专利名称：微型电解水推进器的制作方法
技术领域：
本发明属于微型机械技术领域，特别涉及利用纯水或水溶液的电解原理的一种微型电解水推进器。
背景技术：
微小型推进技术是伴随着微小型航天器概念的提出特别是微小卫星的研究开发而凸现出来的。用于传统航天器的姿控推进器如冷气推进器或肼推进器等，因频响有限，冲量单位也比较大，难以满足微小卫星姿态和位置控制的要求。因此，mN级或更小推力级别、具有较高控制精度的微小型推进器，是航天领域微小型化的关键技术之一，具有重要研究意义和应用前景。迄今，国内外已报导的微小型推进器的研究，主要涉及冷气推进、固体化学能推进和包括电热、电磁、静电式的电推进等。冷气推进系统结构简单，功耗极低，适于微小型化。比冲太低是其固有缺陷，只适用于工作周期很短的微小型航天器。从长远角度看，其理论和实用价值不高。
固体燃料推进器的优点是避免了液体工质的泄漏问题；推进器中没有活动部件，结构简单可靠；且系统能耗较小。但传统的固体火箭是一次性使用的，不适于航天器的空间调节。为了解决这一问题，现有设计多采用微细加工工艺得到具有很小冲量单位的固体推进单元，进而组成大规模阵列实现多次启动。但由于喷管等结构只能一次性使用，浪费有效载荷、不易提高系统总冲量等是其固有缺点，至今未见有效的解决方案见诸发表。此外，其理论比冲较低，一般低于250s，目前实际能达到的水平更低。
静电或电磁推进器具有极高比冲6000-10000s，远高于传统的化学和冷气推进器。常见的电推进原理包括场发射电推进(FEEP)、脉冲等离子推进(PPT)、及胶体推进等。但是以目前的技术水平，还有一些难以解决的问题，主要是系统整体结构复杂，特别是电源系统的体积和重量比较大，难于微小型化，限制了微小型电推进器的实用化；以目前的技术水平，还不可能用于总重为1kg或10kg级的微卫星。静电和电磁推进器的工作需要高电压，PPT还需要高能量的电弧放电电路，相关的电压变换电路的效率比较低，约50％左右；此外还要解决带电粒子的电磁污染问题。
电热推进有多种工作原理，传统上有电阻电热式、电弧加热式和微波加热式。从能量传递和转换的角度看，电弧加热和微波加热的特点是电能(电弧式)或动能(微波式)在流体工质中直接转换为工质的热能，热能损失于流体和固体壁面之间的对流和辐射换热；而对电阻加热方式而言，电能通过热电阻转变为热能储存在固体加热器中，再通过固壁—流体之间的对流换热传给流体，热能损失于固体加热器与其它机构之间的热传导和流体与推进器内壁之间的对流换热。一般来说，对流换热强度相对较弱，因此电弧和微波加热的效率一般要高于热电阻加热方式。而且电弧或微波式电热推进系统中最高温度出现在工质中，推进器结构的温度相对较低；电阻电热式推进器则相反。工质的最终加热温度是推进器比冲性能的主要决定因素，对于相同的工质温度，电弧和微波系统的高温失效风险更小；另一方面，若限制了最高的结构温度，在电弧和微波系统中允许把工质加热到更高的温度以实现更大的比冲。但是，类似于静电推进器和电磁推进器，电弧加热和微波加热系统的电源转换和驱动电路结构复杂，重量体积较大，电压变换电路的效率较低，其微型化存在困难。所以目前的微型电热推进器的主要研究方向是电阻加热式电热推进器。
相比于其它电推进原理，电阻电热式推进器的比冲较低，但其理论比冲要高于化学能推进器。电阻电热推进器的结构简单易于微小型化，特别是加热电阻的制造工艺与MEMS等微细加工工艺兼容，而且工质选择灵活，故其研究开展较早。但是目前已报导的微型电阻电热推进器的加热效率很低，难以把工质加热到很高的温度，因此实际比冲很低(最高90s左右)，远没有达到理论值；能量利用效率也很低，热效率一般低于10％。其原因如下。在传统尺度(尺寸在厘米以上)的电阻电热推进器中是通过如下手段提高加热效率和能量利用效率的将加热电阻悬置在加热腔中，尽量减小热电阻与固体壁面的接触面积，并选用隔热性能很好的结构材料，从而减小热传导损失；同时采用多孔的或肋等强化换热结构来提高加热电阻与流体(气体或液体工质)之间的对流换热强度。