專利名稱：微型電解水推進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用純水或水溶液的電解原理的一種微型電解水推進(jìn)器。
背景技術(shù)：
微小型推進(jìn)技術(shù)是伴隨著微小型航天器概念的提出特別是微小衛(wèi)星的研究開發(fā)而凸現(xiàn)出來的。用于傳統(tǒng)航天器的姿控推進(jìn)器如冷氣推進(jìn)器或肼推進(jìn)器等，因頻響有限，沖量單位也比較大，難以滿足微小衛(wèi)星姿態(tài)和位置控制的要求。因此，mN級或更小推力級別、具有較高控制精度的微小型推進(jìn)器，是航天領(lǐng)域微小型化的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有重要研究意義和應(yīng)用前景。迄今，國內(nèi)外已報導(dǎo)的微小型推進(jìn)器的研究，主要涉及冷氣推進(jìn)、固體化學(xué)能推進(jìn)和包括電熱、電磁、靜電式的電推進(jìn)等。冷氣推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功耗極低，適于微小型化。比沖太低是其固有缺陷，只適用于工作周期很短的微小型航天器。從長遠(yuǎn)角度看，其理論和實用價值不高。
固體燃料推進(jìn)器的優(yōu)點是避免了液體工質(zhì)的泄漏問題；推進(jìn)器中沒有活動部件，結(jié)構(gòu)簡單可靠；且系統(tǒng)能耗較小。但傳統(tǒng)的固體火箭是一次性使用的，不適于航天器的空間調(diào)節(jié)。為了解決這一問題，現(xiàn)有設(shè)計多采用微細(xì)加工工藝得到具有很小沖量單位的固體推進(jìn)單元，進(jìn)而組成大規(guī)模陣列實現(xiàn)多次啟動。但由于噴管等結(jié)構(gòu)只能一次性使用，浪費有效載荷、不易提高系統(tǒng)總沖量等是其固有缺點，至今未見有效的解決方案見諸發(fā)表。此外，其理論比沖較低，一般低于250s，目前實際能達(dá)到的水平更低。
靜電或電磁推進(jìn)器具有極高比沖6000-10000s，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的化學(xué)和冷氣推進(jìn)器。常見的電推進(jìn)原理包括場發(fā)射電推進(jìn)(FEEP)、脈沖等離子推進(jìn)(PPT)、及膠體推進(jìn)等。但是以目前的技術(shù)水平，還有一些難以解決的問題，主要是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是電源系統(tǒng)的體積和重量比較大，難于微小型化，限制了微小型電推進(jìn)器的實用化；以目前的技術(shù)水平，還不可能用于總重為1kg或10kg級的微衛(wèi)星。靜電和電磁推進(jìn)器的工作需要高電壓，PPT還需要高能量的電弧放電電路，相關(guān)的電壓變換電路的效率比較低，約50％左右；此外還要解決帶電粒子的電磁污染問題。
電熱推進(jìn)有多種工作原理，傳統(tǒng)上有電阻電熱式、電弧加熱式和微波加熱式。從能量傳遞和轉(zhuǎn)換的角度看，電弧加熱和微波加熱的特點是電能(電弧式)或動能(微波式)在流體工質(zhì)中直接轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的熱能，熱能損失于流體和固體壁面之間的對流和輻射換熱；而對電阻加熱方式而言，電能通過熱電阻轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軆Υ嬖诠腆w加熱器中，再通過固壁—流體之間的對流換熱傳給流體，熱能損失于固體加熱器與其它機(jī)構(gòu)之間的熱傳導(dǎo)和流體與推進(jìn)器內(nèi)壁之間的對流換熱。一般來說，對流換熱強(qiáng)度相對較弱，因此電弧和微波加熱的效率一般要高于熱電阻加熱方式。