MEMS固体微推力器阵列发展研究*

杨灵芝，魏延明，刘旭辉

(北京控制工程研究所，北京100190)

MEMS固体微推力器阵列发展研究*

杨灵芝，魏延明，刘旭辉

(北京控制工程研究所，北京100190)

固体微推力器阵列具备高精度、小冲量、高密度、可战备贮存快速组装等优点，非常适用于进行特殊任务的微/纳卫星、微/纳卫星编队飞行、快速响应卫星.简要介绍MEMS固体微推力器阵列的结构原理、特点以及应用范围，调研国内外MEMS固体微推力器阵列的发展状况.根据调研结果研究得出固体微推力器阵列的关键技术，结合国内外发展现状及相关关键技术提出今后的发展建议.

MEMS;固体微推力器阵列

0 引 言

微/纳卫星具有一定的优点，生产、发射成本低，研发周期短，大量微/纳卫星可以构成编队飞行，增加任务的可靠性和可行性，可以用来完成空间和地球科学任务，以及对其他卫星的检测和其他星球的探测等［1-3］.为满足未来空间军事战略的发展，需要开展微/纳卫星及编队飞行、快速响应卫星的研制工作.但是在研制工作中推进系统成为制约微/纳卫星发展的一个重大因素.因为传统推进系统体积和质量比较大，微/纳卫星体积质量小、功率电压低，所以传统推进系统不太适合应用在微/纳卫星上.现有微/纳型卫星上基本不配备推进系统，或者推进系统只提供极其有限的机动能力，控制能力和机动能力较差，无法完成复杂的航天任务，因此微/纳型卫星推进系统的研究受到了国内外学者的重视，运用MEMS技术发展了双组元、单组元、冷气推力器以及水蒸气推力器等［4-7］，但是这些推力器存在技术难点，结构复杂，而使用固体推进剂是一个比较好的选择，最具可行性.于是就提出了MEMS固体微推力器阵列.

MEMS固体微推力器阵列具有高度集成、功耗低、体积小、质量轻、结构简单、无可移动部件、没有液体泄漏、制作简单等优点，推力器单元可以单独工作，也可以多个推力器单元同时工作.能够提供精确的轨道修正、姿态调整等所需要的微小冲量或冲量矩，适用于具有特殊任务的微/纳卫星的编队飞行以及快速响应卫星.每个推力器单元只能使用一次，但是可以通过阵列的形式集成大量推力器来克服其缺点，因此大规模的固体推力器阵列技术是微/纳卫星推进系统发展的一个重要趋势，受到国内外研究机构以及学者的关注.

1 MEMS固体微推力器的基本原理及应用需求

1.1 基本原理

MEMS固体微推力器是基于MEMS技术的固体推进剂微推进系统，固体推进剂贮存在通过微加工制作而成的常压储腔中.利用MEMS技术可以在同一块芯片上集成多个可独立寻址的微推力器单元，它们能产生10－4～10－6N·s的冲量脉冲，可满足微/纳卫星的轨道控制.如果将推力器可提供的最小脉冲称作一个“脉冲节”，那么这些推力器将能以“脉冲节”为单位，以一定逻辑功能产生推力.由于“脉冲节”很小，推力器可以对微型卫星的姿态连续地进行精确微调.

比较典型的MEMS固体微推力器的结构如图1所示，由3部分组成:点火电路层、燃烧室层和喷管层.微推力器的作用原理为点火电路对燃烧室中的推进剂进行寻址点火，推进剂燃烧形成的燃气流冲破膜片，释放高温高压燃气，并且由喷管对燃气流进行导流，产生预定的推力.

图1 典型微型固体推力器结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of typical solid propellant micro-thruster

1.2 应用需求

MEMS固体微推力器阵列能够实现高精度控制，控制精度能达到0.01°，控制稳定度能达到1× 10－4(°)/s，并且安装形式灵活.因此，MEMS固体微推力器阵列在卫星精确姿态轨道控制中具有一定的优势.其主要应用需求如下:

(1)为快响卫星的快速响应推进系统提供解决方案

(2)为微/纳卫星编队飞行的推进系统提供解决方案.

(3)为大型结构卫星精确控制提供有效解决办法.

2 MEMS固体微推力器阵列国内外研究状况

国内外各研究机构主要集中在对小规模推力器阵列的结构设计、性能试验、仿真分析、单个推力器的推力测试等方面的研究，虽然美国提出了“兆单元”的概念，但是现有文献中没有相关推力器阵列性能测试及点火试验等方面的研究［8-9］.

