一種壓電式微推力器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種壓電式微推力器，包括有進氣口(1)、外殼(2)、電源接口(3)、過濾器(4)、復(fù)位彈簧片(5)、閥芯(6)、壓電疊堆(7)、墊片彈簧(8)、閥座(9)、密封環(huán)(10)、調(diào)整環(huán)(11)、基座(12)、噴嘴(13)。在未通電情況下，閥芯(6)的表面與閥座(9)及調(diào)整環(huán)(11)的表面緊密貼合，推力器處于關(guān)閉狀態(tài)；在通電情況下，由于壓電疊堆(7)的形變，閥芯(6)將產(chǎn)生位移，閥芯(6)的表面與閥座(9)及調(diào)整環(huán)(11)的表面分離，推力器打開噴氣，產(chǎn)生推力。本發(fā)明中的密封部件，如閥芯(6)、閥座(9)和調(diào)整環(huán)(11)均為金屬材料，因此本發(fā)明中的密封為金屬密封。壓電式微推力器響應(yīng)時間短、推力連續(xù)可調(diào)、功耗低、壽命長，能滿足微小衛(wèi)星和導(dǎo)彈精密定軌對微推進系統(tǒng)的嚴格要求，并且質(zhì)量輕、體積小，為微小衛(wèi)星節(jié)省更多的質(zhì)量和體積空間。
【專利說明】-種壓電式微推力器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器推進系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種壓電式微推力器。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有微推力器都采用電磁驅(qū)動，其工作原理如下：當輸入電壓時，電磁線圈產(chǎn)生作 用力，吸引閥體，使其離開閥座，打開氣體流路，氣體從進氣口進入，流經(jīng)固定的氣體流路， 最后從噴嘴噴出，實現(xiàn)推進過程；當斷開電源時，電磁線圈的作用力消失，閥體在彈簧的回 彈力作用下回到閥座，關(guān)閉氣體流路，推進過程結(jié)束。在現(xiàn)有微推力器中，電磁閥的作用如 同門閂，用于打開和關(guān)閉氣體流路，該氣體流路的大小和路徑是固定不變的，因此在流路打 開的情況下，單位時間內(nèi)氣體的流量是固定的，從而單位時間內(nèi)產(chǎn)生的推力也是固定的。并 且現(xiàn)有微推力器在穩(wěn)態(tài)推進過程中，由于氣體流路一直處于打開狀態(tài)，因此電磁線圈需要 持續(xù)通電以吸引閥體，導(dǎo)致功耗較大。現(xiàn)有微推力器的閥體與閥座之間用橡膠密封，防止在 開關(guān)關(guān)閉的情況下出現(xiàn)氣體泄漏。由于橡膠的彈性強度小，因此在密封情況下橡膠會產(chǎn)生 比較大的形變，導(dǎo)致閥芯與閥座不容易分離，即當開關(guān)打開時，首先要經(jīng)歷閥座和閥芯上的 橡膠形變恢復(fù)為零的階段，然后才能實現(xiàn)閥芯與閥座的分離，產(chǎn)生氣體流道，因此開關(guān)的響 應(yīng)時間比較長。另外，數(shù)據(jù)表明電磁閥開關(guān)使用壽命平均僅為10萬?20萬次。綜述所述， 現(xiàn)有微推力器存在的問題主要有：推力不可調(diào)、響應(yīng)時間長、電源功耗比較大、壽命比較短， 難以滿足微小衛(wèi)星的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 由于微小衛(wèi)星（10?500kg)的快速發(fā)展，對微推力器的性能要求越來越高，特別 是對其功耗、響應(yīng)特性、壽命等提出了非?？量痰囊蟆１景l(fā)明的目的是針對電磁驅(qū)動的微 推力器響應(yīng)時間長、推力不可調(diào)節(jié)、功耗高、壽命短的不足，提供一種壓電驅(qū)動式微推力器， 以滿足微小衛(wèi)星和導(dǎo)彈精密定軌對微推進系統(tǒng)的嚴格要求。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種壓電式微推力器，包括：進氣口、過濾 器、壓電驅(qū)動裝置、調(diào)整環(huán)、閥座、基座、密封環(huán)和噴嘴；以上部件均為同軸結(jié)構(gòu)，且被外殼包 裹；外殼上有設(shè)置有壓電疊堆電極的電源接口，用于接入輸入電壓。