而且電弧或微波式電熱推進(jìn)系統(tǒng)中最高溫度出現(xiàn)在工質(zhì)中，推進(jìn)器結(jié)構(gòu)的溫度相對較低；電阻電熱式推進(jìn)器則相反。工質(zhì)的最終加熱溫度是推進(jìn)器比沖性能的主要決定因素，對于相同的工質(zhì)溫度，電弧和微波系統(tǒng)的高溫失效風(fēng)險更??；另一方面，若限制了最高的結(jié)構(gòu)溫度，在電弧和微波系統(tǒng)中允許把工質(zhì)加熱到更高的溫度以實現(xiàn)更大的比沖。但是，類似于靜電推進(jìn)器和電磁推進(jìn)器，電弧加熱和微波加熱系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換和驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量體積較大，電壓變換電路的效率較低，其微型化存在困難。所以目前的微型電熱推進(jìn)器的主要研究方向是電阻加熱式電熱推進(jìn)器。
相比于其它電推進(jìn)原理，電阻電熱式推進(jìn)器的比沖較低，但其理論比沖要高于化學(xué)能推進(jìn)器。電阻電熱推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)簡單易于微小型化，特別是加熱電阻的制造工藝與MEMS等微細(xì)加工工藝兼容，而且工質(zhì)選擇靈活，故其研究開展較早。但是目前已報導(dǎo)的微型電阻電熱推進(jìn)器的加熱效率很低，難以把工質(zhì)加熱到很高的溫度，因此實際比沖很低(最高90s左右)，遠(yuǎn)沒有達(dá)到理論值；能量利用效率也很低，熱效率一般低于10％。其原因如下。在傳統(tǒng)尺度(尺寸在厘米以上)的電阻電熱推進(jìn)器中是通過如下手段提高加熱效率和能量利用效率的將加熱電阻懸置在加熱腔中，盡量減小熱電阻與固體壁面的接觸面積，并選用隔熱性能很好的結(jié)構(gòu)材料，從而減小熱傳導(dǎo)損失；同時采用多孔的或肋等強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)來提高加熱電阻與流體(氣體或液體工質(zhì))之間的對流換熱強(qiáng)度。而對于微小型衛(wèi)星，為了獲得很小的推力和沖量單位，推進(jìn)器的尺度往往在毫米以下。這一尺度的器件的加工，目前主要還是依賴MEMS工藝，工藝手段和材料選擇都受到很大限制。1)微型推進(jìn)器內(nèi)腔體和管道的尺寸很小，雷諾數(shù)很低，加熱電阻與工質(zhì)(氣體或液體)之間的對流換熱強(qiáng)度很低；而多孔或多肋板等強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)不易與現(xiàn)有微細(xì)工藝兼容；2)現(xiàn)有MEMS工藝主要采用單晶硅或金屬作為結(jié)構(gòu)材料，這些都是熱的良導(dǎo)體(單晶硅的導(dǎo)熱率優(yōu)于鋼材1.5倍以上)，增大了電阻和基底之間的熱傳導(dǎo)；雖然可以制備SiO2用于隔熱，但只能制作薄膜，隔熱效果有限；3)關(guān)于電阻的制備，懸置結(jié)構(gòu)不易制作，一般的MEMS電阻采用濺射金屬層電阻或CVD多晶硅薄膜電阻，得到的平面電阻與基底接觸面積很大，而與流體接觸的面積又有限，因此導(dǎo)熱損失很大；采用犧牲層工藝可以得到懸置結(jié)構(gòu)，但懸置高度很小，效果有限，且降低了結(jié)構(gòu)可靠性；哈佛和Brown大學(xué)開發(fā)的體硅電阻加熱器擴(kuò)大了流體和加熱器的接觸面積，但電阻與基底的連接面積依然較大，而且在這種加熱器中電阻和基底接觸的部分是導(dǎo)電通道，無法制備隔熱薄膜。