2.1 国内研究状况

清华大学尤政教授课题组设计了硅-硅-玻璃三明治式结构的推力器［10-12］.三层结构从上到下依次是分别是喷嘴层、燃烧室层和点火器层，图2为其封装后的原理样机图.推力器阵列规模为6×6.采用AP/HTPB(高氯酸安/端羟基聚丁二烯)固体复合推进剂，对16个推力器单元进行点火试验，点火成功率为94%，平均点火功率为725.21 mW，点火功率标准差为28.69 mW，平均点火电压为38.73 V，点火电压标准差为0.78 V，点火电压和点火功率散布较大，单元脉冲冲量为4～13 μN·s，理论推力约为1.7 mN.点火电路采用单独控制的方式，点火电压为45 V时，最短点火延迟时间为27 ms，点火电压为55 V时，最短点火延迟时间为9 ms.

图2 清华大学研制的MEMS固体微推力器原理样机Fig.2 MEMS solid propellant array fabricated by Tsinghua university

国防科技大学吴学忠、万红教授课题组研制了硅-硅-玻璃三明治式结构的推力器［13-15］，图3为其原理样机图.推力器阵列规模为4×4.选择高氮燃烧剂BTATZ作为固体微推力器的推进剂，对4×4 MEMS固体微推力器阵列中的12个推力器单元进行了推力测试.点火成功率为100%，点火电压不高于30 V，最低点火功率为6.66 W，平均推力约为0.2 mN，脉冲冲量范围10～30 μN·s.

图3 国防科技大学的4×4 MEMS固体微推力器阵列Fig.3 4×4 MEMS SPMTA fabricated by National University of Defense Technology

南京理工大学自2002年开始MEMS固体微推力器阵列的研究［16-22］.2013年叶迎华研究员课题组制备了10×10规模的微推力器阵列，采用底层点火电路、中间装药室、顶层喷孔的“硅-环氧树脂-硅”三明治结构.推力器阵列封装如图4所示.点火药采用纳米Al/CuO、Al/Bi2O3铝热剂.点火电压16 V，平均冲量为0.186 3 mN·s，比冲为39.7 s，点火延迟时间为1.7 ms，持续工作时间15～60 ms.点火成功率100%，无推力测量数据.

图4 南京理工大学研制的微推力器封装Fig.4 Packaging of micro-thruster array fabricated by Nanjing University of Science and Technology

北京理工大学喷气推进试验室方蜀州教授课题组设计了5×5规模的推力器阵列，阵列实物图如图5所示.该推力器阵列采用尾部点火.进行了热敏药、双基推进剂和复合推进剂的点火试验，复合推进剂推力器冲量约为1.2×10－2N·s，工作时间4 ms，比冲约为63.7 s.

后期采用高精密机加工的方式制备了10×10和100×100规模的推力器阵列［23］，并进行了相关性能研究以及试验.10×10阵列推力器点火成功率可以达到100%，平均冲量为1.092×10－3N·s，平均比冲为117.67 s，点火延迟时间最短可达7 ms左右，工作时间为3.3 ms左右.

图5 北京理工大学5×5微推力器阵列Fig.5 4×4 MEMS SPMTA manufactured by Beijing University of Science and Technology

2.2 国外研究状况

国外从20世纪90年代开始从事这方面的研究，美国、法国、韩国、新加坡的研究具有较高的学术水平和一定代表性.

美国TRW公司、加州理工学院提出数字化微推进(digital micropropulsion)的概念［2］，设计并制造了阵列规模为3×5的“硅-玻璃-硅”三明治结构的推力器芯片，如图6所示.该推力器采用史蒂芬酸铅作为固体推进剂，其推进单元的脉冲冲量为0.1 mN·s，工作时间为1 ms，点火电压100 V，点火功率为50 W，点火成功率为80%，无比冲、点火延迟时间等测试数据［24-26］.

图6 TRW公司、加州理工学院制作的推力器阵列Fig.6 Thruster array manufactured by TRW company and California Institute of Technology Caltech

美国Honeywell中心和Princeton大学利用红外景象仪中相关技术，合作研究了MEMS兆单元推力器阵列［9］.推力器阵列由512×512个独立的推力器单元组成，其点火电阻选择电热丝.图7为“MEMS兆单元微推进阵列”的封装后的实物图.该推力器单元期望的脉冲冲量为0.5～20 μN·s，点火功率约为10 mW，点火能量为100 μJ，比冲为100～300 s，但无相关点火测试试验［27-29］.

法国LAAS-CNRS的Rossi等［30］设计了平板式和垂直式两种结构的推力器，两种推力器均采用尾部点火的方式.平板式结构推力器单元尺寸如图8(a)所示.该推力器推进剂为双基药和黑火药，点火功率为600 mW，单个推力器推力在0.1～1 mN之间，总冲为0.17～1.13 mN·s，比冲为2.43～16.46 s，点火延迟时间为150 ms，推力器工作时间为1.15～1.7 s.

