微推进系统中微型喷嘴结构参数的实验研究

《微推进系统中微型喷嘴结构参数的实验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252011V01．32No．4608—616ISSN1000—6893ON”一1929／VhHp：Hhkxb．b旧a．edu，011hkxb@buaa．emon文章编号：1000—6893(2011)04—0608—09微推进系统中微型喷嘴结构参数的实验研究付健’’3，岑继文1’*，徐进良1’2，黄元东1’3，赖喜锐h31．中国科学院广州能源研究所，广东广州5106402．华北电力大学可再生能源学院，北京1022063．中国科学院研究生院，北京100049摘要：为了研究用于微小卫星姿态调整或轨道修

2、正的微型喷嘴的结构参数对其推进性能的影响．采用微机电系统(MEMS)丁艺加T了一系列不同结构参数的微型喷嘴，各结构参数包括半扩张角、喉口段长度、喉口宽度以及面积比。实验过程在大气环境F进行。实验发现了微型喷嘴具有与宏观尺寸喷嘴不同的性能特点，总结出了喷嘴性能随结构参数和运行F况的变化规律。实验表明：壅塞状态F，入口压力越大喷嘴的最佳半扩张角度越大；喷嘴喉口段的长度对喷嘴的性能没有明显的影响；喷嘴喉口宽度增加能使推力明显提高，但是同时使比冲持续减小；面积比越大，微喷嘴的推力越小，而面积比为5时喷嘴的比冲达到最大。本文T作对微喷嘴的设计及应用有一定的借鉴和帮助作用。关键词：微小卫星；微喷

3、嘴；结构参数；性能；设计中图分类号：V439．4文献标识码：A由于微小卫星相对大型卫星具有低成本、质量小、体积小等优势，在对敌观测、立体成像、精确定位、大气探测、天文观测和地球物理探测等方面[1]可以使用小卫星组网编队飞行替代目前的单颗大型卫星。微小卫星群具有其独特的优点，当其中某个微小卫星出现故障后，余下的卫星可以重新组成一个新系统而保持卫星群的功能不受影响，因此其可靠性更高。在卫星群运行过程中由于太阳辐射压的存在以及重力场的不均匀性，各个微小卫星的轨道和姿态都会受到一定的扰动[2]，需要使用微推进系统进行飞行姿态调节。校正这些微小扰动所需要的推力非常小。通常根据卫星姿态控制的幅度

4、和精度要求不同，所需冲量范围是109～i03ns量级。而微推进器的推力一般在几个弘N到几个N之间[》“。对于微推力系统，公认的最可行的办法是以冷气推进系统作为初步研究方案。喷嘴是冷气推进系统的核心部件，其性能的好坏直接影响着微推进系统的性能。因此有必要对喷嘴的结构参数进行研究，以使系统的设计最优化。1996年，Janson等【51较早地研究了微机电系统(MEMS)微喷嘴，所设计的芯片喉部尺寸为200“m，面积比为2．5：1．随后有研究者利用数值模拟的方法对微喷嘴进行了研究，Kim[63对喷嘴中存在的黏性损失和推力发散损失两种效应进行了研究，认为30。半扩张角的喷嘴性能要优于20。半扩

5、张角的喷嘴。而Ba一7】认为20。半扩张角的喷嘴性能最佳。＆y／81对钟形、喇叭形和锥形3种外形的喷嘴进行了研究，模拟了微喷嘴内部的流动过程。收稿日期：2010-06-30：退修日期：2010—08-06；录用日期：2010-09—21；网络出版时间：2010-”-1109：14网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20101111．0914028．htmI∞I：CNKI：11-1929／V．20101111．0914．028基金项目：围家自然科学基金(50906092)；国家杰出青年科学基金(50825603)"X-通讯作者．Tel．：0

6、20-87057769E·mail；ceniw@ms．giec．ac．cn戮用謦武

7、付健．岑鳢文。徐进甍．等．畿推进系统中擞型喷嘴结梅参数的实验研究[J]j航空学摄。2011．32(4)：608-616．FuJian．(PenJiwen．XuJ删iang,eta

8、÷ExperknentalresearchOftstructura／perametersofmicro-noz出ap／X白donmicroprop嘣sionsystems[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，20¨．32(4，：608-616．HB《：*$m§＆t

9、l*Ⅲt■###§

10、∞l#目＆本文罘用标准MEMST艺加r微型喷嘴．由f受到MEMST岂的限制，微型聩瞬形状为平面型。在笔者所在实验宣以往T作的基础上”“，进一步研究了不同喷嘴结构尺寸对推力的影响。本文在大气条件下．以氯气为推进气体．存基于杠杆放大原理的推力测试平台上两量了稳定气流下各种结构参数的喷嘴产生的静推JJ大小以及气体流量．井对实验结果进行r分析。实验装置与测量方法1．1触型喷嘴的加工和结构尺寸j}用标准MEMST艺制作嵩喷嘴，芯片由一层硅片和一层玻璃片键舍耐成。微唢