沿用常規(guī)推進(jìn)原理朝微小型化方向發(fā)展，往往碰到原理上或者現(xiàn)有技術(shù)能力的限制，因此有必要考慮進(jìn)行新型推進(jìn)原理的研究；以MEMS工藝為代表的微細(xì)加工技術(shù)的迅速發(fā)展則為這種研究提供了必要的工藝手段，在um和亞毫米級的微小尺度中，實現(xiàn)在大型火箭和推進(jìn)器中無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種微型電解水推進(jìn)器。包括(1)帶有單向閥結(jié)構(gòu)的微型電解水推進(jìn)器，(2)采用高深寬比結(jié)構(gòu)電極或平面電極的、不帶有單向閥的微型電解水推進(jìn)器。
所述帶有單向閥結(jié)構(gòu)的微型電解水推進(jìn)器由頂板8、底板9和噴口板12三層平板結(jié)構(gòu)疊合而成在頂板8和底板9之間制備有間隔排列的電解陽極2和電解陰極3，疏水薄膜4涂覆在頂板8和底板9之間的電解反應(yīng)腔10內(nèi)表面，電解反應(yīng)腔10右邊為燃燒腔5，點火電極7在燃燒腔5內(nèi)；在燃燒腔5的的出口處設(shè)置單向閥門11，噴口板12固定在底板9上，在單向閥門11的下游為微型平面噴管6；在頂板8中還開有進(jìn)水口1，進(jìn)水口1是內(nèi)表面親水的微細(xì)管道。
所述采用高深寬比結(jié)構(gòu)的電極的無單向閥微型電解水推進(jìn)器，由頂板8和底板9疊和而成。底板9上制備有高深寬比的金屬層，構(gòu)成進(jìn)水口1、電解陽極2、電解陰極3和點火電極7，點火電極7設(shè)置在燃燒腔5內(nèi)，在頂板8和底板9之間為電解反應(yīng)腔10，電解反應(yīng)腔10右邊為燃燒腔5和平面噴管6；頂板8上刻有淺槽，該淺槽作為電解反應(yīng)腔10中的氣流通道13。電解反應(yīng)腔10中的氣流通道13、燃燒腔5和微噴管6的內(nèi)表面都制備了疏水薄膜4。進(jìn)水口1是內(nèi)表面親水的微細(xì)管道。
所述電解電極是采用電鑄工藝得到的高深寬比的梳狀電極。
所述電解陽極和電解陰極位于同一表面上，平行布置。
所述推進(jìn)器的噴管是微型的平面噴管，集成在燃燒室的出口。
所述采用平面電極的無單向閥微型電解水推進(jìn)器，由頂板8和底板9疊和而成。頂板8或底板9上刻有槽狀進(jìn)水口1、電解反應(yīng)腔10、燃燒腔5和微型平面噴管6。頂板8或底板9上制備有金屬薄膜，形成電解陽極2、電解陰極3和點火電極7，點火電極7設(shè)置在燃燒腔5內(nèi)。電解陽極2和電解陰極3可以全部制備在底板9上，平行布置；也可分別制備在頂板8和底板9上，對稱布置。電解反應(yīng)腔10中的氣流通道13、燃燒腔5和微噴管6的內(nèi)表面都制備了疏水薄膜4。進(jìn)水口1是內(nèi)表面親水的微細(xì)管道。
所述推進(jìn)器的噴管是微型的平面噴管，集成在燃燒室的出口。
本發(fā)明的有益效果是1、微型電解水推進(jìn)器的熱效率高。
工質(zhì)的加熱是通過燃燒釋放的化學(xué)能，是內(nèi)熱源方式。傳熱損失發(fā)生在高溫水蒸氣與燃燒腔壁面之間的輻射和對流換熱；這一點類似于電弧和微波加熱式電熱推進(jìn)器。如前文“背景技術(shù)”中所述，采用MEMS等微細(xì)工藝制作的微型推進(jìn)器中，對流換熱強(qiáng)度很難提高。這一特點對于電阻電熱推進(jìn)器而言是缺點，而對于本發(fā)明所述的微型電解水推進(jìn)器而言則是優(yōu)點，有效減小了傳熱損失，提高了熱效率。
2、比沖性能較高，結(jié)構(gòu)溫度較低，因高溫而失效的風(fēng)險小。
由于傳熱損失低，推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)溫度較低。在相同的加熱能量下，降低結(jié)構(gòu)溫度意味著降低了器件因高溫失效的風(fēng)險，而且也避免由于推進(jìn)器表面的溫度過高而干擾衛(wèi)星上其它部件的正常工作；或者，如果系統(tǒng)設(shè)計中限制了推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)溫升，那么對于相同的結(jié)構(gòu)溫度上限，采用本發(fā)明所述的微型電解水推進(jìn)器，就可以得到更高的工質(zhì)溫度，提高比沖性能。
