专利名称：包括推进模块和成像装置的微卫星的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于使用运载体的系统、模块和方法，可用于例如轨道微卫星及与其一起使用的辅助设备。
背景技术：
从太空对地球或其他太空目标的成像依靠航天器的使用，航天器配备了使用折射或反射透镜的照相机或望远镜以及传感器、探测器和姿态控制装置，例如推进器、反作用轮、陀螺仪，以将这类光学系统指向所需的方向。使用不止一个这类的航天器对同一目标进行成像，可能达到比用单个光学部件更高的分辨率。然而，这需要对航天器的相对位置的精确的掌握和控制。反作用轮、陀螺仪和其他“内部系统”对于控制航天器的相对位置是不起作用的； 唯一有用的是基于作用力与反作用力原理的系统，因此需要从航天器的将物质抛射出去以产生所需的推力。因此，所有这些推进器需要用于贮存排出物料的容器，而该物料通常是以气体或液体等流体的形式贮存的。与贮存的方法和推进的原理无关，容器的大小最终限制了成像航天器可进行机动的寿命，从而限制其可用性。在其他参数相同的情况下，容器越大其寿命越长。高分辨率的光学部件，无论在其位于电磁波谱的哪一部分，都需要大焦距以得到高放大倍率，还有大光圈以收集足够的来自远处目标的射线以投射到检测传感器上。对于给定的配置和技术，更大的光学系统将可得到一个分辨率更好质量更高的图像。因此，很显然，当设计航天器时，为达到更好的性能，推进剂容器和光学系统对航天器的内部空间存在着竞争。在航天器上分别布置这样的系统时，要求它们两者都具有坚固的结构；事实上推进剂容器必须能耐受压力和加速度负载，而光学系统则需要极高的结构刚度，以保证透镜的精确定位。这种分立的坚固的结构，增加了航天器的总质量，最终增加了它们的制造和发射费用。
发明内容
在第一个方面，本发明提供了一种微卫星，包括推进模块，所述推进模块用于使所述微卫星运动和/或定向；成像装置，所述成像装置安装在所述推进模块之上；燃料供应部分；其中所述燃料供应部分位于所述成像装置之内。在第二个方面，本发明提供了一种电磁阀，包括具有入口的基片；平面阀组件，所述阀组件包括阀框架和可选择性地运动的座构件，所述座构件同所述静止构件共面；所述平面阀组件在阀框架上形成了层；电磁线圈，所述电磁线圈具有垂直于所述阀组件的平面的轴线；所述电磁线圈毗邻于所述阀组件；所述座构件具有放置在毗邻于所述电磁线圈的部分上的铁磁材料；其中当所述电磁线圈通电之时，所述座构件被布置为在所述阀框架的平面内向所述线圈运动，且自密封所述入口的闭合位置运动到打开所述入口的开放位置。在第三个方面，本发明提供了一种电磁阀，用于选择性地切换入口与所述阀的第一出口或所述阀的第二出口之间的流体连通，所述阀包括具有所述入口的基片；平面阀组件，所述阀组件包括阀框架和可选择性地运动的座构件，所述座构件同所述静止构件共面； 所述平面阀组件在阀框架上形成了层；电磁线圈，所述电磁线圈具有垂直于所述阀组件的平面的轴线；所述电磁线圈毗邻于所述阀组件；所述座构件具有放置在毗邻于所述电磁线圈的部分上的铁磁材料；其中当所述电磁线圈通电之时，所述座构件被布置为在所述阀框架的平面内向所述线圈运动，且自打开所述第一出口并密封所述第二出口的第一位置运动到打开所述第二出口并密封所述第一出口的第二位置。在第四方面，本发明提供了一种用于密封流体通道的隔离阀，包括横跨所述通道的膜，所述膜能够承受所述流体通道内的压力；加热源，所述加热源与所述膜匹配；所述加热源被布置为使所述膜破裂，从而使流体流过所述膜并穿过流体通道；其中所述加热源包括电阻器，所述电阻器连接至电源，且具有同所述膜匹配的加热面。在第五方面，本发明提供了一种多驱动阀，包括块体，所述块体具有入口和出口 ； 与所述入口和出口匹配的可变形的膜；偏向施压构件，所述偏向施压构件被布置为可选择性地偏向施压于所述膜，使之与所述入口和出口密封接触，其中当由所述偏向施压构件施加的所述偏向施压被去除时，所述可变形的膜被布置为可通过变形来允许所述入口和所述出口之间的流体连通。在第六方面，本发明提供了一种闩锁组件，包括壳体；位于所述壳体内的插座，所述插座和壳体绕中心轴线旋转配合；沿所述中心轴线，自收缩位置到延伸位置与所述壳体滑动配合的销；其中在所述收缩位置，所述销的第一部分被成形为防止所述壳体和插座的相对旋转，而在所述延伸位置，第二部分被成形为允许所述壳体和插座的旋转。在第七个方面，本发明提供了一种支持设备，包括第一和第二具有轴向磁化的磁体且以相反的极性相对，并被定位为可产生可选择性地调整的排斥力；所述第一磁体被固定在支架上；所述第二磁铁以旋转配合的方式定位在所述第一磁体上方；其中所述第二磁体被布置为安装在旋转装置上，并且所述排斥力被调整为可支撑所述装置的重量，并且可使所述装置通过所述第一和第二磁体的相对转动而自由转动。在一实施例中，本发明可整合光学和推进剂的容纳系统，以有效地共享空间和结构。对于该实施例，只要求推进剂原料对于需要由探测器传感器收集的电磁波是足够透明的，推进剂物料的折射性质可以忽略不计，或在对光学系统的设计中进行考虑，结构要能耐受推进剂的压力并且其变形是可以忽略不计或可控的。在下面的章节中，我们将就可能的配置对本发明的总体特征进行详细阐述，然而其他配置对于本领域的专业人员来说通过应用本发明的总体特征也是显而易见的。
参照示出本发明可能的布置的附图，可方便地进一步描述本发明。本发明的其他布置也是可能的。因此附图的特殊性不应被理解为取代了本发明先前描述的一般性。图1-根据本发明的一个实施例的带有安装在其上的望远镜的微卫星；图2-根据本发明的一个进一步的实施例的带有安装在其上的望远镜的微卫星；图3-根据本发明的一个进一步的实施例的微推进模块；图3A-根据本发明的两个进一步的实施例的微推进模块；
