一种压电式微推力器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种压电式微推力器，包括有进气口(1)、外壳(2)、电源接口(3)、过滤器(4)、复位弹簧片(5)、阀芯(6)、压电叠堆(7)、垫片弹簧(8)、阀座(9)、密封环(10)、调整环(11)、基座(12)、喷嘴(13)。在未通电情况下，阀芯(6)的表面与阀座(9)及调整环(11)的表面紧密贴合，推力器处于关闭状态；在通电情况下，由于压电叠堆(7)的形变，阀芯(6)将产生位移，阀芯(6)的表面与阀座(9)及调整环(11)的表面分离，推力器打开喷气，产生推力。本发明中的密封部件，如阀芯(6)、阀座(9)和调整环(11)均为金属材料，因此本发明中的密封为金属密封。压电式微推力器响应时间短、推力连续可调、功耗低、寿命长，能满足微小卫星和导弹精密定轨对微推进系统的严格要求，并且质量轻、体积小，为微小卫星节省更多的质量和体积空间。
【专利说明】-种压电式微推力器
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天器推进系统【技术领域】，特别涉及一种压电式微推力器。
【背景技术】
[0002] 现有微推力器都采用电磁驱动，其工作原理如下：当输入电压时，电磁线圈产生作 用力，吸引阀体，使其离开阀座，打开气体流路，气体从进气口进入，流经固定的气体流路， 最后从喷嘴喷出，实现推进过程；当断开电源时，电磁线圈的作用力消失，阀体在弹簧的回 弹力作用下回到阀座，关闭气体流路，推进过程结束。在现有微推力器中，电磁阀的作用如 同门闩，用于打开和关闭气体流路，该气体流路的大小和路径是固定不变的，因此在流路打 开的情况下，单位时间内气体的流量是固定的，从而单位时间内产生的推力也是固定的。并 且现有微推力器在稳态推进过程中，由于气体流路一直处于打开状态，因此电磁线圈需要 持续通电以吸引阀体，导致功耗较大。现有微推力器的阀体与阀座之间用橡胶密封，防止在 开关关闭的情况下出现气体泄漏。由于橡胶的弹性强度小，因此在密封情况下橡胶会产生 比较大的形变，导致阀芯与阀座不容易分离，即当开关打开时，首先要经历阀座和阀芯上的 橡胶形变恢复为零的阶段，然后才能实现阀芯与阀座的分离，产生气体流道，因此开关的响 应时间比较长。另外，数据表明电磁阀开关使用寿命平均仅为10万?20万次。综述所述， 现有微推力器存在的问题主要有：推力不可调、响应时间长、电源功耗比较大、寿命比较短， 难以满足微小卫星的需求。
【发明内容】
[0003] 由于微小卫星（10?500kg)的快速发展，对微推力器的性能要求越来越高，特别 是对其功耗、响应特性、寿命等提出了非常苛刻的要求。本发明的目的是针对电磁驱动的微 推力器响应时间长、推力不可调节、功耗高、寿命短的不足，提供一种压电驱动式微推力器， 以满足微小卫星和导弹精密定轨对微推进系统的严格要求。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电式微推力器，包括：进气口、过滤 器、压电驱动装置、调整环、阀座、基座、密封环和喷嘴；以上部件均为同轴结构，且被外壳包 裹；外壳上有设置有压电叠堆电极的电源接口，用于接入输入电压。
[0005] 所述电驱动装置包括压电叠堆、T型阀芯、复位弹簧片、垫片弹簧；压电叠堆为圆 筒形，夹持在T型阀芯的底座和垫片弹簧中间；T型阀芯的底座在进气端，垫片弹簧在喷气 端；复位弹簧片位于阀芯底座另一侧，起支撑作用；垫片弹簧和复位弹簧片中心开有圆孔； T型阀芯由底座和凸出的芯体组成，芯体从压电叠堆中心空腔和垫片弹簧中心圆孔穿过， 在电压为零时，芯体头部与调整环和阀座的表面贴合，形成密封；T型阀芯中心轴线处为空 腔，空腔一端封闭，一端开口，口部朝向进气端，芯体侧壁有数个小孔与空腔连通。
[0006] 现有推力器中，阀座与阀芯之间均采用橡胶密封，而在本发明中用于密封的部件， 如阀芯、阀座和调整环的制作材料均为金属，因此本发明采用的是金属密封。
[0007] 所述复位弹簧片和垫片弹簧都采用双层串联碟簧设计。
