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Title:
DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SOLID FUEL MICROTHRUSTERS USING ONLY PCB-MEMS TECHNOLOGY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2024/074743
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a microthruster applicable to space engineering that comprises printed circuit boards (PCBs) connected to each other, wherein the first board comprises a fuel tank (1) and an outlet nozzle (2) and the second board is provided with a detonator (6), the tank containing an explosive solid fuel, wherein the microthruster is characterised in that it is made by only using PCB-MEMS technology. The use of PCB-MEMS technology makes it possible to have a high integration scale, reach high operational reliability and reduce manufacturing costs.

Inventors:
QUERO REBOUL JOSE MANUEL (ES)
Application Number:
PCT/ES2023/070586
Publication Date:
April 11, 2024
Filing Date:
October 03, 2023
Export Citation:
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Assignee:
UNIV SEVILLA (ES)
International Classes:
B81B1/00; B64G1/26; B64G1/40; B81B7/04; B81C1/00; F02K9/28; F02K9/32; H05K1/02
Foreign References:
CN104791136A2015-07-22
Other References:
ZHANG, K. L. ET AL.: "A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter", SENSORS AND ACTUATORS A: PHYSICAL; SCIENCE DIRECT, vol. 122, no. 1, 6 June 2005 (2005-06-06), pages 113 - 123, XP004989774, Retrieved from the Internet [retrieved on 20231212], DOI: 10.1016/j.sna.2005.04.021
POONAM GOEL: "MEMS Non-Silicon Fabrication Technologies", SENSORS & TRANSDUCERS, IFSA PUBLISHING, S.L., vol. 139, no. 4, 1 April 2012 (2012-04-01), XP093159586, ISSN: 2306-8515
BENDONG LIU, XINRUI LI, JIAHUI YANG, GUOHUA GAO: "Recent Advances in MEMS-Based Microthrusters", MICROMACHINES, MDPI AG, vol. 10, no. 12, pages 818, XP093159588, ISSN: 2072-666X, DOI: 10.3390/mi10120818
XIONG, JIJUN ET AL.: "A colloid Micro-Thruster System", MICROELECTRONIC ENGINEERING, vol. 61, 2002, pages 1031 - 1037, XP004360648, Retrieved from the Internet [retrieved on 20231213], DOI: 10.1016/S0167-9317(02)00466-5
ZHANG K, CHOU S K, ANG S S: "MEMS-BASED SOLID PROPELLANT MICROTHRUSTER DESIGN, SIMULATION, FABRICATION, AND TESTING", JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS., IEEE SERVICE CENTER, US, vol. 13, no. 02, 1 April 2004 (2004-04-01), US , pages 165 - 175, XP001200237, ISSN: 1057-7157, DOI: 10.1109/JMEMS.2004.825309
LIU, XUHUI ET AL.: "Design, fabrication and test of a solid propellant microthruster array by conventional precision machining", SENSORS AND ACTUATORS A: PHYSICAL;, vol. 236, 30 October 2015 (2015-10-30), pages 214 - 227, XP029360029, Retrieved from the Internet [retrieved on 20231212], DOI: 10.1016/j.sna.2015.10.023
ZHANG, K. L. ET AL.: "Development of a low-temperature co-fired ceramic solid propellant microthruster", JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING, vol. 15, no. 5, 22 March 2005 (2005-03-22), pages 944 - 952, XP020091550, Retrieved from the Internet [retrieved on 20231212], DOI: 10.1088/0960-1317/15/5/007
Attorney, Agent or Firm:
HERRERO & ASOCIADOS, S.L. (ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Micropropulsor que comprende una primera y segunda placas PCB unidas entre sí, donde la primera placa comprende un depósito de combustible (1) y una tobera de salida (2) realizados por mecanizado y la segunda placa está provista de un detonador (6) también mecanizado, conteniendo el depósito un combustible sólido explosivo que es activado por el detonador de manera que durante la ignición del combustible, los gases producidos salen por la tobera creando una impulsión, donde el micropropulsor está caracterizado por que está fabricado solo empleando tecnología PCB MEMS.

2. Micropropulsor conforme la reivindicación 1 cuyas dos placas están soldadas mediante estaño o pegadas mediante adhesivo.

3. Micropropulsor conforme las reivindicaciones anteriores que incluye trincheras (5) en las caras a soldar para evitar que el estaño fundido o el adhesivo entre en el depósito y en la tobera.

4. Micropropulsor conforme las reivindicaciones anteriores que dispone de unos orificios pasantes (6) coincidentes en las dos placas que permiten alinearlas mediante unas guías pasantes durante el proceso de pegado.