3、控制精度高。
通過測量和調(diào)整電解過程的電壓、電流和通電時間，可以精確控制產(chǎn)生的氫氧混和氣體的量，從而精確控制每脈沖中推進(jìn)器輸出的沖量。該微型推進(jìn)器采用微細(xì)工藝制造，電解反應(yīng)腔、管道和燃燒腔的容積很小，因此每脈沖的沖量輸出很小，可以大大提高衛(wèi)星的姿態(tài)和位置的控制精度。
4、電源系統(tǒng)和驅(qū)動電路簡單，效率高，易于微小型化。
電解過程采用低壓電源，不需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和驅(qū)動電路，容易微小型化；電路效率較高，降低了衛(wèi)星的功耗。點火過程所需能量也很低，采用簡單小巧的振蕩電路即可。
5、結(jié)構(gòu)簡單，適于采用MEMS等微細(xì)加工工藝實現(xiàn)集成化和微小型化設(shè)計。
電解反應(yīng)電極和點火電極、平面化的電解反應(yīng)腔、燃燒腔和微型噴管等結(jié)構(gòu)，都與硅平面微細(xì)工藝等MEMS技術(shù)相兼容，易于實現(xiàn)微小型化和提高系統(tǒng)的集成度，減小整個系統(tǒng)的尺寸、重量和內(nèi)部管道腔體的死區(qū)容積，提高控制精度；適于陣列化設(shè)計和制造。
6、無毒無污染。
采用清潔工質(zhì)純水或適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)溶液。這種水基工質(zhì)無毒，無腐蝕性，不易燃，容易保存，是最理想的推進(jìn)器工質(zhì)。而且推進(jìn)器工作過程的中間和最終產(chǎn)物都是電中性的，不會對衛(wèi)星造成電磁污染。


圖1為一種采用平面電極和單向閥的微型電解水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的微型電解水推進(jìn)器的頂板結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為采用高深寬比結(jié)構(gòu)的電極的微型電解水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖3的A-A剖面所示的電解反應(yīng)腔內(nèi)的流場和電場示意圖。
圖5為采用平行布置的平面電極的微型電解水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為圖5的A-A剖面所示的電解反應(yīng)腔內(nèi)的流場和電場示意圖。
圖7為采用對稱布置的平面電極的微型電解水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)圖。
圖8為圖7的A-A剖面所示的電解反應(yīng)腔內(nèi)的流場和電場示意圖。
圖9為圖8的B-B剖面所示的電解反應(yīng)腔內(nèi)的流場示意圖.
具體實施例方式
本發(fā)明提出了一種微型電解水推進(jìn)器。基本工作原理是1)首先利用電化學(xué)原理，將純水或水的電解質(zhì)溶液電解為氫氣和氧氣陰極反應(yīng)陽極反應(yīng)總反應(yīng)2)點燃上述氫氧混合氣體的電解反應(yīng)產(chǎn)物，發(fā)生爆燃并放熱，形成高溫高壓的水蒸氣，噴出微型噴管形成推力。
氫氧燃燒反應(yīng)不計中間環(huán)節(jié)，能量轉(zhuǎn)換的方式是“電能→熱能”。