[0008] 本发明中推力器开关是通过阀芯在压电叠堆和弹簧系统（即复位弹簧片和垫片 弹簧）的作用下运动来实现的，普通的单层碟簧或螺旋弹簧无法提供足够大的作用力推动 阀芯运动，因此本发明中的复位弹簧片和垫片弹簧都采用两个碟簧串联的设计方案，加大 弹簧系统的作用力，使推力器开关可以顺利地打开或闭合。
[0009] 所述T型阀芯芯体靠近阀座一端部分设计成圆台形状，其圆台中轴面母线之间的 夹角介于25°至60°之间。本发明中阀芯头部的圆台设计可以放大复位弹簧片的回复力， 有利于阀芯与调整环之间的紧密贴合。
[0010] 所述进气口、外壳、阀芯、阀座和调整环制作材料为密度低于4. 5kg/m3,抗拉强度 高于600MPa的轻质金属，例如钛合金TC4。
[0011] 所述过滤器、复位弹簧片和垫片弹簧制作材料为冲击强度高于306J/m、韧性好的 金属，如铍青铜。本发明压电式微推力器的优点在于：
[0012] (1)响应快。该推力器的开关通过金属表面之间的分离和贴合来实现。现有推力 器中，阀座与阀芯之间采用橡胶密封，由于橡胶的弹性强度相比于金属很小，所以在相同应 力条件下，橡胶的应变比金属大很多，导致阀芯与阀座不容易分离，即当阀芯离开阀座时， 首先要经历阀座和阀芯上的橡胶形变恢复为零的阶段，然后才能实现阀芯与阀座的分离， 产生气体流道；而在本发明中采用的是金属密封，相对橡胶而言，金属的变形几乎可以忽略 不计，因此一旦阀芯开始运动，无需经历金属形变恢复的过程，可以直接实现分离，产生气 体流道，所以本发明的响应速度更快，响应时间介于0. 1?2ms之间，而普通电磁阀最快响 应介于10?20ms之间，因此压电式推力器可以快速实现脉冲工作过程。
[0013] ⑵密封性好。本发明中用于气体密封的部件,如阀芯、阀座和调整环的材料采用 金属材料，金属经过精加工后表面粗糙度算数平均偏差比现有微推力器中使用的橡胶小， 因此金属的密封性能更好；另外，复位弹簧片和垫片弹簧的双层串联碟簧设计加大了作用 力，且阀芯的圆台设计可以进一步放大复位弹簧片的回复力，例如圆台中轴面母线之间的 夹角介于25°至60°之间时，可以将复位弹簧片所提供的回复力放大1.1至1.93倍，从而 使阀芯与调整环之间紧密贴合，保证良好的密封性能；并且复位弹簧片和垫片弹簧的制作 材料为冲击强度高、韧性好的金属，在2000?4000N的作用力下也不会破裂。
[0014] (3)推力可调。本发明利用压电叠堆的变形量与输入电压大小成正比的特点，可以 实现通过调节电压来调整推力器推力大小的功能。当输入电压变化时，压电叠堆的轴向位 移将发生改变，从而改变阀芯的位移，进而改变气体流路的大小，最终改变单位时间内推进 气体的流量，从而实现〇?10mN推力的连续可调，以满足微小卫星和导弹精密定轨对微推 进系统的要求。而电磁阀仅仅起到开关的作用，无法改变流量大小，采用其作为作动器的推 力器产生的推力为固定值。
[0015] (4)功耗低。利用压电叠堆的形变对电压变化敏感的特性，本发明在瞬态工作时功 率很低，约为1. 〇?2. 0W之间；利用压电叠堆在电原理上等同于电容的特性，在稳态推进过 程中，电路中的电流为零，因此它在稳态工作时功率为0W，不耗能，可以将节省下来的能量 供给给卫星其它耗能部件，而电磁阀推力器在稳态工作时，功耗平均为4W左右。
[0016] (5)使用寿命长。电磁阀开关使用寿命平均为10万?20万次，而压电式开关使用 寿命平均达到100万次。
[0017] (6)本发明压电式微推力器中的进气口、外壳、阀芯、阀座和调整环的制作材料为 轻质金属，例如钛合金TC4,减轻了推进器的质量，并且结构简单、体积小，可为微小卫星节 省更多的质量和体积空间。
[0018] 总之，用压电叠堆代替电磁元件研制新型的压电式推力器，对微推进技术发展具 有重要意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是本发明压电式微推力器内部结构剖视图
[0020] 图2是本发明压电式微推力器外观立体示意图
[0021] 图3是本发明中过滤器的示意图
[0022] 图4是本发明中垫片弹簧外观立体示意图
[0023] 图5是本发明中阀芯外观立体示意图
[0024] 图6是本发明中复位弹簧片外观立体示意图
[0025] 图7是本发明中阀芯工作原理示意图
[0026] 图8是本发明中压电式微推力器的气体流路示意图