图4-根据本发明的一个进一步的实施例的微型喷嘴和微推进器模块；图5-根据本发明的一个进一步的实施例的加热器和蒸发器组件；图6-根据现有技术的微型阀；图7-根据现有技术的进一步的微型阀；图8-根据现有技术的交叉指状的静电致动器；图9-根据本发明的一个实施例的微型阀；图10-根据本发明的一个进一步的实施例的微型阀；图11-根据图10的微型阀；图12-根据图10的微型阀；图13-根据图10的微型阀；图14-根据本发明的一个进一步的实施例的微型阀；图15-根据本发明的一个实施例的微型阀的构建方法；图16-根据本发明的一个进一步的实施例的微型阀的构建方法；图17-根据本发明的一个进一步的实施例的微型阀，示出了集成的压力传感器；图18-根据本发明的一个进一步的实施例的微型阀，示出了集成的微型喷嘴；图19-根据本发明的一个实施例的隔离阀；图20-根据本发明的一个进一步的实施例的隔离阀；图21-根据本发明的一个进一步的实施例的隔离阀；图22-根据图21的实施例的隔离阀；图23-根据图21的实施例的电阻加热器；图24-用于根据图23的隔离阀的电阻加热器和隔离膜；图25-根据图21的隔离阀的下游压力相对时间的变化特征图；图根据本发明的一个实施例的多用途隔离阀；图27-根据本发明的一个进一步的实施例的烟火式闩锁；图28-根据本发明的实施例的微量天平；图29-根据本发明的一个进一步的实施例的微量天平；图30-本发明的一个实施例在不同的加热功率水平下的推力相对时间的变化特征图；以及图31-根据本发明的一个实施例的磁悬浮轴承。
具体实施例方式本发明涉及一种在太空中运动的运载体，如在轨道上运行的微卫星。根据图1和2 中的实施例的微卫星，包括光学腔室或光学管100，该光学管100在一端通过透光窗110封闭，而在另一端通过法兰120使光学探测器130与开口 125对应放置而封闭。窗口 110也可以很方便地将其形状做成透镜，从而与其他透镜或反射镜组成光学系统，执行聚焦或校正的功能。借助于衬垫115，窗口 110至少具有将管100封闭的功能，使光学管100可以容纳作为推进剂使用的压缩流体200。开口 125使得例如C⑶或CMOS的光学探测器130可接收由透镜和反射镜组成的光学系统投射在焦平面上的图像。传感器130可位于盖140之前或之后，同样由于衬垫145，盖140可将光学管100密封。
一组聚焦和校正透镜或反射镜150可通过间隔装置155，以一种通常用于望远镜的光学元件的方法放置在管内，唯一需要注意的是，需为在不同的透镜间形成的子腔室设置压力均衡孔157。在此配置中的元件100、110、115、120、140和145限定了封闭的内部空间，如燃料供应部件，或者更具体地说，燃料室210，该燃料室容纳的推进剂流体/燃料200较佳地为压缩气体，但也可能是液体。如果传感器130位于该内部空间210内，那么它的电力和电子连接电缆将通过专用的传输插接件220穿过容器壁。为了清楚的解释，图2展示了为称为马斯克夫-卡塞格林(Matsukov-Cassegrain) 的光学配置，通常该光学配置能确保具有相当长的焦距的非常紧凑的内部空间。来自成像目标的光线，首先通过窗口 110，窗口 110同时也具有校正透镜的功能，以减少这类反射式光学部件的典型的像差。然后光线通过光学管，穿过储存的推进剂气体，接着由置于管100 一端的法兰120上的主反射镜160反射。经过反射，光线打在了放置在管100入口处的副反射镜170上，接着再反射回来，直到他们通过主镜上的开口 125和法兰120上的开口 126， 到达传感器130。如果该光学元件连接到管100的不同的点上，设计时应注意，要确保管在压力下的变形可以忽略不计，以使光学几何结构不受影响。或者可以使光学部件悬挂在管内部的结构件250上，并且处于平衡的压力下。在推进剂的折射率由于压力和温度的改变而发生的变化需要加以补偿的情况下， 光学元件可以使用可变形的由密封的腔室组成的支撑结构，通过形状的变形来抵消流体上的光学影响。在推进剂是以液态的形式储存的情况下，避免任何液体的自由表面或晃动是至关重要的。这可以通过将终端是平面透明窗口 261的波纹管260插入光学管100来实现，该波纹管260容纳液体200，且会在其使用时收缩以保持其处于压力之下。透明窗口 261将是活塞沈2的一部分，活塞262可在光管100内滑动并通过弹簧263或注入由窗口 261和 110限定的腔室211内的压缩气体对流体保持加压。虽然本发明适用于任何大小的太空成像航天器，其最大的优势还是体现在例如所谓方块卫星(Cubesats)的这样最小的卫星中，方块卫星具有典型的IOOmmX IOOmm正方形截面，其长度在IOOmm和300mm之间。就方块卫星而言，图2显示了附接到光管和推进剂的主容器100的推进模块300。在其容积利用最为有效的配置中，推进模块也起到了推进剂辅助容器的作用，其内部空间310通过窗口 125和126间的光学管的内部空间210相连。为了获得空间的最佳利用，光学传感器130及其电子设备135以及卫星的其他电子设备136 可包含在内部空间310之内，它们在此受到了组成模块300的金属壁的很好的保护，可以不受宇宙射线的影响。控制航天器姿态的多个推进器模块320安置在航天器的外壳的对角处。