在圖1所示的一種采用平面電極和單向閥的微型電解水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖中，在工質(zhì)貯箱中，利用飽和蒸汽壓維持一個比較低的供給背壓。在推進(jìn)器開始工作后，工質(zhì)貯箱的電控閥門打開，由于毛細(xì)效應(yīng)，工質(zhì)貯箱里的水自動通過在頂板8中開的內(nèi)表面親水的槽狀進(jìn)水口1(如圖2所示)的微管道流入電解反應(yīng)腔10。電解反應(yīng)腔10中分別用疏水、親水材料制備適當(dāng)形狀的涂層，形成疏水薄膜4，利用表面張力防止液態(tài)水直接流入燃燒腔5和溢出噴口6，并得以精確控制水的供給量(即由親水、疏水層的邊界所界定的容積)。然后給電解陽極2和電解陰極3施加直流電壓，電解反應(yīng)開始，電解反應(yīng)腔10內(nèi)的水轉(zhuǎn)化為氫氧混合氣體，其成分比例恰為氫氧燃燒的化學(xué)反應(yīng)配比，處于爆炸極限范圍。電解過程中，工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積擴(kuò)大，充滿燃燒腔5。在燃燒腔5和噴管6之間有一單向閥門11，在氫氧混和氣體被點燃之前，燃燒腔5內(nèi)的壓力不夠高，打不開單向閥11，因此混和氣體儲存在燃燒腔5內(nèi)，不會通過噴管6泄漏。由電解驅(qū)動電路的電壓、電流參數(shù)判斷電解過程的結(jié)束，并控制燃燒室5內(nèi)的點火電極7通電，氫氧混合氣體被電弧點燃發(fā)生爆燃，形成的高溫高壓水蒸氣，打開單向閥11并從噴管6噴口噴出，產(chǎn)生推力。點火電極7安排在燃燒室5的推力室前部，防止部分工質(zhì)在沒有燃燒之前就被后腔高壓的燃燒產(chǎn)物噴出。一次噴射完成后，推力室壓降低，工質(zhì)的供給再次自動進(jìn)行，系統(tǒng)的工作得以維持，并以脈沖形式工作，直到工質(zhì)貯箱的控制閥門關(guān)閉或關(guān)斷電解電壓。電解反應(yīng)腔、燃燒室和噴口采用兼容的微細(xì)工藝流程加工成一體化的推力室，提高器件的集成度，并大大減個了管道和腔體的容積，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。
本發(fā)明的這一系列反應(yīng)理論上可以把20℃的水轉(zhuǎn)變成3000℃以上的高溫水蒸氣，得到450s以上的理論真空比沖。這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有的除離子推進(jìn)以外的其他電推進(jìn)器。實際上，由于電極上氫、氧過電位的存在，以及溶液本身的歐姆電阻，在電解過程中有額外的熱能以歐姆熱的形式儲存在工質(zhì)中，若不計能量損失，反應(yīng)溫度和理論比沖更高。
圖3、4所示采用高深寬比結(jié)構(gòu)的電極的微型電解水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)圖。由頂板8和底板9疊和而成(在圖3中，為了顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而將頂板8打開)。底板9上通過電鑄技術(shù)制備高深寬比的金屬層，形成進(jìn)水口1、電解陽極2、電解陰極3(點火電極7與電解電極共用同一結(jié)構(gòu))、電解反應(yīng)腔10、燃燒腔5、平面噴管6。頂板8上刻有淺槽，槽底制備了疏水薄膜4。該淺槽的主要功能是作為電解反應(yīng)腔10中的氣流通道13。燃燒腔5和噴管6的內(nèi)表面都制備有疏水薄膜4，阻止尚未被電解的水流入燃燒腔5和噴管6。進(jìn)水口1是內(nèi)表面親水的微細(xì)管道。
圖4所示為圖3所示推進(jìn)器的A-A剖面圖，顯示了電解反應(yīng)腔10內(nèi)水基工質(zhì)15(純水或電解質(zhì)的水溶液)的流場、氣流通道13和電力線14的形狀與分布。電解反應(yīng)腔10的上表面(頂板8)覆有疏水薄膜4，因此水基工質(zhì)僅容納于高深寬比的電極之間，不會充滿整個電解反應(yīng)腔10，從而在上方形成了氣流通道13。電解產(chǎn)生的氫氧混和氣體通過氣流通道13從電解反應(yīng)腔10溢出到燃燒腔5。