5. Micropropulsor conforme las reivindicaciones anteriores cuyo detonador (6) está fabricado con una pista de conductor o por un hilo conductor que al pasar una corriente por él supera la temperatura de ignición del combustible sólido.

6. Dispositivo 2D con múltiples micropropulsores según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los micropropulsores adoptan una disposición con salidas por el canto de la estructura y que se disparan independientemente.

7. Dispositivo 2D con múltiples micropropulsores según cualquiera de las reivindicaciones 1-5 que adoptan una disposición en serie, donde la salida de un propulsor interior expulsa los gases al depósito de un micropropulsor exterior, y donde múltiples micropropulsores comparten una tobera de salida común. 8. Dispositivo 3D formado por múltiples estructuras 2D según las reivindicaciones 6 o 7 .

9. Procedimiento de fabricación de un micropropulsor según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por los pasos de:

- mecanizado en una primera placa PCB de un depósito de combustible (1) y una tobera de salida (2);

- mecanizado en una segunda placa PCB de un detonador (6);

- introducción en el depósito de un combustible sólido;

- unión de la primera y segunda placas mediante soldadura por estaño o pegado mediante adhesivo, donde el micropropulsor está fabricado solo empleando tecnología PCB MEMS.

Description:
DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE MICRO PROPULSORES DE COMBUSTIBLE SÓLIDO EMPLEANDO SOLO TECNOLOGÍA PCB-MEMS

DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Este dispositivo y su procedimiento de fabricación es aplicable en la ingeniería espacial, para aplicar fuerzas y/o momentos a plataformas satelitales. El dispositivo se comporta como una matriz de micro cohetes que emplea combustible sólido. Cada uno de estos dispositivos tiene un disparo controlado, permitiendo modificar la actitud y/o la órbita del satélite artificial en el que está embarcado. El empleo de tecnología PCB-MEMS permite tener una alta escala de integración, alcanzar una alta fiabilidad de funcionamiento y abaratar los costes de fabricación. El dispositivo pertenece a la tecnología de micropropulsion y al campo de microsistemas microelectromecánicos (MEMS).

ESTADO DE LA TECNICA ANTERIOR

El sistema de micropropulsion es el subsistema clave de la mayoría de las micronaves espaciales y se utiliza principalmente para el mantenimiento de la posición, el control de actitud y el ajuste de la órbita de plataformas? espaciales como microsatélites, nanosatélites y picosatélites, así como disponer de una impulsión al final de la vida de satélite para garantizar su desintegración en la atmósfera (de- orbitado). Un micropropulsor basado en tecnología MEMS tiene las ventajas de su miniaturización, integración y bajo consumo de energía. Por lo tanto, se ha convertido en una importante alternativa para la fabricación de los sistemas de micropropulsion.

Existen distintos principios físicos para realizar una propulsión en el espacio [1], Entre ellos, destacan las tecnologías eléctricas y químicas para su uso en micro y nano satélites como los CUBESAT. A su vez, dentro de las tecnologías químicas destacan la de gas frío, monopropulsores, bipropulsores, propulsores de combustible sólido, propulsores híbridos, de electrólisis de agua, etc. Los propulsores de combustible sólido son los más simples, puesto que no precisan de depósitos ni válvulas, aunque son los que presentan menor rendimiento.

En micropropulsores de estado sólido se emplea una distribución matricial de pequeños micropropulsores, que se disparan individualmente para conseguir micro impulsos discretos. La combinación de varios disparos simultáneos permite obtener una gama de impulsos totales discretos en función de las necesidades de impulsión.

Existen numerosos trabajos cuy fabricación se basa en la tecnología MEMS. En CN109774976A [2] se propone la fabricación en silicio de una matriz de propulsores. Su estructura es estándar, incluyendo un depósito con el combustible sólido, un detonador y una tobera fabricado en silicio. Por una parte hay que destacar la complejidad de su fabricación, y por otra, que su proceso de fabricación exige que las salidas de las toberas de estos dispositivos se realice perpendicular al plano de fabricación, ocupando mucho espacio en la superficie del satélite.

En CN108757361A [3] se propone la realización de un micropropulsor MEMS semejante al anterior, incluyendo un depósito con el combustible sólido, un detonador y una tobera fabricado en silicio, con las mismas limitaciones que la patente anterior.