而对于微小型卫星，为了获得很小的推力和冲量单位，推进器的尺度往往在毫米以下。这一尺度的器件的加工，目前主要还是依赖MEMS工艺，工艺手段和材料选择都受到很大限制。1)微型推进器内腔体和管道的尺寸很小，雷诺数很低，加热电阻与工质(气体或液体)之间的对流换热强度很低；而多孔或多肋板等强化换热结构不易与现有微细工艺兼容；2)现有MEMS工艺主要采用单晶硅或金属作为结构材料，这些都是热的良导体(单晶硅的导热率优于钢材1.5倍以上)，增大了电阻和基底之间的热传导；虽然可以制备SiO2用于隔热，但只能制作薄膜，隔热效果有限；3)关于电阻的制备，悬置结构不易制作，一般的MEMS电阻采用溅射金属层电阻或CVD多晶硅薄膜电阻，得到的平面电阻与基底接触面积很大，而与流体接触的面积又有限，因此导热损失很大；采用牺牲层工艺可以得到悬置结构，但悬置高度很小，效果有限，且降低了结构可靠性；哈佛和Brown大学开发的体硅电阻加热器扩大了流体和加热器的接触面积，但电阻与基底的连接面积依然较大，而且在这种加热器中电阻和基底接触的部分是导电通道，无法制备隔热薄膜。
沿用常规推进原理朝微小型化方向发展，往往碰到原理上或者现有技术能力的限制，因此有必要考虑进行新型推进原理的研究；以MEMS工艺为代表的微细加工技术的迅速发展则为这种研究提供了必要的工艺手段，在um和亚毫米级的微小尺度中，实现在大型火箭和推进器中无法实现的结构和工作原理。
发明内容
本发明提出了一种微型电解水推进器。包括(1)带有单向阀结构的微型电解水推进器，(2)采用高深宽比结构电极或平面电极的、不带有单向阀的微型电解水推进器。
所述带有单向阀结构的微型电解水推进器由顶板8、底板9和喷口板12三层平板结构叠合而成在顶板8和底板9之间制备有间隔排列的电解阳极2和电解阴极3，疏水薄膜4涂覆在顶板8和底板9之间的电解反应腔10内表面，电解反应腔10右边为燃烧腔5，点火电极7在燃烧腔5内；在燃烧腔5的的出口处设置单向阀门11，喷口板12固定在底板9上，在单向阀门11的下游为微型平面喷管6；在顶板8中还开有进水口1，进水口1是内表面亲水的微细管道。
所述采用高深宽比结构的电极的无单向阀微型电解水推进器，由顶板8和底板9叠和而成。底板9上制备有高深宽比的金属层，构成进水口1、电解阳极2、电解阴极3和点火电极7，点火电极7设置在燃烧腔5内，在顶板8和底板9之间为电解反应腔10，电解反应腔10右边为燃烧腔5和平面喷管6；顶板8上刻有浅槽，该浅槽作为电解反应腔10中的气流通道13。电解反应腔10中的气流通道13、燃烧腔5和微喷管6的内表面都制备了疏水薄膜4。进水口1是内表面亲水的微细管道。
所述电解电极是采用电铸工艺得到的高深宽比的梳状电极。
所述电解阳极和电解阴极位于同一表面上，平行布置。
所述推进器的喷管是微型的平面喷管，集成在燃烧室的出口。
所述采用平面电极的无单向阀微型电解水推进器，由顶板8和底板9叠和而成。顶板8或底板9上刻有槽状进水口1、电解反应腔10、燃烧腔5和微型平面喷管6。顶板8或底板9上制备有金属薄膜，形成电解阳极2、电解阴极3和点火电极7，点火电极7设置在燃烧腔5内。电解阳极2和电解阴极3可以全部制备在底板9上，平行布置；也可分别制备在顶板8和底板9上，对称布置。电解反应腔10中的气流通道13、燃烧腔5和微喷管6的内表面都制备了疏水薄膜4。进水口1是内表面亲水的微细管道。
所述推进器的喷管是微型的平面喷管，集成在燃烧室的出口。
本发明的有益效果是1、微型电解水推进器的热效率高。
工质的加热是通过燃烧释放的化学能，是内热源方式。传热损失发生在高温水蒸气与燃烧腔壁面之间的辐射和对流换热；这一点类似于电弧和微波加热式电热推进器。如前文“背景技术”中所述，采用MEMS等微细工艺制作的微型推进器中，对流换热强度很难提高。这一特点对于电阻电热推进器而言是缺点，而对于本发明所述的微型电解水推进器而言则是优点，有效减小了传热损失，提高了热效率。