如圖5、6所示為采用平行布置的平面電極的微型電解水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)圖。由頂板8和底板9疊和而成(在圖5中，為了顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而將頂板8打開)。底板9上通過金屬濺射或電鍍技術(shù)制備平面化的電解陽極2、電解陰極3和點火電極7。其中電解陽極2和電解陰極3可以采用同種金屬，也可以采用不同種金屬，它們位于同一平面(底板9的上表面)并平行布置。頂板8的下表面刻有一定深度的槽。頂板8上的槽狀進(jìn)水口1、電解反應(yīng)腔10、燃燒腔5和微型平面噴管6。燃燒腔和噴管的內(nèi)表面都制備有疏水薄膜4，阻止尚未被電解的水流入燃燒腔5和噴管6。進(jìn)水口1是內(nèi)表面親水的微細(xì)管道。
圖6所示為圖5所示推進(jìn)器的A-A剖面圖，顯示了電解反應(yīng)腔10內(nèi)水基工質(zhì)15(純水或電解質(zhì)的水溶液)的流場、氣流通道13和電力線14的形狀與分布。電解反應(yīng)腔10的上表面(頂板8)覆有疏水薄膜4，因此水基工質(zhì)附著在電極平面上方的一定高度，不會充滿整個電解反應(yīng)腔10，從而在其上方形成了氣流通道13。電解產(chǎn)生的氫氧混和氣體通過氣流通道13從電解反應(yīng)腔10溢出到燃燒腔5。
圖7、8、9所示為采用對稱布置的平面電極的微型電解水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)圖。由頂板8和底板9疊和而成(在圖7中，為了顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而將頂板8打開)。底板9和頂板8的結(jié)構(gòu)完全相同，但是所選用的金屬材料可以不同。底板9的上表面和頂板8的下表面的一部分刻有淺槽，共同形成電解反應(yīng)腔10；另一部分刻有深槽，形成進(jìn)水口1、燃燒腔5和微型平面噴管6。頂板8上通過金屬濺射或電鍍技術(shù)制備電解陽極2，在與之對稱的位置上，底板9上制備了電解陰極3，二者形狀完全相同，頂板8和底板9裝配在一起后，它們的位置恰好正對。以同樣的工藝制作點火電極7。在電解反應(yīng)腔10的前端，其內(nèi)表面上制備了疏水薄膜4，阻止尚未被電解的水流入燃燒腔5和噴管6。進(jìn)水口1是內(nèi)表面親水的微細(xì)管道。
圖8所示為圖7所示推進(jìn)器的A-A剖面圖，顯示了電解反應(yīng)腔10內(nèi)水基工質(zhì)15(純水或電解質(zhì)的水溶液)的流場、氣流通道13和電力線14的形狀與分布。不論是頂板8還是底板9上，電解陽極2和電解陰極3的基底涂覆有疏水薄膜4，因此水基工質(zhì)僅附著在上下相對的陽極2和電解陰極3之間，不會溢出充滿整個電解反應(yīng)腔10，從而在這些工質(zhì)之間形成了氣流通道13(如圖9所示)。電解產(chǎn)生的氫氧混和氣體通過氣流通道13從電解反應(yīng)腔10溢出到燃燒腔5。
權(quán)利要求
1.一種微型電解水推進(jìn)器，包括帶有單向閥結(jié)構(gòu)的微型電解水推進(jìn)器和采用高深寬比結(jié)構(gòu)電極或平面電極的不帶有單向閥結(jié)構(gòu)的微型電解水推進(jìn)器；其特征在于所述帶有單向閥結(jié)構(gòu)的微型電解水推進(jìn)器由頂板(8)、底板(9)和噴口板(12三層平板結(jié)構(gòu)疊合而成在頂板(8)和底板(9)之間制備有間隔排列的電解陽極(2)和電解陰極(3)，疏水薄膜(4)涂覆在頂板(8)和底板(9)之間的電解反應(yīng)腔(10)內(nèi)表面，電解反應(yīng)腔(10)之后為燃燒腔(5)和微型平面噴管(6)，點火電極(7)在燃燒腔(5)內(nèi)；在燃燒腔(5)的和微型噴管(6)之間設(shè)置單向閥門(11)，噴口板(12)固定在底板(9)上；在頂板(8)中還開有進(jìn)水口(1)；所述采用高深寬比結(jié)構(gòu)電極的無單向閥結(jié)構(gòu)的微型電解水推進(jìn)器，由頂板(8)和底板(9)疊和而成，底板(9)上制備有高深寬比的金屬層，