硅基加工微推进系统一体化设计方法研究

硅基加工微推进系统一直以来都被认为是10kg以下纳型、皮型等微小卫星动力系统的最佳选择。然而由于微尺度效应下燃烧、流动与传热机理的复杂性，加之受硅基加工工艺条件的限制，硅基微推进系统至今仍缺乏精确而有效的结构化设计手段。考虑到传统宏观概念设计、结构设计与工艺设计基本分离的设计思路对于硅基微推进系统的设计并不适用。为此，本课题以硅基微推进系统的性能、结构与工艺一体化设计作为研究切入点，在硅基微推进系统的微尺度多领域统一建模、性能/结构一体化设计、面向工艺的特征信息模型描述、工艺流程规划与工艺掩膜推理以及设计空间映射等方面进行理论研究，并将这些理论成果应用于硅基微推进系统一体化设计工具集的开发。从而解决微推进器结构内部多能量域微尺度燃烧、流动与传热耦合模型的统一描述、自由定义和精确求解等问题。并在满足性能要求和确保设计结果工艺性能的条件下，实现硅基微推进结构的准确和快速设计。

硅基加工微推进系统一直以来都被认为是10kg 以下纳型、皮型等微小卫星动力系统的最佳选择。然而由于微尺度效应下燃烧、流动与传热机理的复杂性，加之受硅基加工工艺条件的限制，硅基微推进系统需要更为精确而有效的结构化设计方法学支持。考虑到传统宏观概念设计、结构设计与工艺设计基本分离的设计思路对于硅基微推进系统的设计并不适用。为此，本课题围绕硅基微推进系统的性能、结构与工艺一体化设计方法进行了大量的研究。其中在微推进系统多领域统一建模、仿真与优化方法及模型研究方面，主要研究了微推进系统多领域统一仿真模型的形式化描述，构建了一种微推进系统0-维、1-维准稳态与瞬态仿真模型，同时研究了流动-热-结构耦合条件下的微推进系统概念建模方法，并基于详细化学动力学模型，进行了微尺度条件下的AP气相数值模拟研究。在面向多类硅基加工工艺约束的微推进系统器件设计方法及模型研究方面，主要研究了基于三维约束求解方法的微推进系统“性能-结构”一体化造型与设计，并探讨了符合各类微加工工艺特点的微特征模型表达方法和微特征几何结构生成算法。从而在整个设计流程上支持了微推进系统“功能需求空间—三维结构空间—工艺规划空间”的正向设计空间映射流程与反向设计过程反馈流程。在工艺掩膜推理及工艺流程优化方法研究方面，主要结合各类微加工工艺标准，研究硅基加工微推进系统工艺流程推理与二维工艺掩膜生成方法，并基于微特征信息模型研究了微推进系统工艺方案优化算法。同时本课题还将这些理论成果应用于硅基微推进系统一体化设计工具集的开发，并通过典型固体微推进的设计过程，验证所提出的 模型、理论和方法的正确性和有效性。