DISPOSITIVO PROPULSOR DE ACTUADORES MICROMETRICOS DE PROPULSANTE SOLIDO.

Dispositivo propulsor de actuadores micrométricos de propulsante sólido,

sustancialmente iguales en geometría, dispuestos lado a lado, siguiendo una ordenación preferentemente en cuadrícula, y donde cada actuador micrométrico tiene una cámara submilimétrica de combustión, rodeada de micro-canales y éstos a su vez rodeados de cuatro barreras térmicas, que establecen un intercambio de calor hacia la pared que dirige el aumento de temperatura en la superficie gas-sólido del interior de la cámara submilimétrica, que conforma la camisa de calentamiento, y por los que circulan los gases producto de la combustión del propulsante sólido almacenado en la cámara submilimétrica. Dicha cámara submilimétrica posee disposición invertida, de tal forma que la salida de los gases producto se encuentra localizada distante de la entrada de la micro-tobera, aumentando así el tiempo requerido para la expulsión de los gases.

Dispositivo propulsor de actuadores micrométricos de propulsante sólido.

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención es un dispositivo y procedimiento para mejorar la densidad de empaquetado en matrices de actuadores micrométricos de propulsante sólido. Permite incrementar el nivel de empuje, impulso específico, eficiencia de la combustión, eficiencia térmica y tiempo de combustión de motores cohete miniaturizados basados en la combustión de un propulsante sólido.

A su vez, la invención permite la integración del actuador en un menor volumen de material-sustrato mecanizable mediante técnicas de fabricación de MEMS, obteniéndose una mayor densidad de micro-motores por unidad de superficie-sustrato para conseguir unas actuaciones establecidas a priori.

Antecedentes de la invención

Los primeros trabajos de investigación de Lloyd y Weinberger (“A Burner for Mixtures of Ver y Low Heat Content”, Proc. Roy. Soc., Londres A 260, p.97-115, 1974; “Limits to Energy Release and Utilization from Chemical Fuels”, Nature 251, p. 47-49, 1975) ya identifican que los límites físicos al apagado de una llama pueden ser ampliados explotando el mecanismo de recirculación de la energía térmica de los productos de la combustión, usada en precalentar los reactivos entrantes en la cámara de combustión y con ello aumentar su entalpía. Dichos dispositivos se conocen como combustores de “exceso de entalpía” (excess enthalpy burners) . Mantener un proceso de combustión sostenida y estable en cámaras miniaturizadas (de tamaño característico de apenas unos cientos de micras, típica de los dispositivos electromecánicos miniaturizados ó MEMS) , resulta un tema complejo. La dificultad y diferencia de cómo sucede dicha combustión en la micro-escala respecto de los sistemas grandes deriva del alto valor de la relación superficie/volumen existente en los MEMS, cuya lectura física es provocar grandes pérdidas de calor al exterior (Fernández-Pello, A.C.: “Micropower Generation Using Combustion: Issues and Approaches”, Proc. Combustion Institute, 29, p. 883, 2002) .

Conforme un combustor se escala hacia tamaños más pequeños, se produce un crecimiento de las pérdidas de energía a través de las paredes. El resultado es un incremento del tiempo químico de las reacciones, que hace más crítico el sostenimiento de la llama de combustión. La implementación de recirculación de gases calientes para calentar las paredes de la cámara y así disminuir las pérdidas y mantener la llama estable, está reportada en la literatura mediante experimentos de tubos esbeltos y pequeños en los que se inyectan los reactivos en fase gas, de los cuales se obtiene una combustión estabilizada (Cooley B., Walther, D., Fernández-Pello, A.C.: “Exploring the Limits of Microscale Combustion” Combustion Institute, Irvine, CA, 1999) . A su vez, su aplicación en ciertos micro-sistemas de generación de potencia (power-MEMS) se encuentra en desarrollo, como es el caso del micro-motor Wankel de la UC Berkeley -USA (Fu K., et al.: “Design and Experimental Results of Small-scale Rotar y Engines”, Proc. of the Int, Mech. Engineering Conf. and Exposition (IMECE) , ASME, New York, 2001) .