【具体实施方式】
[0027] 下面结合工作原理和附图对本发明的压电式微推力器做进一步说明。在此需要说 明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
[0028] 该压电驱动装置利用压电叠堆在电场作用下产生形变的特性，结合复位弹簧片和 垫片弹簧的作用推动T型阀芯运动，实现推力器的开关作用。本发明压电式微推力器的工 作原理为：在给定电压下，压电叠堆沿微推力器轴向将增加微小尺度，推动阀芯向进气口方 向运动，并挤压复位弹簧片和垫片弹簧使其发生形变，此时阀芯头部与调整环和阀座表面 分离，形成气体流路，从进气口进来的气体，流经过滤器、阀芯内部空腔，经由阀芯侧壁上的 小孔，流入阀芯与调整环之间的间隙，最后经喷管喷出；当电压为零时，压电叠堆将恢复原 始长度，阀芯在复位弹簧片的作用下将向喷嘴方向运动，使阀芯头部与调整环和阀座表面 贴合，实现密封，关闭气体流道。因此在脉冲电源作用下，压电叠堆产生的微位移以脉冲形 式变化，在复位弹簧片和垫片弹簧共同作用下驱动阀芯左右移动：当阀芯向进气口方向移 动时，则气路打开，气流喷出，反之阀芯与调整环和阀座紧贴在一起，气路断开，喷气停止， 从而实现微推力器的开关控制。
[0029] 各部件工作原理详述如下：
[0030] (1)压电叠堆工作原理
[0031] 压电叠堆是由多片压电陶瓷组成，在电路上并联在一起，即每片陶瓷上的电压相 同。陶瓷片间为绝缘玻璃，内部无胶粘附件，是通过固态烧结工艺制作而成。由于极化方 向是沿压电叠堆的轴线方向，因此压电叠堆的轴向位移相当于所有陶瓷片轴向位移量的总 和。
[0032] 定义S(单位：米）是每片压电陶瓷的纵向厚度尺寸；n是压电陶瓷中包含的压电 陶瓷的片数；1 (单位：米）是压电叠堆的长度；d(单位：米/伏特）是压电陶瓷的压电系 数之一，它反映了材料的压电性质；以上四个参数均为已知参数；V(单位：伏特）是输入电 压；AS(单位：米）是单片压电陶瓷的轴向变形量；A1 (单位：米）是压电叠堆的轴向总 变形量。
【权利要求】
1. 一种压电式微推力器，其特征在于：它包括进气口（1)、过滤器（4)、压电驱动装置、 调整环（11)、阀座（9)、基座（12)、密封环（10)和喷嘴（13);以上部件均为同轴结构，且被 外壳（2)包裹；外壳（2)上有设置有压电叠堆（7)电极的电源接口，用于接入输入电压； 所述电驱动装置包括压电叠堆（7)、T型阀芯（6)、复位弹簧片（5)、垫片弹簧（8);压电 叠堆（7)为圆筒形，夹持在T型阀芯（6)的底座和垫片弹簧（8)中间；T型阀芯（6)的底座 在进气端，垫片弹簧（8)在喷气端；复位弹簧片（5)位于阀芯底座另一侧，起支撑作用；垫 片弹簧（8)和复位弹簧片（5)中心开有圆孔；T型阀芯（6)由底座和凸出的芯体组成，芯体 从压电叠堆（7)中心空腔和垫片弹簧（8)中心圆孔穿过，在电压为零时，其头部与调整环 (11)和阀座（9)的表面贴合，形成密封；T型阀芯（6)、阀座（9)和调整环（11)均为金属材 料，所述密封为金属密封；T型阀芯（6)中心轴线处为空腔，空腔一端封闭，一端开口，口部 朝向进气端，芯体侧壁有数个小孔与空腔连通。
2. 根据权利要求1所述的压电式微推力器，其特征在于：所述复位弹簧片和垫片弹簧 都采用双层串联碟簧设计。
3. 根据权利要求1所述的压电式微推力器，其特征在于：所述T型阀芯（6)芯体靠近 阀座（9) 一端部分设计成圆台形状，其圆台中轴面母线之间的夹角介于25°至60°之间。
4. 根据权利要求1所述的压电式微推力器，其特征在于：所述进气口、外壳、阀芯、阀座 和调整环制作材料为密度低于4. 5kg/m3,抗拉强度高于600MPa的轻质金属。
5. 根据权利要求1所述的压电式微推力器，其特征在于：所述过滤器、复位弹簧片和垫 片弹簧制作材料为冲击强度高于306J/m的金属。
【文档编号】B64G1/40GK104443437SQ201410746564
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】黄敏超, 刘昆, 邢宝玉, 杜运良, 熊森 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学