同时已知交叉和相对地配置的各具有4个喷嘴330的2对模块，通过点燃相对的模块上的相对的推进器而产生的扭矩，可实现航天器绕两个轴向的转动，而通过该转动就可以控制航天器上在3个轴向上的姿态。本发明可以不使用连接管路就将位于推进模块300的相对的角落a和b上的相对的这些推进器模块320进行整合，而连接管路一般难以组装，同时又有泄漏的风险。这种无管路的整合是通过用螺丝直接将推力控制阀360安装在推进模块和推进器模块之间的壁上实现的。由于阀门360可能仍然存在极少量的泄漏，又引入了隔离阀400将实际的气体的内部空间310和阀入口的内部空间315分开。为了便于装配和更换，隔离阀400附接到微推进模块300的未被推进器模块占据的其中一个角落。钻取的通道309将阀400的入口连接到内部空间310，而另一钻取的通道311将阀400的出口连接到在模块300的壁上钻取的容腔315，其也连接到推力控制阀360。使隔离阀400与在相对的角落的推进器模块 320b相连接的必要的横向通道312是在模块300内部的肋形部分上钻取的，该肋形部分起结构增强元件的作用。加气止回阀362和压力传感器363被置于隔离阀附近，同时通过钻取的孔连接至内部空间310。为了可以插入传感器130以及电子设备135和136，微推进模块的形状被做成有盖302的盒301，盖302通过多个螺丝303附接在盒301，并且通过衬垫304将其密封。盖 30 可与法兰120联接或与其是一体的。电子缆线通过传输接插件305穿过模块壁300。为容纳更大量的气体，压力调节器380可能是必需的，以在较低的压力下向各个阀门供气。压力调节器可位于隔离阀的入口之上、在其出口处或主贮存箱100和辅助贮存箱300之间，尤其是当如果电子设备135和136承受不了高压时。为了达到比卫星发射时其总体积所能容许的更长的光程，一旦卫星被部署且准备工作时，一种可伸展的结构可使第一组透镜伸出。这种结构可以由2个或多个滑动杆270制成，滑动杆270由压缩弹簧275或其他伸展式致动器启动，由烟火式闩锁500释放和锁定。 或者，整个光学管可分为多个圆柱形滑动部101，一旦闩锁被释放，则圆柱形滑动部101在推进剂压力的作用下将伸展至全部的长度，从而减小贮存箱内压力，以减小结合部和衬垫上的受力，减小泄漏的风险。因此，这可以使结构上的应力释放，以减少或消除疲劳，蠕变或其他有害的与时间相关的效应。本实施例允许存在腔室的两级结构，主腔室210容纳燃料且连接到望远镜的内部空间，第二腔室通过壳体壁上的推力口连接到推进器模块320，这两个腔室通过外围设备 (即隔离阀)连接在一起的，使得只有当需要推力时才允许所述连接，否则就将主腔室与第二腔室隔离，以尽量减少或解除泄漏的风险。如果控制着阀360的电子设备359被置于贮存箱的内部空间320之中来优化空间的使用，那么阀360可方便地置于第二腔室315内，如图;3B所示，从而避免了至少一个流体的接合部的出现以及相关的泄漏或可靠性降低的风险。对于不需要使用与推进剂的容器一体化了的光学元件的应用，如果不需要插入电子设备，盖302b可以为简单的平盖，甚至就焊接在盒301之上。其他航天器部件50、其他有效载荷、甚至从商业渠道可得到的摄影相机都可以通过适配器连接到盒301的底部或平盖30沘。微推进器模块如图4中所示的推进器模块320主要由本体321、一组微型阀360、压紧密封衬垫 362的微型阀衬垫保持器361、一组微型喷嘴330、将微型喷嘴330锁靠在本体321上且压紧密封衬垫326的微型喷嘴保持器3 组成，全部通过螺丝组装。
简化的型式可以用3个、2个或甚至仅一个喷嘴和阀门制成。可替代的实施例包括如图5中所示的在喷嘴330之前的导管380中引入电阻器 381，来使用推进剂的加热的或气化。喷嘴和导管通过衬垫382和384密封，电阻器通过穿过导管380的导线383连接到外部电路，导管380用高温绝缘材料制成，例如可加工陶瓷 “Macor ”。电线383由玻璃粉或类似手段密封。整个组是由顶盖386和螺钉387装配保持的。微型阀虽然通过商业渠道可得到的微型阀与所描述的配置完全兼容，我们还是提出了一种新的微型阀，这种微型阀在不牺牲制造和装配的简易性的同时，通过在微型阀中的尽可能的整合，减小了其大小和重量。可以根据确定了其总体结构的制造技术先将微型阀分类为MEMS微型阀或所谓的精密工程微型阀。同任何其他的MEMS器件一样，MEMS微型阀是在一个典型的平面基片(晶片)上实现的，该基片可以是硅、玻璃或塑料的结合，这样才能使用光刻和蚀刻的方法进行批量生产。精密工程微型阀的每个部件都是单独加工、冲压或成型的，使之具有有了一个更立体的结构。当目标是高度小型化、低价格，高容积，并与其他电子设备高集成时，普遍采用的是MEMS的方法，在此所描述的本发明也采用此方法。如图6所示，典型的MEMS微型阀包括在一个基片上实现并用另一基片封闭的空腔，从而提供了成为阀孔的一个洞。这种阀孔通过致动器关闭或开启，该致动器往往以膜的形式实现，该膜被以不同的方法驱动，垂直于平面基片运动，典型的驱动方式有眷压电晶体在高压下的变形 热致动的元件被流入其内的电流加热而产生的变形，其原理有〇固体结构的热体积膨胀，流体相变或膨胀；〇形状记忆合金的效应；可通过商业渠道得到的微型阀的例子如图7所示，展示了来自瑞德伍德微系统公司(Redwood Microsystems)的热致动MEMS微型阀和来自李公司(Lee)的电磁致动的精密工程微型阀。从这两个例子可见，典型的MEMS微型阀不使用通常用于精密工程微阀的电磁驱动。事实上，电磁致动需要在致动器的运动部件中包括比较大的的铁磁性元件，这是MEMS 的批量生产不容易实现的。另一方面，使用同样的致动器容积和能量时，利用电磁效应在致动器的速度和力方面可得到更高的性能。这是由于精心设计的电磁止动器在本质上可以实现更高的能量密度。通常不鼓励MEMS系统使用电磁致动的另一个原因是，由于材料不兼容而造成的必要的线圈和磁路的实现的复杂性、在MEMS的典型的扁平化架构中配置的难度，以及实现线圈的三维绕线的难度。基于这些原因，典型的MEMS致动器在具有上述效能的同时，还具有几个缺点 弱的致动力 需要高的致动动力或电压。
