器三部分與3D打印機(jī)的三個噴頭一一對應(yīng)，并在噴頭內(nèi)裝入各自的材料。
[0038]4.進(jìn)行3D打印機(jī)工作前的調(diào)試過程。
[0039]5.開始打印，3D打印機(jī)層層打印，最后將完整一體的微型固體火箭發(fā)動機(jī)打印出來。
【主權(quán)項】
1.一種基于3D打印技術(shù)的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，包括三噴頭打印機(jī)，打印機(jī)在每一截面上打印設(shè)計實體的不同材料，其特征在于:殼體、藥柱、金屬點火器打印成一體結(jié)構(gòu)，殼體包括燃燒室、噴管、前封頭，噴管有收斂段和擴(kuò)張段，金屬點火器位于燃燒室內(nèi)表面，金屬點火器的引線從前封頭引出，獨(dú)立尋址的連接到控制芯片上，以激發(fā)不同數(shù)量的金屬點火器，金屬點火器直接點燃燃燒室內(nèi)的藥柱；金屬點火器采用銅質(zhì)材料；藥柱為固體推進(jìn)劑的任意一種。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于3D打印技術(shù)的微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，包括三噴頭打印機(jī)，打印機(jī)在每一截面上打印設(shè)計實體的不同材料，將殼體、藥柱、金屬點火器打印成一體結(jié)構(gòu)；殼體由燃燒室、噴管、前封頭組成，噴管有收斂段和擴(kuò)張段，金屬點火器位于燃燒室內(nèi)表面，金屬點火器的引線從前封頭引出，獨(dú)立尋址的連接到控制芯片上，激發(fā)不同數(shù)量的金屬點火器，金屬點火器直接點燃燃燒室內(nèi)的藥柱。金屬點火器采用銅質(zhì)材料,藥柱為固體推進(jìn)劑材料的任一種。微型固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)點火容易，密封可靠；發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,且總沖較高。微型發(fā)動機(jī)陣列由多個大小相同的微型發(fā)動機(jī)等間距排列布局打印在一起，操作簡捷，工藝周期短。
【IPC分類】F02K9/08
【公開號】CN104989552
【申請?zhí)枴緾N201510329780
【發(fā)明人】胡松啟, 吳晶輝, 武冠峰, 李進(jìn)賢, 劉茜
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月15日