形成進(jìn)水口(1)、電解反應(yīng)腔(10)、燃燒腔(5)、微型噴管(6)、電解陽極(2)、電解陰極(3)和點火電極(7)，點火電極(7)設(shè)置在燃燒腔(5)內(nèi)；頂板(8上刻有淺槽，該淺槽作為電解反應(yīng)腔(10)中的氣流通道(13)，電解反應(yīng)腔(10)中的氣流通道(13)、燃燒腔(5)和微噴管(6)的內(nèi)表面都制備了疏水薄膜(4)；所述采用平面電極的無單向閥結(jié)構(gòu)的微型電解水推進(jìn)器，由頂板(8)和底板(9)疊和而成，頂板(8)或底板(9)上刻有一定深度的槽，構(gòu)成進(jìn)水口(1)、電解反應(yīng)腔(10)、燃燒腔(5)和微型平面噴管(6)；頂板(8)或底板(9)上制備有金屬薄膜，形成電解陽極(2)、電解陰極(3)和點火電極(7)，點火電極(7)設(shè)置在燃燒腔(5)內(nèi)；電解陽極(2)和電解陰極(3)可以全部制備在底板(9)上，平行布置；也可分別制備在頂板(8)和底板(9)上，對稱布置；電解反應(yīng)腔(10)中的氣流通道(13)、燃燒腔(5)和微噴管(6)的內(nèi)表面都制備了疏水薄膜(4)。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種微型電解水推進(jìn)器，其特征在于所述進(jìn)水口是內(nèi)表面親水的微細(xì)管道，利用毛細(xì)效應(yīng)，實現(xiàn)工質(zhì)自動注入電解反應(yīng)腔。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種微型電解水推進(jìn)器，其特征在于電解反應(yīng)腔中分別利用疏水和親水材料制備適當(dāng)?shù)挠H水和疏水圖案，利用表面張力作用阻止尚未被電解的液態(tài)水直接流入燃燒腔和溢出噴口；并利用親、疏水圖案的邊界所界定的容積精確控制工質(zhì)的供給量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述微型電解水推進(jìn)器，其特征在于所述電解電極是采用電鑄工藝得到的高深寬比的梳狀電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述微型電解水推進(jìn)器，其特征在于所述電解陽極和電解陰極是采用金屬濺射或電鍍工藝加工的平面電極，位于同一表面上，平行布置；或分別位于電解反應(yīng)腔上下表面，對稱布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述微型電解水推進(jìn)器，其特征在于所述推進(jìn)器的噴管是微型的平面噴管，集成在燃燒室的出口。
全文摘要
本發(fā)明屬于微型機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域的利用純水或水溶液的電解原理的一種微型電解水推進(jìn)器。包括1)由頂板、底板和噴口板三層平板結(jié)構(gòu)疊合而成的帶有單向閥的微型電解水推進(jìn)器；2)由頂板和底板疊合而成的采用高深寬比結(jié)構(gòu)電極或平面電極的無單向閥微型電解水推進(jìn)器。電解反應(yīng)腔在頂板和底板之間，內(nèi)有電解陽極和電解陰極，燃燒腔內(nèi)有點火電極，疏水薄膜涂覆在電解反應(yīng)腔和燃燒腔內(nèi)表面，單向閥門在燃燒腔和微型噴管之間。本發(fā)明的微型推進(jìn)器通過水的電解反應(yīng)生成氫氧混和氣體，進(jìn)而點燃生成高溫高壓水蒸氣噴出噴管形成推力，提高了器件的比沖性能、熱效率、響應(yīng)速度和控制精度，其結(jié)構(gòu)與MEMS微細(xì)工藝兼容，容易加工，適于實現(xiàn)微型化和集成化。
文檔編號C25B1/04GK1804386SQ200510132739
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者陳旭鵬, 李勇 申請人:清華大學(xué)