由于致动器在达到所需的开放温度的过程中的热惰性，热致动的MEMS微型阀需要长时间的致动。 在整个致动过程中，需要不断地提供电能以补偿通过致动器材料流失的热量， 以保持温度。这样导致了微型阀的高电耗。在这一点上，必须提醒的是，微型阀的主要功能是 关闭时提供流体的孔的安全的闭合，不允许任何泄漏 打开时使该同一个孔的打开良好，流体流动有最小的压降对于第一个功能，通过弹簧或通过在入口通道内的流体的高压来确保高的闭合力是必要的；这个力必须在孔打开的过程中通过致动器来克服，以实现微型阀的第二个基本功能。因此，对一个好的阀而言，获得高的致动力是基本的。此外，打开的速度是非常重要的，以对允许流动的流体的量进行精确控制。如果致动力高且能被瞬时的施加，这是可以达到的。如同在下面的部分将解释的，在此描述的本发明充分利用了电磁致动器及其在一个构想特殊的MEMS微型阀中的优势，而无需面对前面所描述的电磁致动器的典型问题。与微型阀不同，在微定位应用中，运动部分的功能不涉及任何流体通道或孔，因此其运动可以被导向为沿着MEMS基片的平整表面，且基本利用了致动的静电学原理；在这种情况下，如图8中清晰示出的，典型的结构由于其手指样的形状而通常被称为“交叉指状”。通过这样的原理，只能产生非常小的力量，但一般都足够驱动这些装置内的微观部件，然而这种静电力通常不足以驱动阀门。阀致动器是轴线与基片垂直的微型化的电磁线圈，其中微型阀机构在该基片中实现。这个还未被任何MEMS阀应用过的解决方案，允许使用比较大的磁路来驱动微型阀机构。阀的运动部件包含由铁磁材料制成的小元件，该元件同电磁线圈相互作用以产生致动作用。当阀闭合时，该铁磁元件处于其静止位置，而铁磁线圈的轴线被安装在该铁磁元件的中心之外。当线圈通电时，磁场将铁磁元件拉向线圈的中心以使磁场的能量最小化，从而产生了致动作用。返回和保持在关闭位置是通过内嵌在阀结构中的弹簧实现的。将比弹簧为零载荷时的空间稍厚的密封元件嵌入，使弹簧在阀的装配时就被预加了载荷。这样的预载荷保证了密封件的压缩，因此避免了流体通过阀泄漏。致动器的运动部件的几何形状形成了限动件，致动器向阀的打开位置的延伸受到限动件的限制。这样的限制保证了弹簧元件内的应力保持在可与材料的弹性行为相容的水平下，远低于材料的屈服容限。流体的阀主要是由与前述的任何其他阀都相同的基本元件组成，在本具体的实施例5000中，这些基本元件沿着基片材料以平面的方式布置入口通道5009、孔5010、密封衬垫5005、衬垫座5003、出口通道5011、闭合元件5003、弹簧5004以及致动器5020。电磁致动螺线管5020及其线圈5021可相对基片独立地布置在任何适合电磁场与运动元件相互作用的位置。一种可能的配置如图9所示。该配置的微流体平面部分可以通过蚀刻技术在硅片上实现，如在图10的4层阀结构的a)外形图；b)剖视图、图11和图13中所示的其具有最高效率的实施例中，需要2层内部的硅层5102,5103和2层外部的玻璃层5101、5104。这种四层结构5100具有弹簧5004和运动体5002，运动体5002被分为了两个对称的部分(即500 和5004b)，而孔5010在两者之间实现。这种对称是必要的，使将衬垫 5005压在它的座5002上的弹簧5004的载荷是完全对称地均衡的。如图13所示，阀的打开是由运动体5103在电磁体5120提供的电磁场的作用下的平移实现的，当电磁体5120的线圈5121通电并吸引衔铁5122时提供该电磁场。在这种情况下运动体5103释放了其在密封件5105上的压力，因此流体可从入口通道5109流出，穿过出口通道5111内的打开了的孔，出口通道5111可被制成是垂直或平行于微型喷嘴5090 内的基片的。必须指出的是，密封件5105是嵌入在运动体和孔口座之间的槽中的。这种槽是通过加工实现的，其尺寸比衬垫稍小，使得当衬垫就位后，通过弹簧5104需要的延伸可将嵌入的垫片压紧。这种特别的特征可使整个阀体、弹簧、运动体、孔以及衬垫座形成一个单一的部分。对于制造经验较少的厂，只用两片晶片来制作一个最简单的实施例5200(名为 “2L”微型阀)也是可能的。在这种情况下，该层叠结构的仅仅一半将只用一个硅晶片5201 和一个玻璃晶片5202实现，且该结构相对其中心平面不对称，然后将该芯片插入封装件 5203来完成其制造，该封装件5203提供入口 5209的底部与出口 5210、5211之间的流体连接。这简化了在键合和双面蚀刻中的对齐的要求，但在弹簧5204的伸展和密封元件5205 的压紧中引入了小的不对称行为。然后通过将两晶片的层叠结构的芯片在封装内同异型密封件5212压在一起，完成该流体通道。这种封装件可以由任何材料的制成，只要它是抗磁性的且可以以最小的间隙保持磁回路。如图13和图14所示，该实施例已被配置为有一个入口 5209和两个出口通道 5211a和5211b以及两个衬垫520 和5205b，使该阀在任何时候在一通道关闭时另一通道都是打开的，用于流体返回。