2、比冲性能较高，结构温度较低，因高温而失效的风险小。
由于传热损失低，推进器的结构温度较低。在相同的加热能量下，降低结构温度意味着降低了器件因高温失效的风险，而且也避免由于推进器表面的温度过高而干扰卫星上其它部件的正常工作；或者，如果系统设计中限制了推进器的结构温升，那么对于相同的结构温度上限，采用本发明所述的微型电解水推进器，就可以得到更高的工质温度，提高比冲性能。
3、控制精度高。
通过测量和调整电解过程的电压、电流和通电时间，可以精确控制产生的氢氧混和气体的量，从而精确控制每脉冲中推进器输出的冲量。该微型推进器采用微细工艺制造，电解反应腔、管道和燃烧腔的容积很小，因此每脉冲的冲量输出很小，可以大大提高卫星的姿态和位置的控制精度。
4、电源系统和驱动电路简单，效率高，易于微小型化。
电解过程采用低压电源，不需要复杂的转换和驱动电路，容易微小型化；电路效率较高，降低了卫星的功耗。点火过程所需能量也很低，采用简单小巧的振荡电路即可。
5、结构简单，适于采用MEMS等微细加工工艺实现集成化和微小型化设计。
电解反应电极和点火电极、平面化的电解反应腔、燃烧腔和微型喷管等结构，都与硅平面微细工艺等MEMS技术相兼容，易于实现微小型化和提高系统的集成度，减小整个系统的尺寸、重量和内部管道腔体的死区容积，提高控制精度；适于阵列化设计和制造。
6、无毒无污染。
采用清洁工质纯水或适当的电解质溶液。这种水基工质无毒，无腐蚀性，不易燃，容易保存，是最理想的推进器工质。而且推进器工作过程的中间和最终产物都是电中性的，不会对卫星造成电磁污染。
图1为一种采用平面电极和单向阀的微型电解水推进器的结构示意图。
图2为图1的微型电解水推进器的顶板结构示意图。
图3为采用高深宽比结构的电极的微型电解水推进器的结构示意图。
图4为图3的A-A剖面所示的电解反应腔内的流场和电场示意图。
图5为采用平行布置的平面电极的微型电解水推进器的结构示意图。
图6为图5的A-A剖面所示的电解反应腔内的流场和电场示意图。
图7为采用对称布置的平面电极的微型电解水推进器的结构图。
图8为图7的A-A剖面所示的电解反应腔内的流场和电场示意图。
图9为图8的B-B剖面所示的电解反应腔内的流场示意图.
具体实施例方式
本发明提出了一种微型电解水推进器。基本工作原理是1)首先利用电化学原理，将纯水或水的电解质溶液电解为氢气和氧气阴极反应阳极反应总反应2)点燃上述氢氧混合气体的电解反应产物，发生爆燃并放热，形成高温高压的水蒸气，喷出微型喷管形成推力。
氢氧燃烧反应不计中间环节，能量转换的方式是“电能→热能”。
在图1所示的一种采用平面电极和单向阀的微型电解水推进器的结构示意图中，在工质贮箱中，利用饱和蒸汽压维持一个比较低的供给背压。在推进器开始工作后，工质贮箱的电控阀门打开，由于毛细效应，工质贮箱里的水自动通过在顶板8中开的内表面亲水的槽状进水口1(如图2所示)的微管道流入电解反应腔10。电解反应腔10中分别用疏水、亲水材料制备适当形状的涂层，形成疏水薄膜4，利用表面张力防止液态水直接流入燃烧腔5和溢出喷口6，并得以精确控制水的供给量(即由亲水、疏水层的边界所界定的容积)。然后给电解阳极2和电解阴极3施加直流电压，电解反应开始，电解反应腔10内的水转化为氢氧混合气体，其成分比例恰为氢氧燃烧的化学反应配比，处于爆炸极限范围。电解过程中，工质由液态转变为气态，体积扩大，充满燃烧腔5。在燃烧腔5和喷管6之间有一单向阀门11，在氢氧混和气体被点燃之前，燃烧腔5内的压力不够高，打不开单向阀11，因此混和气体储存在燃烧腔5内，不会通过喷管6泄漏。由电解驱动电路的电压、电流参数判断电解过程的结束，并控制燃烧室5内的点火电极7通电，氢氧混合气体被电弧点燃发生爆燃，形成的高温高压水蒸气，打开单向阀11并从喷管6喷口喷出，产生推力。点火电极7安排在燃烧室5的推力室前部，防止部分工质在没有燃烧之前就被后腔高压的燃烧产物喷出。一次喷射完成后，推力室压降低，工质的供给再次自动进行，系统的工作得以维持，并以脉冲形式工作，直到工质贮箱的控制阀门关闭或关断电解电压。电解反应腔、燃烧室和喷口采用兼容的微细工艺流程加工成一体化的推力室，提高器件的集成度，并大大减个了管道和腔体的容积，提高了系统的响应速度和控制精度。
