过氧化氢MEMS微型推进器催化反应与两相流动耦合机理研究及其性能评价

微小卫星编队飞行可完成许多昂贵的大卫星所无法完成的工作，它们需要微小的推力进行高精度的姿态调整。MEMS化学燃料推进器是一类有前景的微型推进器。本项目以过氧化氢MEMS微型推进器为研究对象，采用催化反应动力学与汽液两相流学科交叉研究方法，研究MEMS微型推进器芯片内部的催化反应与两相流耦合的机理。首先用实验方法测定过氧化氢分解率，根据一级反应动力学理论求出流动条件下的反应速率常数。再结合分相两相流非平衡模型，将测定的反应常数和分解率等参数与各守恒方程中的源项建立联系，对微尺度催化反应两相流进行数值模拟。同时通过显微镜和高速摄影结合的光学平台对真空环境下芯片内部流动进行可视化观测，探讨两相流型与催化反应速率的关系。最后采用新颖的悬浮杠杆微推力测量系统进行性能测试，探索两相流型、催化反应速率影响推进性能的过程和原因。本项目为高效的MEMS微型液体燃料推进器成功设计提供理论指导和性能测试方法。

多颗微小卫星编队飞行，在对地观测、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具有广泛的应用价值。在执行编队飞行等任务中，微小卫星需要保持精确的轨道和姿态运行。研制高能效的微型推进器是编队微型小卫星能够成功应用的关键。本项目研制成功了MEMS喷嘴与金属催化反应腔相结合的液体燃料的单组分微型推进器，通过高速摄影等测试手段研究了微型推进器内部的多相流流型、流动沸腾不稳定性，以及催化反应耦合等特性。同时研制高精度的扭摆式微推力测量实验台，可测量微牛级的微小推力，对微型推进器进行性能测试。该微推力测量实验台和测量方法有望在国家大型航天项目中被采用和发展，实现成果的真正应用。