图7 美国Honeywell中心和Princeton大学制作的兆单元推力器阵列Fig.7 The mega-pixel array manufactured by Honeywell Technology Center and Princeton University

垂直式结构推力器中每个推力器单元由四层硅组成，即喷管层、点火层、贮箱和贮箱密封层.点火电阻为多晶硅，除了用于点火以外还充当温度传感器.单个推力器结构如图8(b)所示.分别使用了GAP/ AP/Zr推进剂和ZPP推进剂，分别对不同尺寸、不同结构、不同推进剂的推力器进行了试验，所需点火能量为17～24 mJ，点火延迟时间为36～375 ms，无喷管总冲为0.135 mN·s，工作时间为200 ms左右.有喷管总冲为7.3 mN·s，工作时间为270 ms左右，无相关比冲数据.点火成功率达到100%，点火功率为100 mW.

图8 法国研制的两种推力器结构Fig.8 Two thruster structures fabricated by France

韩国科学技术院Lee等［31］研制了垂直式结构的3×3阵列微推力器，如图9所示.使用史蒂芬酸铅作为推进剂，点火功率为340 mW，点火延迟时间最小为27.5 ms，最大达到几百毫秒，最小点火电压为14.2 V，点火能量为19.3 mJ，最大推力为3 619 mN，总冲为0.381 mN·s，平均比冲为62.3 s，无点火成功率试验.

图9 韩国研制的3×3垂直式推力器阵列Fig.9 3×3 vertical type thruster array fabricated by Korea

新加坡国立大学KL.Zhang等［32-33］研制的推力器阵列采用平板式结构，如图10所示.推进剂由90%黑火药，6%的高氯酸铵，3%的铝，1%的三氧化二铁组成.点火电压为10 V左右，点火功率为0.16 W左右，点火延迟时间为12.94 s.对扩张比为1.47～1.78的推力器分别在大气中和真空中进行了试验，其中测得大气总冲为2.11×10－5～1.15× 10－4N·s，比冲为 2.68～14.65 s;真空总冲为3.52×10－5～2.22×10－4N·s，比冲为 4.48～28.29 s.

图10 新加坡设计的推力器阵列Fig.10 Thruster array designed by Singapore

2.3 国内外研究对比

各研究机构的推力器阵列性能以及结构等对比情况，如表1所示.由国内外研究的现状可知:

(1)现阶段研制的推力器阵列都是三明治结构的，其中对于垂直结构的研究比较多，平板式结构的推力器阵列只有法国和新加坡有所研究，其他国家对平板式结构的推力器阵列基本没有研究.

(2)基本上现在所研制出的推力器阵列都采用底部点火的方式，对顶部点火方式的研究很少.

(3)国内外所研制的推力器阵列点火电阻比较大，最高达到了7 000 Ω，只有南理工和北理工的点火电阻比较小.

(4)国内外研制的推力器阵列样机的规模都比较小，只有美国提出了“兆单元”的概念，但是还没有真正地进行实物验证以及测试，国内只有北京理工大学研制了规模为100×100的微推力器阵列，但是加工技术采用高精密传统加工的方式，不利于进一步提高阵列规模的集成度.

(5)国内研制的推力器阵列样机的点火延迟时间比国外研制的推力器阵列样机点火延迟时间要短，南京理工大学已经可以达到1.7 ms，国外最低才能达到27.5 ms.在此方面国内处于领先地位.

(6)国内外在MEMS固体微推力器阵列的研究方面均处于原理样机阶段，都没有真正的应用到卫星上.

3 MEMS固体微推力器阵列关键技术

3.1 MEMS固体微推力器阵列设计与优化设计

针对卫星精确姿轨控对微推力器阵列体积小重量轻、功耗低、集成度高、冲量小及精度高等要求，在推力器阵列设计方面需要解决以下技术.

(1)MEMS微推力器的结构设计原理与技术

分析微腔室、微喷管等关键部件的拓扑结构对微推力器关键性能参数的影响规律，对微推力器阵列的拓扑结构及微推力器关键结构参数进行优化设计，研究关键结构参数制造误差对微推力器关键性能参数的影响规律以提高设计鲁棒性.

(2)MEMS微推力器的内弹道设计原理与方法

基于微尺度燃烧、流动、传热机理与模型，研究微推力器中的燃气流动规律，建立微推力器的内弹道方程及内弹道设计方法.为微推力器微燃烧室、微喷管和推进剂装药设计提供设计理论.

(3)MEMS微推力器高集成度技术

针对集成度设计极限，开展集成度与冲量、总冲关系研究.在结构力学和传热学分析的基础上，建立集成度密度算法，为推力器阵列的集成设计奠定理论基础.

3.2 MEMS固体微推力器阵列快速点火驱动技术

微点火器对于推力器阵列的性能有着重要的作用，需要研究适用于微推力器阵列的点火技术［34］，实现低功耗，高瞬发度，解决窜火和殉爆问题.现阶段各个研究机构都采用每个点火元件单独点火的方法.独立点火驱动会使点火电路很复杂，制约了大规模固体微推力器阵列的进一步发展.