4L微型阀的实现过程需要结合深反应离子蚀刻、融合和阳极键合和切割，如图15 所示。两个硅晶片5102和5103通过双面光刻或蚀刻以形成通道，并形成允许运动部件平移的间隙，且它们被蚀刻贯穿形成弹性的弹簧以允许运动部件的运动。在进一步进行两个硅晶片的热键合之前，衬垫必须嵌入到位，该衬垫用能够承受键合温度的软金属实现。底部玻璃5104采购时已带有开到位的孔5104a。在进一步进行玻璃底层的阳极键合之前，铁磁材料制成的衔铁被放置到位。当3个键合步骤都完成后，该芯片被从晶片上切割下来。如图16所示，实现2L微型阀的过程中需要一组类似的步骤，但由于没有困难的键合对齐要求以及座和衔铁空腔在键合和切割后的可及性，所以可被简化，使低温材料可用于密封(即橡胶)和衔铁(即磁化合金)通过利用阀的腔室在压力下的变形可以很容易地将压力传感器集成在该系统中。 如图17所示，通过电沉积和光刻而图案化了电阻器5301a至5301d的层和导体将形成一个惠斯登电桥，由腔室变形造成的电失衡可被外部电路检测并与其内部压力相关联。这种电气连接可通过探针或引线接合法或焊接至电极片530 至5302d上的方式实现。阀的出口可以通过收缩扩张微型阀连接在实现在芯片5090的底部5111或其侧面的孔上，从而实现了完全集成的MEMS可控微推进器或微质量流量控制器，如图18所示。根据本发明的各种实施例的电磁阀的特征包括i.其运动平行于基片，而所有基于类似功能开发的致动器垂直于基片运动ii.由螺线管产生的外部电磁场提供能源的致动作用，该螺线管完全由致动器自身来解耦，而其他类似的致动器都在热膨胀或静电或压电的系统上工作，那些系统需要同能量提供元件很紧密的接触，其能量密度低，复杂度高且价格昂贵iii.本设计基于仅1个简单而可靠的微加工工序，即活性离子蚀刻(RIE)以及两个简单而可靠的封装工序，即阳极键合和硅热键合iv.微型阀座在平行于基片的方向上打开v.通过在基片本体上实现的弹簧来产生微型阀的闭合力和预加载vi.阀体、运动元件、弹性元件、孔、衬垫座做为一个单一的部分实现vii.对可嵌入该装置的分立的密封元件的集成，使得可以根据最终的用途来选择几乎任何材料(即，侵蚀性流体)viii.流通的液体不会与系统的任何电气部分接触ix.微型阀作为MEMS集成的微推进器的使用χ.微型阀作为MEMS集成的微流量控制器的使用隔离阀隔离阀400可制成两种不同的配置单驱动和多驱动。单驱动阀是基于通过焦耳效应达到高温的小电阻器来熔化的膜。如图19所示，热致动的隔离阀是由支撑在带有孔4006的坚固的隔膜4003上的薄膜4005组成的，隔膜4003将贮存箱的内部空间同管道连接分隔开。膜被加热器4004削弱并最终局部地融化，以使箱内气体的压力可以刹住膜并打开阀。支撑隔膜置于贮存箱体 4001和管道集合器本体4002之间。加热器4004是商业化的表面贴装器件的50欧姆电阻器或两个或更多个该电阻器，该电阻器被置于孔4006的周侧，由并联和串联相结合，形成100欧姆的总电阻器(两个并联的100欧姆电阻或串联的两对并联的25欧姆电阻)。向电阻器4004上施加12V电压。有两种基本的配置，一种配置其中的流体以一个方向穿过该阀(命名为“T”)，适合安装在带螺纹的管道之间或者贮存箱和带螺纹的管道之间，第二种配置其中的流体穿过该阀，且在阀打开后又返回其进入的同一侧，(命名为“R”)。如图20至M所示，印刷电路板“PCB” 4103支撑着膜4105的同时，也支撑一个或多个电阻器4104，为其提供电气连接。膜4105和PCB4103夹在连接至加压的贮存箱的本体 4101和连接至下游管道的本体4102之间。电阻器4104被置于一个或多个孔4106旁边。 由于两个衬垫4107及螺丝4108的包扎，完成的层叠结构是无泄漏的。“R”阀的基本实施例，是通过主体4201和闭合头4202将膜4205和其承载电阻器 4204的支撑件4203夹在中间制成的，并且提供了用于气体穿过阀的孔4206。
通过观察该头4201的功能，“T”阀的区别是显而易见的，该功能是通过在膜支撑件4203上的第二孔将流动导向主体4201。通过这种方式，假如贮存箱的罩或壳也包含下游的通道，则隔离阀“R"只在箱的一侧工作，从而易于更换，而阀“T”的情况不同，需要在箱和管道之间工作。隔离阀“R”的实施例可有两个变型，一个变型其中的阀的本体是由两个大体积的本体4201和4202组成，命名为“RB”，还有一个变型其中该阀是薄的基片的层叠结构(命名为“RS”)。主要的区别在于在膜和下游的本体之间使用的密封。这样的本体与PCB背面相接触，以支撑密封膜。。而在大体积本体的情况下，如图21所示，密封是通过压紧在本体和微型管道4209 之间的微型0型圈4207来实现的，微型管道位于本体之间，使之与贮存箱对齐并使系统更坚固。在层叠结构“RS”的情况下，其一侧通过与大体积本体一样的方法来密封，而另一侧则是通过基片上的预镀锡表面的焊接来实现密封的。在任何情况下膜都是胶合在加热器基片上，通过额外的胶带层420 或者其自身就是从胶带上冲压而成的。选择的膜材料必须能够承受高达150°C的额定高温，而低温要达到_50°C，并且同时能在加热器产生的热量到达其他的关键元件如0型圈4207或膜周围更多的区域前，在大约250°C左右熔化。得到的典型打开时间是500ms，而保持加热最长Is或2s就可以完全稳定地打开一次。通过监测下游压力的上升，如图25所示，可以观察到阀的打开。图沈显示了多驱动阀450，在此作为先前的单驱动“R”隔离阀的变体提出，它基于通过电动马达4520驱动的旋转的凸轮4510，凸轮4510打开和闭合位于阀的本体4201和阀的头部4540之间的可变形的膜4530。