[发明专利]一种压电式微推力器

说明书

技术领域

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

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

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。

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。

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。

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。

所述复位弹簧片和垫片弹簧都采用双层串联碟簧设计。

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。

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。

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。

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：

(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。