Otros ejemplos relevantes de propulsores fabricados en tecnología MEMS cabe citar los definidos en [4][5] y una revisión del uso de la tecnología MEMS para la fabricación de micropropulsores se encuentra en [6], Todos estos sistemas presentan una estructura común de depósito, detonador y tobera. Además, están fabricados empleando silicio como material base y sus técnicas de fabricación MEMS asociadas. El uso de tecnologías MEMS en silicio penaliza su fabricación por hacerla costosa, lenta y que además precise de maquinaria altamente especializada. Otro inconveniente de emplear silicio como sustrato es que es un buen conductor térmico, lo que provoca el problema de que al disparar un propulsor se activen otros contiguos [7], Otro inconveniente es la dificultad de poder conectar todos los detonadores con el sistema electrónico de disparo, dadas las limitaciones de conexionado eléctrico que presenta la tecnología MEMS en silicio. Finalmente, el que las salidas de las toberas de estos dispositivos se realice perpendicular al plano de fabricación ocupa mucho espacio en la superficie del satélite, en detrimento de su uso para placas solares, sensores solares o instrumentos de observación.

En esta patente se desarrolla un método de fabricación de una matriz de micropropulsores empleando exclusivamente tecnología Printed Circuit Board (PCB), resolviendo los problemas técnicos anteriores, siendo aceptable su uso pues es una tecnología madura y ampliamente usada en el sector satelital.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El procedimiento descrito a continuación permite la fabricación de micro propulsores para satélites con combustible sólido usando exclusivamente tecnología PCB. El depósito (1) y la tobera de salida (2) del micropropulsor se realiza en una placa 1 (figural) de circuito impreso, tallando el sustrato FR4 y manteniendo la capa de cobre exterior por ambas caras. En una placa 2 (figura2) de circuito impreso se fabrica el detonador (6) empleando una pista de cobre como resistencia. El depósito (1) se llena con combustible sólido. Las placas se unen bien por soldadura o por adhesivo aplicando presión y temperatura entre ellas. Para evitar que el adhesivo o fundente penetre en el depósito o la tobera, se pueden emplear unas trincheras en el contorno (5). Opcionalmente se puede añadir unos orificios para introducir unas guías que faciliten la alineación en el proceso de unión de las dos placas. Al pasar una corriente por el detonador, este alcanza una temperatura superior a la de ignición del combustible, activando la propulsión. La salida de la tobera del micro propulsores está dispuesta en el canto de la placa PCB minimizando la superficie expuesta al exterior del satélite. Para facilitar la unión de las placas mediante soldadura, se emplean vías ciegas (3) para transferir el calor entre las placas. Adicionalmente se emplean vías huecas (6) para poder usar un alineador durante la unión de las placas. Ambas placas soldadas se muestran en la figura 3.

El procedimiento descrito permite la fabricación de matrices 2D de micro propulsores, como se muestra en la figura 4, a muy bajo coste y empleando una maquinaria muy simple. El uso de tecnología PCB, muy desarrollada y conocida desde hace décadas, confiere versatilidad en el diseño de estos micro propulsores y una elevada fiabilidad al producto. El empleo de PCB multicapa facilita la interconexión de la matriz de micro propulsores. Estos micropropulsores pueden conectarse en serie, permitiendo disparos secuenciales con salida de gases por una tobera común, como se muestra en figura 5, donde primero se dispararía el micropropulsor externo (8) y posteriormente se dispararía el interno (9).

Se puede integrar un conector (7) en una de las placas para permitir la conexión eléctrica del detonador con el exterior del micropropulsor.

Estas matrices 2D de micro propulsores pueden apilarse para crear una estructura 3D de micro propulsores para aumentar la capacidad de empuje del dispositivo, como se muestra en la figura 6.

Con el uso de la tecnología PCBMEMS se consigue fabricar el dispositivo empleando una tecnología madura y accesible, donde es común el tallado tanto del sustrato de FR4 como de las capas de cobre. La capacidad de fabricar pistas en PCB multicapa multiplica las posibilidades de cableado de los micropropulsores. El uso de material FR4 reduce la propagación térmica evitando el disparo de micropropulsores contiguos. El uso de una única tecnología facilita la integración de los distintos elementos del micropropulsor.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1 : Placa 1 que contiene en su cara superior a) el depósito y la tobera y un anillo de protección de rebose del estaño durante la soldadura. Dos orificios se emplean para facilitar la alineación durante el proceso de soldadura. En la cara inferior aparece una capa de cobre. Unas vías entre ambas caras favorecen la transmisión de calor entre las mismas.

Figura 2: Placa 2 en el que se incluye el detonador en su cara superior.

Figura 3: Sección de un micropropulsor con las dos placas unidas.

Figura 4: Disposición matricial (en paralelo) de micropropulsores. Figura 5: Diseño con dos micropropulsores en señe.