该马达，如果必要的话可使用减速齿轮箱，通过安装在其轴上的偏心凸轮4510，移动一个偏向施压构件，在这种情况下该偏向施压构件为滑动元件4560。滑动元件推动可变形的膜4530，该膜4530可由橡胶制成，由于装配紧密，该膜 4530被压在入口孔和出口孔以及孔之间的平坦区域上。当滑动元件4560因凸轮转动而抬起时，在来自入口孔的流体的压力作用下，膜变型，并且流体开始沿着由于膜的变形而形成的通道流动。凸轮每转半圈阀完全打开和关闭一次。根据本发明的各种实施例的隔离阀的特点包括i.用膜来中断和密封流体的通道或管道，从而将较高压力的一侧与较低压力或空的一侧分开ii.可使用一面或两面都有胶合剂或粘性物质的聚合物膜来使膜与接触的本体之间密封iii.使用一个或多个电阻器在一点或多点熔化这样的膜，以使流体自其流过。iv.将电阻器和加热面与支撑密封膜的表面置于同一处。v.将加热器置于膜支撑元件内的孔周围，以熔化封闭该孔的该密封膜。vi.使用层叠结构来使通道在层叠结构层的横向上被密封。vii.通过使用焊接材料来组装该层叠结构。viii.利用受压侧的压力将密封膜压在电阻器的加热面上，从而得到最好的热传导效果以熔化膜
ix. 一旦密封膜被打开，就有可能得到将流动传送回其产生的一侧的返回通道，从而使得有可能将隔离阀安装在贮存箱的一侧，以在重复使用或需要为了测试目的而多次使用时易于更换。烟火式闩锁烟火式闩锁500可以为“凸出销”式或“旋转锁定”式，基于例如高氯酸钾和铝粉的混合物的一小团爆炸性充填物510，由小电阻器520引爆，用来移动小活塞530，小活塞530 移动凸出的尖头或者与旋转元件540脱离。凸出销式闩锁是旋转锁定式闩锁的简化型式，这里将予以描述。闩锁主要由本体550和轴530组成，该轴在其内端有腔室535且小的印刷电路板 (PCB) 560自本体550上的槽插入以形成此腔室的内部空间。此PCB具有至少一个面对该腔室内部空间的小电阻器560，且小电阻器560通过沿着PCB的绝缘导线连接至外部的电路。 轴的另一端具有正方形区域536，该正方形区域536与用螺纹连接到本体上的保持器元件 570相接合，并且与通过轴承585或等效的旋转接头连接到本体的轴毂580相接合。保持器和轴毂具有长方形的槽590，不允许轴、定位器和轴毂相对旋转。腔室内充填了爆炸物510， 如果有电流通过电路，则电阻器及其邻近的爆炸物将被加热到引爆温度，从而引爆爆炸物。 产生的爆炸将如图27b所示将轴530推向前方，且使其正方形端536从保持器和轴毂脱离， 使圆形的部分537进入矩形槽中。在冲程结束时，轴和保持器之间的锥形匹配部538由于其小角度而被锁定。在开放配置下，轴毂现在可以自由转动而轴被锁定在开放位置。用于推力测量的微量天平推力的测量通过新的微量天平来实现，该微量天平在扭力天平的概念的基础上有所改变，即通过使用空心管道2305从外部箱2304供应受压的推进流体，使得弹性元件能够检测到该推力，并测量其位于推进器201产生推力处的臂2306的末梢处的变形。这种弹性扭力悬吊去除了任何摩擦的存在，因此，再结合光耦合电路或无线电来驱动推进器阀2307， 就可以测量由该微型推进器产生的确切的力。如果不使用光耦合器，可将连接法兰2309的很细的导线添加到系统中，并可通过测量有与没有这样的导线的情况下的振荡周期，在数值上去除引入的小的附加的刚度。可替代地，阀可置于该弹性管的上游，该弹性管也不再具有产生很小的推力脉冲的能力，但可以是理想的弹性悬架。有两种可能的测量方法通过允许偏转然后光学装置(即激光位移计)进行检测 2310，或用通过电(即电磁或静电力)产生的其他外部和非接触式的参照和受控的力对其进行补偿。实现平衡需要各种悬挂物质的精确的均衡，以使其重心恰好位于空心管2305之下。此外，管道必须具有非常小的直径和厚度，使得最小的推力能够产生足够的偏转力并且同时，管道2305的强度必须大到足够悬挂整个振荡部分以及承受气体的内部压力。管道2305通过胶合剂连接至上法兰和下法兰，上法兰用螺丝连接到真空室的顶板上，在真空室中进行推力的测量，而下法兰用螺丝连接到保持平衡臂和平衡配重的下法兰。
当天平是通过接通在其臂的末端的微型推进器来操作时，由微型喷嘴201所产生的力使臂2306绕悬吊管道2305转动，从而按照推力扭矩和管道的弹性的反作用力扭矩的差异开始动态振荡。由于这两种力一般不相等，因此天平将继续其受迫谐波振荡，并通过激光传感器对其进行测量，由于悬吊管道2305的材料和几何形状是已知的，因此悬挂管道 2305所产生的弹性反作用力已知的，且天平的惯量由设计是已知的并经自由谐波振荡周期的测量所证实，唯一未知的是微型喷嘴产生的力，故可相对时间计算出该力。对于推进剂加热微推进器配置的情况下，这种振荡的典型图表如图30中的红线所示，同时蓝线显示在储气箱中的压力。由于使用的纸记录仪，因此在图中的时间方向是从右到左。可以清楚地看到振幅(也就是微型喷嘴的推力)如何随着箱中可用气体的使用而造成的压力的减小而减小的。用于完整的微推进系统的鉴定的磁悬浮轴承为了测试完整的微推进系统，有必要在真空箱中悬浮地进行，以使摩擦尽可能小。 虽然下面描述所涉及的这类问题的解决方案是用于微推进的情况的，但是针对这类问题， 本解决方案可以应用到任何其中包括一个其重量对其旋转摩擦来说相对为高的旋转装置的仪器或设备。图31显示了支持设备以实现这一目标，在本实施例中该设备包括两个轴向磁化且相对旋转接合的的环形磁体，所述磁体因此形成了磁悬浮轴承。