[0005] 所述電驅(qū)動裝置包括壓電疊堆、T型閥芯、復(fù)位彈簧片、墊片彈簧；壓電疊堆為圓 筒形，夾持在T型閥芯的底座和墊片彈簧中間；T型閥芯的底座在進氣端，墊片彈簧在噴氣 端；復(fù)位彈簧片位于閥芯底座另一側(cè)，起支撐作用；墊片彈簧和復(fù)位彈簧片中心開有圓孔； T型閥芯由底座和凸出的芯體組成，芯體從壓電疊堆中心空腔和墊片彈簧中心圓孔穿過， 在電壓為零時，芯體頭部與調(diào)整環(huán)和閥座的表面貼合，形成密封；T型閥芯中心軸線處為空 腔，空腔一端封閉，一端開口，口部朝向進氣端，芯體側(cè)壁有數(shù)個小孔與空腔連通。
[0006] 現(xiàn)有推力器中，閥座與閥芯之間均采用橡膠密封，而在本發(fā)明中用于密封的部件， 如閥芯、閥座和調(diào)整環(huán)的制作材料均為金屬，因此本發(fā)明采用的是金屬密封。
[0007] 所述復(fù)位彈簧片和墊片彈簧都采用雙層串聯(lián)碟簧設(shè)計。
[0008] 本發(fā)明中推力器開關(guān)是通過閥芯在壓電疊堆和彈簧系統(tǒng)（即復(fù)位彈簧片和墊片 彈簧）的作用下運動來實現(xiàn)的，普通的單層碟簧或螺旋彈簧無法提供足夠大的作用力推動 閥芯運動，因此本發(fā)明中的復(fù)位彈簧片和墊片彈簧都采用兩個碟簧串聯(lián)的設(shè)計方案，加大 彈簧系統(tǒng)的作用力，使推力器開關(guān)可以順利地打開或閉合。
[0009] 所述T型閥芯芯體靠近閥座一端部分設(shè)計成圓臺形狀，其圓臺中軸面母線之間的 夾角介于25°至60°之間。本發(fā)明中閥芯頭部的圓臺設(shè)計可以放大復(fù)位彈簧片的回復(fù)力， 有利于閥芯與調(diào)整環(huán)之間的緊密貼合。
[0010] 所述進氣口、外殼、閥芯、閥座和調(diào)整環(huán)制作材料為密度低于4. 5kg/m3,抗拉強度 高于600MPa的輕質(zhì)金屬，例如鈦合金TC4。
[0011] 所述過濾器、復(fù)位彈簧片和墊片彈簧制作材料為沖擊強度高于306J/m、韌性好的 金屬，如鈹青銅。本發(fā)明壓電式微推力器的優(yōu)點在于：
[0012] (1)響應(yīng)快。該推力器的開關(guān)通過金屬表面之間的分離和貼合來實現(xiàn)?，F(xiàn)有推力 器中，閥座與閥芯之間采用橡膠密封，由于橡膠的彈性強度相比于金屬很小，所以在相同應(yīng) 力條件下，橡膠的應(yīng)變比金屬大很多，導(dǎo)致閥芯與閥座不容易分離，即當閥芯離開閥座時， 首先要經(jīng)歷閥座和閥芯上的橡膠形變恢復(fù)為零的階段，然后才能實現(xiàn)閥芯與閥座的分離， 產(chǎn)生氣體流道；而在本發(fā)明中采用的是金屬密封，相對橡膠而言，金屬的變形幾乎可以忽略 不計，因此一旦閥芯開始運動，無需經(jīng)歷金屬形變恢復(fù)的過程，可以直接實現(xiàn)分離，產(chǎn)生氣 體流道，所以本發(fā)明的響應(yīng)速度更快，響應(yīng)時間介于0. 1?2ms之間，而普通電磁閥最快響 應(yīng)介于10?20ms之間，因此壓電式推力器可以快速實現(xiàn)脈沖工作過程。
[0013] ⑵密封性好。本發(fā)明中用于氣體密封的部件,如閥芯、閥座和調(diào)整環(huán)的材料采用 金屬材料，金屬經(jīng)過精加工后表面粗糙度算數(shù)平均偏差比現(xiàn)有微推力器中使用的橡膠小， 因此金屬的密封性能更好；另外，復(fù)位彈簧片和墊片彈簧的雙層串聯(lián)碟簧設(shè)計加大了作用 力，且閥芯的圓臺設(shè)計可以進一步放大復(fù)位彈簧片的回復(fù)力，例如圓臺中軸面母線之間的 夾角介于25°至60°之間時，可以將復(fù)位彈簧片所提供的回復(fù)力放大1.1至1.93倍，從而 使閥芯與調(diào)整環(huán)之間緊密貼合，保證良好的密封性能；并且復(fù)位彈簧片和墊片彈簧的制作 材料為沖擊強度高、韌性好的金屬，在2000?4000N的作用力下也不會破裂。