行列式点火驱动技术对于大规模固体微推力器阵列点火的实现具有很重大的意义，可以使系统变的更简单，可以大幅度减少点火驱动系统与控制系统的连接线路，并且要设计可以根据需要可控通断的驱动系统，因此点火驱动技术需要投入更多的精力进行研究.

3.3 微推力、微冲量精确测量技术

MEMS微推力器推力小，为mN量级，甚至μN量级，作用时间为ms量级，无法运用常规测试理论建立测试平台，因此需要研究适用于MEMS微推力器的冲量、推力精确测量理论与方法，设计高精密微推力、微冲量测试系统实现高灵敏度、快速响应、精确测量［35］.

4 发展建议

MEMS固体微推力器阵列技术具有其优越性以及先进性，相比其他微推进系统其具有卓越的优点，随着我国组网技术的成熟、微小纳卫星、皮卫星技术的发展，将会给MEMS固体微推力器阵列推进系统带来越来越大的应用空间.根据国内外发展研究提出以下发展建议:

(1)在结构方面:以后要加大对平板式结构的推力器阵列的研究，以进行和垂直式结构的性能进行对比.

(2)在点火方式方面:需要要加大对顶部点火方式推力器阵列的研究.

(3)在点火电阻方面:为了与微/纳必卫星的实际应用接轨，必须设计低功耗、低电压激发的点火桥.现阶段研制的推力器阵列点火电阻太大，需要的点火电压就会比较高，而微/纳卫星上基本上都是携带的锂电池，输出电压有限，所以还需要进一步的研究点火桥材料来尽可能地降低点火电阻，降低点火电压以及能量.

(4)在工程化方面:MEMS微推力器阵列从20世纪末开始发展，但是至今没有相关的飞行试验报道.

为了使MEMS固体微推力器阵列能真正地应用在星上，需要加大对加工技术以及阵列规模集成度的研究，打造可靠性更高的大规模阵列产品，进行相关的飞行试验，最终实现星上应用.

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Development of MEMS Solid Propellant Micro-Thruster Array

YANG Lingzhi，WEI Yanming，LIU Xuhui
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

Solid propellant micro-thruster array(SPMTA)has the advantages of high accuracy，low impulse，high density and rapid assembling.It is quite suitable for micro/nano-satellite in special mission，micro/nano-satellite formation flight and rapid response satellite.In this paper，the structure principle，features and applications of micro electro mechanical systems(MEMS)SPMTA are introduced.The international development status of MEMS SPMTA is investigated.Based on the investigation，the key techniques of MEMS SPMTA and some future development suggestions are presented.

MEMS;SPMTA

V43

:A

:1674-1579(2016)01-0013-07

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.01.003

杨灵芝(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为航天器推进技术;魏延明(1965—)，男，研究员，研究方向为航天器推进技术;刘旭辉(1983—)，男，高级工程师，研究方向为固体微推力器阵列技术.

表1 国内外阵列性能对比
Tab.1 The performance comparison of thruster array at home and abroad

研究机构 结构形式电阻材料阻值/ Ω点火电压/V点火功率/W点火试剂总冲/ mN·s 比冲/s 工作时间/ms点火延迟/ms点火成功率/%美国TRW 垂直式 多晶硅 210 100 50 斯蒂芬酸铅 0.1 未知 1 未知80美国Honeywell中心 垂直式 电热丝 21 K～126 K 未知 0.01 斯蒂芬酸铅 0.000 5～0.02 100～300未知 未知 未知法国LAAS平板式 多晶硅 未知 未知 0.6 双基药黑火药 0.17～1.13 2.43～16.46 1 150～1 700 150 未知垂直式 多晶硅 7 000 40 0.1 GAP/AP/Zr ZPP 0.135～7.3 未知200～270 36～375 100韩国科学技术院 垂直式 Pt 5 000 45 0.4 AP/HTPB 0.381 62.3 0.23 27.5未知新加坡 平板式 Au/Ti 169 10 0.16 黑火药，高氯酸铵，铝，三氧化二铁0.035 2～0.222 4.48～28.290.73 1 294 90清华大学 垂直式 Pt 2 000 55 0.725 AP/HTPB 0.004～0.013 未知 未知9 94国防科技大学 垂直式 Cr 59/12 19.3/ 20.3 6.3/ 34.3 黑索金 0.01～0.03 未知 未知 未知100南京理工大学 垂直式 多晶硅 15.6 16 1.4 铝热剂0.1863 39.7 15～60 1.7 100北京理工大学 垂直式 二氧化钌2 1.8 1.62 HTPB#86 1.092 117.7 3.3 7 100

*国家自然科学基金资助项目(51506007).

2015-08-20