Se ha comprobado en experimentos con propulsantes sólidos que por debajo de cierto rango de escala geométrica, la combustión en cámaras de diseño convencional es inviable por efecto de las pérdidas masivas de calor (la pared en la región de la combustión se convierte en un sumidero de entalpía) , pudiéndose hablar de un tamaño crítico por debajode la cual no es posible mantener la combustión y la llama se extingue. Únicamente con composiciones químicas de explosivos se puede ir a tamaños de micro-cámara por debajo del mm2 de sección transversal, pero éstos presentan actuaciones poco estables y poco controlables, lo que los hace menos interesantes en micro-propulsión.

El desarrollo de matrices de actuadores MEMS de propulsante sólido con densidad de empaquetado suficientemente alta para su uso en aplicaciones aeroespaciales, pasa por conseguir que el proceso de combustión sea autosostenido y estable, que requiere soluciones específicas de diseño. Una restricción a encontrar soluciones específicas de diseño tiene su origen en las propias técnicas de fabricación de MEMS (litografía) , que condicionan los materiales susceptibles de ser empleados, así como las formas geometrías tridimensionales obtenibles compatibles con la microfabricación. Los estudios publicados en micro-motores cohete de propulsante sólido abordan fundamentalmente cuatro aspectos:

1) Identificación y caracterización de propulsantes sólidos adecuados para su combustión en la escala micrométrica. Se pone de relieve la dificultad de sostener la combustión resultado de las pérdidas masivas de calor desde la micro-cámara hacia el material sustrato. Lewis et al. (“Digital Micropropulsion”, Sensors and Actuators A, 80, p. 143-54, 2000) consiguen disparos de duración muy breve (aproximadamente 1 milisegundo) usando un propulsante energético en cámaras cilíndricas convencionales en una matriz pequeña de 3x5 elementos. DiBiaso et al. (“Solid-phase Conductive Fuels for Chemical Microactuators”, Sensors and Actuators A, 111, p.260-66, 2004) analizan los efectos de diferentes composiciones químicas de propulsantes sólidos de posible aplicación en combustores MEMS sobre la velocidad de recesión y tiempo de combustión. Ali et al. (“Novel High Nitrogen Propellant Use in Solid Fuel Micropropulsion”, Journal of Propulsión and Power, Vol.20, p.120-6, 2004) aportan datos de caracterización de dos composiciones químicas de posible aplicación en micro-propulsión.

2) Demostración de la tecnología de empaquetar actuadores MEMS basados en propulsante sólido. Los trabajos experimentales identifican metodologías de fabricación, así como estiman las actuaciones de actuadores individuales o dispuestos en grupos reducidos (10x10) . En estos trabajos no está resuelto el diseño de actuadores que proporcionen densidades de empaquetado operativas para misiones y aplicaciones de interés. A su vez, debido a que la combustión es incompleta, sólo una pequeña parte del propulsante es aprovechado para generar empuje (Mirels et al.: “Effect of Wall on Impulse of Solid Propellant Driven Milimiter-Scale Thrusters”, AIAA J., Vol.37, Nº12, p. 1617-24, 1999) . Los diseños reportados de actuador muestran tiempos muy cortos de combustión (en el orden de varios milisegundos) conseguidos con formulaciones de propulsante sólido muy energético (composición química de explosivos, en vez de propulsantes como los usados en grandes motores cohete de propulsante sólido) . La caracterización de las propiedades y ley de velocidad de recesión del propulsante en la escala submilimétrica constituye un aspecto clave en el que se hace hincapié en los estudios.

3) Investigación de la ignición del propulsante sólido mediante el aporte inicial de energía. La caracterización de micro-iniciadores basados en el calentamiento del propulsante por efecto Joule se encuentra en desarrollo (Zhang et al., “Investigation on the Ignition of a MEMS Solid Propellant Microthruster Before Propellant Combustion”, J. Micromech. Microeng., 17, p.322-32, 2007) . El diseño basado en poner un calentador en contacto con un posible propulsante secundario más energético, facilita y hace más fiable la ignición (Briand et al.“Reliability of Freestanding Polysilicon Microheaters to be Used as Igniters in Solid Propellant Microthrusters”, Sensors and Actuators A, 135, p.329-36, 2007) .

