[发明专利]氧化亚氮单组元推力器原理样机及使用方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种氧化亚氮单组元推力器原理样机，可以针对采用氧化亚氮作为推进剂的单组元推力器开展原理演示验证，为应用于微小卫星姿态控制的无毒微小推力器的研发提供技术支持。

【背景技术】

随着现代工业技术和电子技术的发展，世界航天界兴起了发展微型航天器的热潮。微小卫星具有体积小、质量轻、发射灵活、反应快速、研制周期短、以及功能密度比和性价比高等众多优点，被广泛用于通信、导航、侦察、遥感、地球环境监测和气象等领域，应用前景十分广阔。发展微小卫星技术对我国国民经济及国防建设具有重要意义，积极开展微型航天器研制已经成为必然。

微推进系统主要用于微型航天器的姿态控制、精确定位、位置保持、阻力补偿、轨道机动，等方面。微推进是实现微小卫星编队飞行的关键技术之一，它具有集成化程度高、体积小、质量轻、成本低、响应速度快、推力(或冲量脉冲)小、功耗低和可靠性高等特点。微推进的种类很多，如冷气推进、基于肼的微推进、固体微推进和电推进等等。

在传统的推进系统中，冷气推进(主要是氮气)系统，简单可靠，成本低，所需工质廉价无毒。但高压储存容易产生阀门泄漏问题，且推进剂密度比冲较低，应用范围还受到了贮箱容积的限制。基于肼的单组元推进系统，结构比较简单，可靠性高，响应很快，能够反复启动，可用于姿态控制、轨道维持和轨道机动。但该推进剂有剧毒，安全防范要求高。固体推进剂推进系统，结构简单紧凑，无推进剂泄漏问题。但固体推进剂需要安全防范，且一旦点火通常无法再重新启动，无法满足微小卫星姿态控制的需求。电推进的比冲很高，可重复启动，控制精度高。但是电推进在很大程度上受限于电源功率，静电和电磁推进的能量需求(大于100W)远大于微型航天器的能量供应(一般小于50W)；而功率范围比较适合于微型航天器的PPT和FEEP又存在羽流污染的问题，而且PPT效率很低(5％-15％)，FEEP则需要很高的电压。传统化学双组元推进系统通过缩小尺寸应用于小卫星的技术难度大、费用较高，且推进剂通常有毒性、易燃，还会遇到诸如尺寸减小后燃烧效率降低、喷管或喷注器易堵塞、冲量难以精确控制、燃烧不完全造成污染等一系列问题。

【发明内容】

为了突破传统微推进系统在安全及使用性能方面的诸多限制，本发明提供了一种采用氧化亚氮作为推进剂的单组元推力器原理样机。氧化亚氮无毒，无腐蚀性，常温下稳定性好；且饱和蒸汽压高(约50atm)，可自增压实现推进剂挤压输运；用作液化气推进时，其密度比冲较氮气等冷气推进剂的要高；在被加热到520℃以上时，氧化亚氮发生放热分解，生成氧气和氮气，其组成接近空气，最高反应温度可达1640℃左右；其分解产生的热气可以作为飞行器的热源或动力源，甚至用于生命维持系统。基于上述优点，采用氧化亚氮作为单组元推进剂，具备传统推进系统所没有的许多优势如：无毒、无污染、比冲较高、所需功率小、输送系统结构简单等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氧化亚氮单组元推力器原理样机，包括：电磁阀、推进剂前导管、催化分解室、前后多孔板、催化剂、喷管、加热器、压力传感器、绝热包覆层。其中：电磁阀通过推进剂前导管与推力室相连。催化分解室外形为圆柱状，分解室靠后部外壁两侧分别焊有两个接管嘴与内部腔体相通。铠装式热电偶通过其中一接管嘴伸入分解室中轴线位置，热电偶与接管嘴间通过球头及锥面配合进行线密封；压力传感器接到另一接管嘴上，采用锥面密封。催化剂颗粒紧密装填于分解室内部，通过安装于催化分解室前后两端卡槽中的前后孔板进行固定，形成催化床。推进剂前导管及喷管与分解室通过螺纹连接，分别从分解室前后两端旋入，对前后孔板起到固定作用。分解室前后两端靠近出口处的内壁面均为锥面，前导管及喷管与分解室接触的外壁面均为球面，球面与锥面相接触并通过螺纹紧固形成线密封。推进剂前导管的内腔道中前端为通孔，出口端为扩张型锥面，便于气体扩散；喷管内腔道为锥形“收敛-扩张”喷管。铠装式电热丝紧密缠绕于催化分解室外表面作为加热器。绝热包覆层包裹于整个分解室及喷管外表面，包覆层里层为耐高温玻璃布，最外层为铝箔。由于多处采用可拆卸式硬密封结构，本推力器原理样机中各关键组件容易进行拆卸，方便清洗和拆换。