Figura 6: Sección de un ejemplo de apilamiento de tres matrices 2D de micropropulsores para obtener una estructura 3D.

DESCRIPCION DE UN MODO DE REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

El procedimiento descrito a continuación permite la fabricación de micro propulsores para satélites con combustible sólido usando exclusivamente tecnología PCB.

Se parte del diseño de la placa 1 que contiene el depósito con combustible sólido (1) y la tobera (2), que realizan mecanizando tanto la lámina superficial de cobre como el sustrato de FR4. Las dimensiones del depósito se calculan de tal manera que con el ancho y la profundidad de la tobera se determina el impulso del micropropulsor, mientras que con la longitud se determina la duración del impulso. La tobera se diseña empleando las técnicas convencionales de tobera convergente/divergente. El resto de la lámina superficial de cobre se deja intacta para facilitar la posterior unión por soldadura. Se incluyen vías ciegas rellenas de cobre (3) para favorecer la transferencia de calor desde una cara de cobre a la otra. Además se añade una trinchera (5) que evite el rebose de estaño o de adhesivo y que caiga en el depósito o en la tobera durante el proceso de pegado.

En una placa 2 de circuito impreso se fabrica el detonador (6) empleando una pista de cobre como resistencia. La sección de dicha pista debe ser lo suficientemente pequeña para garantizar que la temperatura que se alcanza al pasar una corriente es suficiente para activar el combustible sólido. El resto de la placa se deja cubierta de cobre para facilitar la posterior unión por soldadura. Adicionalmente se pueden incluir taladros (4) donde introducir guías que faciliten la alineación durante el proceso de pegado.

Adicionalmente se pueden incluir taladros (4) pasantes y coincidentes en la placa 1 y la placa 2 para facilitar su alineamiento introduciendo una guía en dichos taladros. Las caras a unir de la placa 1 y 2 se estañan.

Posteriormente, el depósito (1) se rellena con pólvora negra que se emplea como combustible sólido.

Las placas se unen por soldadura aplicando presión y temperatura entre ellas, típicamente 100 Kg/cm2 y 220°C respectivamente. Como resultado, ambas placas quedan soldadas como se muestra en la sección de la figura 3. La temperatura para soldar la placas debe ser superior al punto de fusión del estaño, que es de unos 250°C, pero inferior a la temperatura de combustión de la pólvora negra (combustible sólido), que es de unos 500°C. El conjunto final una vez soldado se muestra en la figura 4.

En este caso hay un conector (7) incorporado en la placa 2 para facilitar la conexión del detonador del micropropulsor a un generador que aporte la corriente de disparo. Esta corriente debe ser lo suficientemente elevada para que, por efecto Joule de la resistencia del detonador (6), genere el calor necesario para superar la temperatura de ignición de la pólvora negra.

El procedimiento anteriormente descrito permite la fabricación de matrices 2D de micro propulsores como se muestran en la figura 4, simplemente replicando los micropropulsores en el contorno de una placa PCB y que trabajarían en paralelo. Los distintos detonadores se conectarían mediante pistas a un conector para darles independientemente su corriente de disparo.

Estos micropropulsores pueden conectarse en señe, permitiendo disparos secuenciales con salida de gases por una tobera común, como se muestra en figura 5, donde primero se dispararía el micropropulsor externo (7) y posteriormente se dispararía el interno (8).

La combinación de esta disposición matñcial junto con la capacidad de conectar propulsores en señe consigue maximizar el número de micro propulsores integrados en una estructura 2D. Estas matrices 2D de micro propulsores pueden apilarse para crear una estructura 3D de micro propulsores para aumentar el número de dispositivos integrados. En la figura 6 se muestra a modo de ejemplo la superposición de tres matrices 2D para crear una estructura 3D.

Al usar exclusivamente la tecnología PCBMEMS se consigue fabricar el dispositivo empleando una tecnología madura y accesible, tomando ventaja de sus propiedades: a) el tallado químico de las capas de cobre y el fresado mecánico del sustrato son procesos comunes en esta tecnología, alcanzando precisiones de las decenas de mieras; b) la capacidad de fabricar pistas en PCB multicapa multiplica las posibilidades de cableado de los micropropulsores; c) el uso de material FR4 reduce la propagación térmica evitando el disparo de micropropulsores contiguos; d) El uso de estas estructuras 2D minimiza la superficie exterior de evacuación de gases por las toberas, dejando la superficie exterior del satélite para otros usos; e) la flexibilidad de esta tecnología permite disponer los micropropulsores matricialmente y en serie, así como su disparo simultáneo, para cumplir con los requisitos de operación del satélite.