[0014] (3)推力可調(diào)。本發(fā)明利用壓電疊堆的變形量與輸入電壓大小成正比的特點，可以 實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)整推力器推力大小的功能。當輸入電壓變化時，壓電疊堆的軸向位 移將發(fā)生改變，從而改變閥芯的位移，進而改變氣體流路的大小，最終改變單位時間內(nèi)推進 氣體的流量，從而實現(xiàn)〇?10mN推力的連續(xù)可調(diào)，以滿足微小衛(wèi)星和導(dǎo)彈精密定軌對微推 進系統(tǒng)的要求。而電磁閥僅僅起到開關(guān)的作用，無法改變流量大小，采用其作為作動器的推 力器產(chǎn)生的推力為固定值。
[0015] (4)功耗低。利用壓電疊堆的形變對電壓變化敏感的特性，本發(fā)明在瞬態(tài)工作時功 率很低，約為1. 〇?2. 0W之間；利用壓電疊堆在電原理上等同于電容的特性，在穩(wěn)態(tài)推進過 程中，電路中的電流為零，因此它在穩(wěn)態(tài)工作時功率為0W，不耗能，可以將節(jié)省下來的能量 供給給衛(wèi)星其它耗能部件，而電磁閥推力器在穩(wěn)態(tài)工作時，功耗平均為4W左右。
[0016] (5)使用壽命長。電磁閥開關(guān)使用壽命平均為10萬?20萬次，而壓電式開關(guān)使用 壽命平均達到100萬次。
[0017] (6)本發(fā)明壓電式微推力器中的進氣口、外殼、閥芯、閥座和調(diào)整環(huán)的制作材料為 輕質(zhì)金屬，例如鈦合金TC4,減輕了推進器的質(zhì)量，并且結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可為微小衛(wèi)星節(jié) 省更多的質(zhì)量和體積空間。
[0018] 總之，用壓電疊堆代替電磁元件研制新型的壓電式推力器，對微推進技術(shù)發(fā)展具 有重要意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明壓電式微推力器內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖
[0020] 圖2是本發(fā)明壓電式微推力器外觀立體示意圖
[0021] 圖3是本發(fā)明中過濾器的示意圖
[0022] 圖4是本發(fā)明中墊片彈簧外觀立體示意圖
[0023] 圖5是本發(fā)明中閥芯外觀立體示意圖
[0024] 圖6是本發(fā)明中復(fù)位彈簧片外觀立體示意圖
[0025] 圖7是本發(fā)明中閥芯工作原理示意圖
[0026] 圖8是本發(fā)明中壓電式微推力器的氣體流路示意圖

【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合工作原理和附圖對本發(fā)明的壓電式微推力器做進一步說明。在此需要說 明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。
[0028] 該壓電驅(qū)動裝置利用壓電疊堆在電場作用下產(chǎn)生形變的特性，結(jié)合復(fù)位彈簧片和 墊片彈簧的作用推動T型閥芯運動，實現(xiàn)推力器的開關(guān)作用。本發(fā)明壓電式微推力器的工 作原理為：在給定電壓下，壓電疊堆沿微推力器軸向?qū)⒃黾游⑿〕叨?，推動閥芯向進氣口方 向運動，并擠壓復(fù)位彈簧片和墊片彈簧使其發(fā)生形變，此時閥芯頭部與調(diào)整環(huán)和閥座表面 分離，形成氣體流路，從進氣口進來的氣體，流經(jīng)過濾器、閥芯內(nèi)部空腔，經(jīng)由閥芯側(cè)壁上的 小孔，流入閥芯與調(diào)整環(huán)之間的間隙，最后經(jīng)噴管噴出；當電壓為零時，壓電疊堆將恢復(fù)原 始長度，閥芯在復(fù)位彈簧片的作用下將向噴嘴方向運動，使閥芯頭部與調(diào)整環(huán)和閥座表面 貼合，實現(xiàn)密封，關(guān)閉氣體流道。因此在脈沖電源作用下，壓電疊堆產(chǎn)生的微位移以脈沖形 式變化，在復(fù)位彈簧片和墊片彈簧共同作用下驅(qū)動閥芯左右移動：當閥芯向進氣口方向移 動時，則氣路打開，氣流噴出，反之閥芯與調(diào)整環(huán)和閥座緊貼在一起，氣路斷開，噴氣停止， 從而實現(xiàn)微推力器的開關(guān)控制。