要认识到，在一些实施例中，例如当旋转摩擦不是关键时，可以由磁体段的环形阵列来代替环形磁体，它可以仿真一个完整的环形磁体。此类轴承放置在最接近和稍高于完整的微推进系统的重心6010处，而完整的微推进系统是与用于无线控制和遥测以及电源供应所必需的微卫星的元件一起组装的。该轴承是由两个轴向极化并极性相反的环形磁体6020a和6020b实现的，环形磁体6020a和 6020b具有典型的磁场线6060。一个轴承固定在悬浮的微推进结构6030上，而另一个位于柱6040之上，柱6040伸入微卫星内部，固定在基座6050上，基座6050可以通过调整螺丝和水准气泡来实现精确的垂直方向上的对齐。由于两种相反的磁体不能形成非常稳定的系统，保证两个排斥力和重力的横向对齐是必要的。通过自两个部件中的一个(即，柱)凸出来的针状件6100与另一部件(即悬浮物体，如正在测试的微卫星)内的凹座6110相接合来实现这一目地。通过针状件-座将两个磁体之间的距离保持在一个值，该值不足以产生与悬浮体的重量完全平衡的力。在这种方式下，仍然存在一个小的力量使针状件6100保持在座6110的中心，且从而以稳定的方式将两部分锚定在一起。由于可以借助滑动支撑件 6200来对磁体的距离进行微调，以选择性地减小此残余力，因此同时也可将摩擦力减至最小，对于非常重的物质也是如此。通过该系统，允许在针状件-座接触点周围的小的横向振荡，这对于判断推进器的对齐和物质分布的状况是有用的。由于与传统的轴承相比，具有非常低的摩擦，因此微推进器的力很微小的效应都可以被评估，并且微推进系统的实际分辨率和脉冲能力都可以得到充分鉴定和演示。
权利要求
1.一种微卫星，包括推进模块，所述推进模块用于使所述微卫星运动和/或定向； 成像装置，所述成像装置安装在所述推进模块之上； 燃料供应部件；其中所述燃料供应部件位于所述成像装置之内。
2.根据权利要求1所述的微卫星，其中所述燃料供应部件位于所述成像装置的光学腔室内，从而对应于所述成像装置的光路径穿过燃料供应部件中的燃料。
3.根据任何一个在前的权利要求所述的微卫星，其中所述燃料是液体燃料。
4.权利要求1到3中的任何一个权利要求所述的微卫星，其中所述燃料供应部件包括容积可选择性地变动的燃料腔室，从而随着所述燃料的消耗，所述腔室的容积也相应地减
5.根据权利要求4所述的微卫星，其中所述可选择性地减小的腔室包括活塞，所述活塞受到偏压以减小所述腔室内的容积。
6.根据任何一个在前的权利要求所述的微卫星，其中所述成像装置包括可延伸的结构，以向前移动第一组透镜，从而增加所述成像装置的光程。
7.根据权利要求6所述的微卫星，其中所述成像装置包括至少两个滑动地接合的同心的部分和用来在所述至少两个部分之间引起相对运动的致动器，所述相对运动的范围在收缩位置和延伸位置之间。
8.一种微卫星，包括推进模块，所述推进模块包括壳体，所述壳体具有内部的腔室；所述壳体在所述壳体的壁之中形成了燃料入口、推力口及在两者间提供燃料路径的导管；所述推进模块还包括安装于所述推力口的推力组件。
9.根据权利要求8所述的微卫星，其中所述推力组件包括推力模块，所述推力模块具有多个喷嘴和多个推力控制阀，每个所述推力控制阀都与所述喷嘴相对应；从而所述推力控制阀位于所述推力口和所述推力模块之间。
10.根据权利要求9所述的微卫星，其中所述推进模块包括多个推力口，各推力口均与推力组件相关联。
11.根据权利要求8所述的微卫星，其中所述壳体包括接合表面和可安装到所述接合表面的适配器组件，从而所述适配器组件使得外围设备可以与所述推进模块接合。
12.根据权利要求11所述的微卫星，其中所述外围设备包括望远镜、照相器材、压力传感器、燃料装载阀、电子控制装置和测试仪器。
13.根据权利要求9所述的微卫星，其中所述推力模块包括一个加热或蒸发组件，用来蒸发所述喷嘴处或所述喷嘴附近的燃料。
14.根据权利要求13所述的微卫星，其中所述蒸发组件包括电阻器，所述电阻器安装在毗邻于所述喷嘴的管道之中；所述电阻器与电源之间有电连接，以把所述燃料加热到蒸发温度。
15.根据权利要求2到14中的任何一个权利要求所述的微卫星，其中所述光学腔室包括可变形的支撑结构，从而由于压力和温度的变化而造成的推进剂的折射率的变化可通过形状的变形而得到了补偿，以消除由于所述燃料供应部件而造成的光学影响。
16.一种电磁阀，包括具有入口的基片；平面阀组件，所述阀组件包括阀框架和可选择性地运动的座构件，所述座构件同所述静止构件共面；所述平面阀组件在所述阀框架上形成了层；电磁线圈，所述电磁线圈具有垂直于所述阀组件的平面的轴线；所述电磁线圈毗邻于所述阀组件；所述座构件具有放置在毗邻于所述电磁线圈的部分上的铁磁材料；其中当所述电磁线圈通电之时，所述座构件被布置为在所述阀框架的平面内向所述线圈运动，且自密封所述入口的闭合位置运动到打开所述入口的开放位置。
17.根据权利要求16所述的电磁阀，进一步包括弹性元件，从而当所述电磁线圈断电之时，所述弹性构件被布置为自所述开放位置向所述闭合位置偏向施压于所述座构件。
18.根据权利要求17所述的电磁阀，其中所述弹性构件包括弹簧构件。
19.根据权利要求18所述的电磁阀，其中所述弹簧构件包括所述座构件的蚀刻区域， 以在所述座构件的平面内提供所述座构件的可压缩的部分，还包括可压缩的密封件，从而所述密封件在所述框架和座构件之间的嵌入偏向施压于所述弹簧构件，使得当线圈断电之时形成弹性返回机构。