本发明的这一系列反应理论上可以把20℃的水转变成3000℃以上的高温水蒸气，得到450s以上的理论真空比冲。这已经远远超出了现有的除离子推进以外的其他电推进器。实际上，由于电极上氢、氧过电位的存在，以及溶液本身的欧姆电阻，在电解过程中有额外的热能以欧姆热的形式储存在工质中，若不计能量损失，反应温度和理论比冲更高。
图3、4所示采用高深宽比结构的电极的微型电解水推进器的结构图。由顶板8和底板9叠和而成(在图3中，为了显示其内部结构，而将顶板8打开)。底板9上通过电铸技术制备高深宽比的金属层，形成进水口1、电解阳极2、电解阴极3(点火电极7与电解电极共用同一结构)、电解反应腔10、燃烧腔5、平面喷管6。顶板8上刻有浅槽，槽底制备了疏水薄膜4。该浅槽的主要功能是作为电解反应腔10中的气流通道13。燃烧腔5和喷管6的内表面都制备有疏水薄膜4，阻止尚未被电解的水流入燃烧腔5和喷管6。进水口1是内表面亲水的微细管道。
图4所示为图3所示推进器的A-A剖面图，显示了电解反应腔10内水基工质15(纯水或电解质的水溶液)的流场、气流通道13和电力线14的形状与分布。电解反应腔10的上表面(顶板8)覆有疏水薄膜4，因此水基工质仅容纳于高深宽比的电极之间，不会充满整个电解反应腔10，从而在上方形成了气流通道13。电解产生的氢氧混和气体通过气流通道13从电解反应腔10溢出到燃烧腔5。
如图5、6所示为采用平行布置的平面电极的微型电解水推进器的结构图。由顶板8和底板9叠和而成(在图5中，为了显示其内部结构，而将顶板8打开)。底板9上通过金属溅射或电镀技术制备平面化的电解阳极2、电解阴极3和点火电极7。其中电解阳极2和电解阴极3可以采用同种金属，也可以采用不同种金属，它们位于同一平面(底板9的上表面)并平行布置。顶板8的下表面刻有一定深度的槽。顶板8上的槽状进水口1、电解反应腔10、燃烧腔5和微型平面喷管6。燃烧腔和喷管的内表面都制备有疏水薄膜4，阻止尚未被电解的水流入燃烧腔5和喷管6。进水口1是内表面亲水的微细管道。
图6所示为图5所示推进器的A-A剖面图，显示了电解反应腔10内水基工质15(纯水或电解质的水溶液)的流场、气流通道13和电力线14的形状与分布。电解反应腔10的上表面(顶板8)覆有疏水薄膜4，因此水基工质附着在电极平面上方的一定高度，不会充满整个电解反应腔10，从而在其上方形成了气流通道13。电解产生的氢氧混和气体通过气流通道13从电解反应腔10溢出到燃烧腔5。
图7、8、9所示为采用对称布置的平面电极的微型电解水推进器的结构图。由顶板8和底板9叠和而成(在图7中，为了显示其内部结构，而将顶板8打开)。底板9和顶板8的结构完全相同，但是所选用的金属材料可以不同。底板9的上表面和顶板8的下表面的一部分刻有浅槽，共同形成电解反应腔10；另一部分刻有深槽，形成进水口1、燃烧腔5和微型平面喷管6。顶板8上通过金属溅射或电镀技术制备电解阳极2，在与之对称的位置上，底板9上制备了电解阴极3，二者形状完全相同，顶板8和底板9装配在一起后，它们的位置恰好正对。以同样的工艺制作点火电极7。在电解反应腔10的前端，其内表面上制备了疏水薄膜4，阻止尚未被电解的水流入燃烧腔5和喷管6。进水口1是内表面亲水的微细管道。
图8所示为图7所示推进器的A-A剖面图，显示了电解反应腔10内水基工质15(纯水或电解质的水溶液)的流场、气流通道13和电力线14的形状与分布。不论是顶板8还是底板9上，电解阳极2和电解阴极3的基底涂覆有疏水薄膜4，因此水基工质仅附着在上下相对的阳极2和电解阴极3之间，不会溢出充满整个电解反应腔10，从而在这些工质之间形成了气流通道13(如图9所示)。电解产生的氢氧混和气体通过气流通道13从电解反应腔10溢出到燃烧腔5。