4) Estudios paramétricos mediante simulación numérica. La complejidad de la física de los procesos y partes constitutivas del dispositivo a nivel sistema obliga a aplicar técnicas computacionales avanzadas (Rudnyi et al. “Solid Propellant Microthruster: Theor y of Operation and Modelling Strategy”, AIAA paper 20025755, NanoTech 2002) , que exigen a su vez ser validadas (Zhang et al.“Performance Prediction of a Novel Solid-Propellant Microthruster”, J. of Propulsión and Power, Vol.22, Nº1, p.56-63, 2005) .

De la revisión de la literatura, no se tiene noticia de un estudio centrado en conseguir mejorar el proceso de combustión en escala submilimétrica de un micro-motor de propulsante sólido mediante la gestión térmica con microcanales como la aquí propuesta. Únicamente se tiene constancia de la fabricación y ensayo de un prototipo de micromotor...

1. Un dispositivo propulsor que comprende una pluralidad de actuadores micrométricos de propulsante sólido, sobre el material-sustrato que conforma la estructura del dispositivo, construido mediante apilado de placas de silicio y/o cristal cerámico, en el que se distinguen tres bloques, bloque de expansión (20, 30, 40, 50) , bloque de combustión (70, 100) y bloque de ignición (110, 140, 150, 130) , cada uno de ellos constituido por una o más capas de material micro-mecanizable y unidos entre sí caracterizado porque cada actuador micrométrico comprende en el bloque de combustión una cámara submilimétrica (120) de combustión, rodeada de micro-canales (90) , y éstos a su vez están rodeados de una pluralidad de barreras térmicas (80) micro-fabricadas en material-sustrato.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, caracterizado porque los actuadores micrométricos de propulsante sólido son sustancialmente iguales en geometría, dispuestos lado a lado, siguiendo una ordenación preferentemente en cuadrícula.

3. El dispositivo de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cámara submilimétrica (120) posee disposición invertida, de forma que la salida de los gases producto de la combustión se encuentra localizada distante de la entrada de la micro-tobera (10, 60) .

4. El dispositivo de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el bloque de expansión (20, 30, 40, 50) comprende una placa de interfaz (50) bajo la micro-tobera (10-60) , que cuenta con una cavidad mecanizada.

5. Mecanismo de actuación de un dispositivo propulsor según lo descrito en reivindicaciones anteriores caracterizado porque, debido a la configuración de los micro-canales (90) , se establece un intercambio de calor hacia una pared que dirige el aumento de temperatura en la superficie gas-sólido del interior de la cámara submilimétrica (120) , que conforma una camisa de calentamiento, y por los que circulan los gases producto de la combustión del propulsante sólido (100) almacenado en la cámara submilimétrica (120) .

6. Mecanismo de actuación de un dispositivo propulsor según reivindicación 5, caracterizado porque al estar la salida de los gases localizada distante de la entrada de la micro-tobera (10, 60) , se aprovecha el intercambio de entalpía de los gases producto de la combustión fluyendo a través de la camisa de calentamiento, eliminando una parte de las pérdidas de calor que tienen lugar a través de las paredes de la cámara submilimétrica (120) , y aumentando el tiempo requerido para la expulsión de los gases.

7. Mecanismo de actuación de un dispositivo propulsor según reivindicación 5, caracterizado porque cuando la sobre-presión alcanza el esfuerzo de rotura durante los primeros milisegundos de la ignición, una membrana (30) , inicialmente continua, localizada en la placa de la sección de garganta de la micro-tobera (10, 60) en el bloque de expansión (20, 30, 40, 50) , se fragmenta en la zona de la garganta.

8. Mecanismo de actuación de un dispositivo propulsor según reivindicación 5, caracterizado porque se favorece la uniformización parcial de los gases salientes de la camisa de calentamiento antes de su entrada a la micro-tobera (10-60) , gracias a la placa de interfaz (50) bajo la micro-tobera (10-60) .