20.根据权利要求16到19中的任何一个权利要求所述的电磁阀，其中所述基片还包括出口，从而从入口至出口的流体路径穿过所述座构件以产生阀效应，来控制流体从所述入口流至所述出口。
21.根据权利要求20所述的电磁阀，还包括置于所述阀组件上的第二阀密封层所述阀密封层包括密封构件，所述密封构件同所述阀组件的密封构件相对应所述铁磁材料被布置为联接所述两个座和座密封构件，以当所述电磁线圈通电和断电之时共同工作，从而所述阀密封层起到了密封所述阀组件的所述座构件的作用。
22.根据权利要求16到21中的任何一个权利要求所述的电磁阀，还包括压力传感器层，所述压力传感器层被定位以检测作为电阻函数的所述电磁阀的变形；所述压力传感器具有输入和输出电极以连接电源，用于测量对应于变形变化的电阻变化，由此测量在所述电磁阀中的流体流动引起的压力。
23.—种电磁阀，用于选择性地切换入口与所述阀的第一出口或所述阀的第二出口之间的流体连通，所述阀包括具有所述入口的基片；平面阀组件，所述阀组件包括阀框架和可选择性地运动的座构件，所述座构件同所述静止构件共面；所述平面阀组件在所述阀框架上形成了层；电磁线圈，所述电磁线圈具有垂直于所述阀组件的平面的轴线；所述电磁线圈毗邻于所述阀组件；所述座构件具有放置在毗邻于所述电磁线圈的部分上的铁磁材料；其中当所述电磁线圈通电之时，所述座构件被布置为在所述阀框架的平面内向所述线圈运动，且自打开所述第一出口并密封所述第二出口的第一位置运动到打开所述第二出口并密封所述第一出口的第二位置。
24.一种用于密封流体通道的隔离阀，包括横跨所述通道的膜，所述膜能够承受所述流体通道内的压力；加热源，所述加热源与所述膜匹配；所述加热源被布置为使所述膜破裂，从而使流体流过所述膜并穿过所述流体通道；其中所述加热源包括电阻器，所述电阻器连接至电源，且具有同所述膜匹配的加热面。
25.根据权利要求M所述的隔离阀，还包括用来支撑所述加热源和膜的组件，以维持所述加热源和所述膜之间的匹配。
26.一种多驱动阀，包括块体，所述块体具有入口和出口 ；与所述入口和出口匹配的可变形的膜；偏向施压构件，所述偏向施压构件被布置为可选择性地偏向施压于所述膜，使之与所述入口和出口密封接触，其中当由所述偏向施压构件施加的所述偏向施压被去除时，所述可变形的膜被布置为可通过变形来允许所述入口和所述出口之间的流体连通。
27.根据权利要求沈所述的多驱动阀，其中所述可变形的膜的变形受到所述入口内的流体压力的影响。
28.根据权利要求沈或27所述的多驱动阀，其中所述偏向施压构件包括滑动元件，所述滑动元件被布置为可进行从与所述可变形的膜密封接触至远离所述可变形构件的位置的往复运动，以去除所述偏向施压。
29.根据权利要求观所述的多驱动阀，还包括凸轮组件，所述凸轮组件安装在马达和所述滑动元件之间，所述凸轮组件和马达被布置为使得当所述马达转动时，凸轮随之转动， 使得往复运动中的所述滑动元件进行往复运动。
30.根据权利要求四所述的多驱动阀，其中所述马达能够有选择地部分旋转且继而使所述凸轮部分旋转，以控制所述可变形的膜的变形并继而控制所述流体从所述入口到所述出口的流动。
31.一种闩锁组件，包括壳体；位于所述壳体内的插座，所述插座和壳体绕中心轴线旋转配合；沿所述中心轴线，自收缩位置到延伸位置与所述壳体滑动配合的销；其中在所述收缩位置，所述销的第一部分被成形为防止所述壳体和所述插座的相对旋转，而在所述延伸位置，第二部分被成形为允许所述壳体和所述插座的旋转。
32.根据权利要求31所述的闩锁组件，还包括位于所述壳体内与所述销的驱动端毗邻的驱动装置；所述壳体和所述销之间的滑动配合，所述滑动配合涉及在所述销和所述壳体上的至少一对匹配的倾斜表面，从而当所述驱动装置起动时，所述销被配置为从所述收缩位置滑动至所述延伸位置，因此所述匹配的倾斜表面起到楔子的作用，在所述延伸位置相对所述壳体固定所述销。
33.根据权利要求31所述的闩锁组件，其中的所述驱动装置包括与电触发器接触的爆炸性充填物。
34.一种支持设备，包括第一和第二具有轴向磁化的磁体且以相反的极性相对，并被定位为可产生可被选择性地调整的排斥力；所述第一磁体被固定在支架上；所述第二磁铁以旋转配合的方式定位在所述第一磁体上方；其中所述第二磁体被布置为安装在旋转装置上，并且所述排斥力被调整为可支撑所述装置的重量，并且可使所述装置通过所述第一和第二磁体的相对转动而自由转动。
35.根据权利要求34所述的支持设备，进一步包括稳定构件，所述稳定构件安装在所述支架之上，并且和所述第二磁体的底侧相接触，所述稳定构件提供了对所述第二磁体的垂直支撑。
36.根据权利要求34所述的支持设备，其中所述排斥力的可选择的调整是通过致动器提供，所述致动器用于相对于所述稳定构件升高或降低所述第一磁体，并由此调整所述第一和第二磁体之间的距离。
37.根据权利要求34到36中的任何一个权利要求所述的支持设备，其中所述第一和第二磁体中之一或两者是环形磁体。
38.根据权利要求34到36中的任何一个权利要求所述的支持设备，其中所述第一和第二磁体中之一或两者是部分磁体段的环形阵列。
全文摘要
一种微卫星，包括推进模块，该推进模块用于使所述微卫星运动和/或定向，还包括成像装置(100)，该成像装置安装在推进模块之上。此外还有燃料供应部件(210)；该燃料供应部件位于所述成像装置之内。
文档编号B64G1/10GK102308078SQ200880132811
公开日2012年1月4日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者朱利奥·曼佐尼 申请人:朱利奥·曼佐尼