权利要求
1.一种微型电解水推进器，包括带有单向阀结构的微型电解水推进器和采用高深宽比结构电极或平面电极的不带有单向阀结构的微型电解水推进器；其特征在于所述带有单向阀结构的微型电解水推进器由顶板(8)、底板(9)和喷口板(12三层平板结构叠合而成在顶板(8)和底板(9)之间制备有间隔排列的电解阳极(2)和电解阴极(3)，疏水薄膜(4)涂覆在顶板(8)和底板(9)之间的电解反应腔(10)内表面，电解反应腔(10)之后为燃烧腔(5)和微型平面喷管(6)，点火电极(7)在燃烧腔(5)内；在燃烧腔(5)的和微型喷管(6)之间设置单向阀门(11)，喷口板(12)固定在底板(9)上；在顶板(8)中还开有进水口(1)；所述采用高深宽比结构电极的无单向阀结构的微型电解水推进器，由顶板(8)和底板(9)叠和而成，底板(9)上制备有高深宽比的金属层，形成进水口(1)、电解反应腔(10)、燃烧腔(5)、微型喷管(6)、电解阳极(2)、电解阴极(3)和点火电极(7)，点火电极(7)设置在燃烧腔(5)内；顶板(8上刻有浅槽，该浅槽作为电解反应腔(10)中的气流通道(13)，电解反应腔(10)中的气流通道(13)、燃烧腔(5)和微喷管(6)的内表面都制备了疏水薄膜(4)；所述采用平面电极的无单向阀结构的微型电解水推进器，由顶板(8)和底板(9)叠和而成，顶板(8)或底板(9)上刻有一定深度的槽，构成进水口(1)、电解反应腔(10)、燃烧腔(5)和微型平面喷管(6)；顶板(8)或底板(9)上制备有金属薄膜，形成电解阳极(2)、电解阴极(3)和点火电极(7)，点火电极(7)设置在燃烧腔(5)内；电解阳极(2)和电解阴极(3)可以全部制备在底板(9)上，平行布置；也可分别制备在顶板(8)和底板(9)上，对称布置；电解反应腔(10)中的气流通道(13)、燃烧腔(5)和微喷管(6)的内表面都制备了疏水薄膜(4)。
2.根据权力要求1所述的一种微型电解水推进器，其特征在于所述进水口是内表面亲水的微细管道，利用毛细效应，实现工质自动注入电解反应腔。
3.根据权力要求1所述的一种微型电解水推进器，其特征在于电解反应腔中分别利用疏水和亲水材料制备适当的亲水和疏水图案，利用表面张力作用阻止尚未被电解的液态水直接流入燃烧腔和溢出喷口；并利用亲、疏水图案的边界所界定的容积精确控制工质的供给量。
4.根据权利要求1所述微型电解水推进器，其特征在于所述电解电极是采用电铸工艺得到的高深宽比的梳状电极。
5.根据权利要求1所述微型电解水推进器，其特征在于所述电解阳极和电解阴极是采用金属溅射或电镀工艺加工的平面电极，位于同一表面上，平行布置；或分别位于电解反应腔上下表面，对称布置。
6.根据权利要求1所述微型电解水推进器，其特征在于所述推进器的喷管是微型的平面喷管，集成在燃烧室的出口。
全文摘要
本发明属于微型机械技术领域的利用纯水或水溶液的电解原理的一种微型电解水推进器。包括1)由顶板、底板和喷口板三层平板结构叠合而成的带有单向阀的微型电解水推进器；2)由顶板和底板叠合而成的采用高深宽比结构电极或平面电极的无单向阀微型电解水推进器。电解反应腔在顶板和底板之间，内有电解阳极和电解阴极，燃烧腔内有点火电极，疏水薄膜涂覆在电解反应腔和燃烧腔内表面，单向阀门在燃烧腔和微型喷管之间。本发明的微型推进器通过水的电解反应生成氢氧混和气体，进而点燃生成高温高压水蒸气喷出喷管形成推力，提高了器件的比冲性能、热效率、响应速度和控制精度，其结构与MEMS微细工艺兼容，容易加工，适于实现微型化和集成化。
文档编号C25B1/04GK1804386SQ200510132739
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者陈旭鹏, 李勇 申请人:清华大学