图1.神州十二号载人飞船在酒泉卫星发射中心点火升空(图源自网络)
2021年6月17日9时22分,搭载着神州十二号载人飞船的长征二号F运载火箭划破苍穹,酒泉卫星发射中心再次书写问天神话,中国航天又一次勾起了人们满满的回忆。在航天技术领域,人造卫星和载人飞船的发展是宇航事业的重点。伴随着航天技术的日益成熟,现代卫星开始向着微米尺度,乃至纳米尺度发展;微纳卫星具有体积小、耗能低、可执行高难度任务等一系列特点,深受各国科学家的重视。
想要制造高水平、高性能的微纳卫星,必须要在微尺度下实现卫星的推进,在诸多类型的微推进系统中,化学微推进系统具有很强的代表性[1]。近年来,含能材料的发展进入了全新阶段,将其应用在微机电系统(MEMS)中,进一步制成含能推进芯片,可以大幅度提高微纳卫星的推进性能。
含能材料(Energetic Materials),顾名思义,指的是在一定外界能量刺激下,能够自发性发生化学反应并释放能量的物质体系。用于微纳卫星推进的含能材料主要为复合固体推进剂,如纳米铝热剂体系、含氮高能化合物体系等,两者的基础原料不同,制备手段也多种多样。
图2. n-Al@PDA@CuO复合体系包覆过程
在大众的认知之中,铝热剂最早出现在中学化学课本中,夺目耀眼的铝热反应给很多人留下了深刻的影响。纳米铝热剂包含主成分和辅助成分两个部分,主成分为纳米铝粉,较普通铝粉而言具有更小的粒径以及更大的爆炸极限范围[2],可以大大改善铝热剂的放能效果;辅助成分可以是氧化物,氟化物以及部分有机化合物等。辅助成分是纳米铝热剂制备成功的关键,不同的辅助成分所起的作用也有所差异:氟聚物/铝粉体系中,前者多用于包覆纳米铝粉,以期减缓原料纳米铝粉的氧化程度;经过聚偏二氟乙烯(PVDF)改性的纳米铝粉不仅能达成抗氧化的目的,还可以将PVDF与氧化铝发生氟化反应的放热量用于促进主反应,最终实现抗氧化和促进放热的双赢局面[3]。有机化合物/铝粉体系中,可以借助有机化合物的一级包覆形成桥接界面,进而在双壳层结构的基础上构建二级包覆,西北工业大学的严启龙团队在纳米铝粉表面包覆了多巴胺层,并在多巴胺层表面附着了纳米氧化铜粒子,成功制得了n-Al@PDA@CuO的三壳层结构[4],如图2所示。从长久来看,氟聚物的发展将进一步促进纳米铝热剂的放能,而具有桥接作用的有机物包覆壳层又将推动纳米铝热剂向着多元化、具体功能化的方向发展。而含氮高能化合物体系的发展历史更为悠久,无论是20世纪70年代兴起的三氨基三硝基苯(TATB)还是当代超群绝伦的六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20),都在固体推进剂领域发挥着重大作用。
含能材料的制备是化学微推进的基础,如何将制成的含能材料整合封装至推进芯片是又一难题。传统的装药工艺多采用浇注法,即在恒温恒压的条件下,利用控制阀将药浆注入推进剂阵列。清华大学尤政等人在真空恒温水浴条件下,成功将AP/HTPB复合推进剂注入MEMS微推进阵列[5],该方法需要充分考虑药浆的粘度,且制备条件较为严格。而3D打印技术的出现,又给含能芯片的装药工艺带来了全新的研发思路。3D打印技术包括墨水直写技术(Direct Ink Writing)、喷墨打印技术(Inkjet Printing)等,墨水直写技术的应用较为广泛,操作过程如下:将含能材料制成油墨,利用计算机系统控制平移台,从注射泵中将油墨挤出,直写成具有一定图形或结构的点火层,待油墨中的溶剂蒸发后,含能材料则留存于推进芯片的对应区域。Mao等人利用墨水直写技术实现了Al/CuO基含能油墨的整合封装[6]。此外,诸多高校还开展了基于喷墨打印技术的含能油墨整合与封装,制成的含能芯片同样具有良好的推进性能。
3D打印技术的具体分类远不止墨水直写及喷墨打印两种,如何利用其他技术实现含能材料的可塑性操作、如何提高含能油墨的稳定性质,这都是今后科研工作者亟力解决的问题。
图3. 基于墨水直写技术制备的含能芯片的封装(左)和碳化硅MEMS微推力器阵列(右)
2014年春,中国航天科技集团公司五院502所成立了微推进技术研发小组,力求攻克微纳卫星的推进技术难关,五年之后,南京理工大学沈瑞琪团队研制的碳化硅MEMS微推力器阵列伴随金牛座纳星进入太空,接受地面点火指令成功点火,在轨验证了对金牛座纳星的姿态控制技术,属国际首例。随着科技的发展,含能材料还将继续更新换代,3D打印技术也不会是整合封装的终点站,微纳卫星的中国佳话也将继续谱写新的篇章。
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