[0029] 各部件工作原理詳述如下：
[0030] (1)壓電疊堆工作原理
[0031] 壓電疊堆是由多片壓電陶瓷組成，在電路上并聯(lián)在一起，即每片陶瓷上的電壓相 同。陶瓷片間為絕緣玻璃，內(nèi)部無膠粘附件，是通過固態(tài)燒結(jié)工藝制作而成。由于極化方 向是沿壓電疊堆的軸線方向，因此壓電疊堆的軸向位移相當于所有陶瓷片軸向位移量的總 和。
[0032] 定義S(單位：米）是每片壓電陶瓷的縱向厚度尺寸；n是壓電陶瓷中包含的壓電 陶瓷的片數(shù)；1 (單位：米）是壓電疊堆的長度；d(單位：米/伏特）是壓電陶瓷的壓電系 數(shù)之一，它反映了材料的壓電性質(zhì)；以上四個參數(shù)均為已知參數(shù)；V(單位：伏特）是輸入電 壓；AS(單位：米）是單片壓電陶瓷的軸向變形量；A1 (單位：米）是壓電疊堆的軸向總 變形量。

【權(quán)利要求】
1. 一種壓電式微推力器，其特征在于：它包括進氣口（1)、過濾器（4)、壓電驅(qū)動裝置、 調(diào)整環(huán)（11)、閥座（9)、基座（12)、密封環(huán)（10)和噴嘴（13);以上部件均為同軸結(jié)構(gòu)，且被 外殼（2)包裹；外殼（2)上有設(shè)置有壓電疊堆（7)電極的電源接口，用于接入輸入電壓； 所述電驅(qū)動裝置包括壓電疊堆（7)、T型閥芯（6)、復(fù)位彈簧片（5)、墊片彈簧（8);壓電 疊堆（7)為圓筒形，夾持在T型閥芯（6)的底座和墊片彈簧（8)中間；T型閥芯（6)的底座 在進氣端，墊片彈簧（8)在噴氣端；復(fù)位彈簧片（5)位于閥芯底座另一側(cè)，起支撐作用；墊 片彈簧（8)和復(fù)位彈簧片（5)中心開有圓孔；T型閥芯（6)由底座和凸出的芯體組成，芯體 從壓電疊堆（7)中心空腔和墊片彈簧（8)中心圓孔穿過，在電壓為零時，其頭部與調(diào)整環(huán) (11)和閥座（9)的表面貼合，形成密封；T型閥芯（6)、閥座（9)和調(diào)整環(huán)（11)均為金屬材 料，所述密封為金屬密封；T型閥芯（6)中心軸線處為空腔，空腔一端封閉，一端開口，口部 朝向進氣端，芯體側(cè)壁有數(shù)個小孔與空腔連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式微推力器，其特征在于：所述復(fù)位彈簧片和墊片彈簧 都采用雙層串聯(lián)碟簧設(shè)計。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式微推力器，其特征在于：所述T型閥芯（6)芯體靠近 閥座（9) 一端部分設(shè)計成圓臺形狀，其圓臺中軸面母線之間的夾角介于25°至60°之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式微推力器，其特征在于：所述進氣口、外殼、閥芯、閥座 和調(diào)整環(huán)制作材料為密度低于4. 5kg/m3,抗拉強度高于600MPa的輕質(zhì)金屬。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式微推力器，其特征在于：所述過濾器、復(fù)位彈簧片和墊 片彈簧制作材料為沖擊強度高于306J/m的金屬。
【文檔編號】B64G1/40GK104443437SQ201410746564
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】黃敏超, 劉昆, 邢寶玉, 杜運良, 熊森 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)