This thesis presents the design, fabrication and testing of a high-impulse and low-power microthruster using the liquid propellant of low boiling temperature and the fluid plug of high viscosity.
In the theoretical study, we develop thermodynamic and hydrodynamic models to find the relations between electrical energy input and mechanical impulse output. From the thermodynamic model, we estimate the temperature and the pressure of a liquid propellant using an equivalent circuit model. From the hydrodynamic model, we obtain the ejection velocity of a droplet using the pressure of the liquid propellant, obtained from the thermodynamic model.
In the experimental study, we fabricate a heater, electrical lines and a propellant channel on the bottom glass layer by surface-micromachining technique. We also fabricate a fluid plug channel and feed holes on the middle silicon layer by ICP RIE process. The bottom and middle layers are assembled with the upper polymer layer having the feed holes of the fluids and electrical wire. The fabricated microthruster has the size of 7±0.25mm×13±0.25mm×1.5±0.25mm.
We measure the output impulse bit of the fabricated microthruster, using two types of liquid propellants, water and perfluoro normal hexane (FC72), having different boiling temperature and two types of fluid plugs, water and oil, having different viscosity. We also measure the output impulse bit of the microthruster supplying three different pulse widths of input signal to three different heaters. The experimental results are compared with the theoretically estimated values.
The impulse bit of $6.21±0.29×10^{-8}Nㆍsec$ is obtained from the microthruster using the perfluoro normal-hexane (FC72) propellant having the boiling temperature of 59°C and the oil plug having the absolute viscosity of 0.3Nㆍsec/㎡ for the electrical input energy of 0.4±0.02 mJ. The microthruster using the oil plug generates the impulse bit, two times larger than the microthruster using the water plug. The input energy of the microthruster using FC72 propellant is reduced to the one third of the input energy, required for the case using water propellant to generate an equivalent impulse bit.
We verify experimentally that the microthruster, using low boiling temperature FC72 propellant with high viscous oil plug, has potential for the high-impulse, low-power impulse generation.
본 논문에서는 저온 비등 팽창유체와 고점성 유체마개를 이용하여 적은 전력소모로 고출력을 낼 수 있는 고출력, 저전력형 발열 저항식 마이크로분사기를 설계, 제작하고 그 성능을 시험하였다.
이론적 연구에서는 본 마이크로분사기에 공급되는 전기적 입력에너지와 분사시 발생하는 충격량과의 관계식을 유도하기 위하여, 열역학적인 모델과 유체역학적인 모델을 사용하였다. 열역학적인 모델에서는 단순화된 열전달 모델을 등가 전기회로로 전환하여 팽창유체의 온도와 압력을 추정하였고, 유체역학적인 모델에서는 위의 열역학적인 모델로부터 얻어진 팽창유체의 압력으로부터 분사된 미소유체 방울의 초기속도를 추정하였다.
마이크로분사기의 제작을 위해서 먼저 표면미세가공법을 이용하여 하부 유리판 위에 열선과 전기적 도선, 팽창유체 채널을 제작 한 후, ICP RIE 공정을 이용하여 중간 실리콘판 위에 유체마개 채널 및 유체주입구를 제작하였고, 유체 주입구가 형성된 상부 폴리머 판과 결합하여 완성하였다. 마이크로 분사기의 전체 크기는 7±0.25mm×13±0.25mm×1.5±0.25mm로 제작되었다.
비등점이 다른 2종의 팽창유체와 점도가 다른 2종의 유체마개를 사용하여 제작된 마이크로분사기의 분사 충격량을 실험적으로 구하였고, 발열저항에 따른 전기에너지 입력과 기계적 충격량 출력을 구하였으며, 각각의 결과들에 대하여, 이론치와 비교 분석하고 정성적으로 설명하였다.
비등점이 59°C인 팽창유체 perfluoro normal-hexane (FC72)과 운동학적 점성이 0.3Nㆍsec/㎡인 기름을 유체마개로 사용한 마이크로 분사기에서 0.4±0.02 mJ의 입력 에너지로 $6.21±0.29×10^{-8}Nㆍsec$의 충격량을 얻었다. 또한 물 대신 기름을 유체마개로 사용함으로써 충격량을 두 배로 증가시켰고, 물 대신 perfluoro normal-hexane (FC72)을 팽창유체로 사용함으로써 동일한 충격량 발생에 필요한 입력에너지를 1/3 수준으로 줄였다.
본 연구를 통하여 저온 비등 팽창유체와 고점성 유체마개를 사용한 고출력, 저전력형 마이크로분사기를 제안하였고, 실험적 연구를 통해 실현 가능성과 분사 특성을 확인하였다.
