CN116620568B - 微小型卫星装置及其推力器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种微小型卫星装置及其推力器，其中推力器包括壳体、阀芯以及压电陶瓷单元。壳体内部围出有腔室，阀芯具有第一端以及第二端，在第一端处由弹性元件弹性支撑于腔室中，压电陶瓷单元设置于腔室中，与阀芯可传动连接。其中，第二端的端部设置成第一锥面，出口与第一锥面相对的一侧设置成第二锥面；压电陶瓷单元未作动时，阀芯由弹性元件支撑，以使第一锥面与第二锥面贴合；当压电陶瓷单元作动时，能够驱使阀芯朝向远离出口作动，此时弹性元件被弹性压缩，第一锥面与第二锥面之间限定出允许流体通过的开口。通过本推力器能够提升推力调节的精度，以满足高精度的探测需求。

Description

微小型卫星装置及其推力器

技术领域

本发明涉及推进装置领域，尤其涉及一种微小型卫星装置及其推力器。

背景技术

引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波。引力波提供了有别于电磁波的一个全新的观测宇宙的重要窗口，成为人类探索和认识未知世界的新的重要途经和手段。目前国际上已经开展了相关空间引力波探测活动，国内也正在逐步开展相关技术研究与攻关。

微小型卫星又称为微小卫星，是指重量在1000千克以下的人造卫星，是空间探索活动的重要装置。冷气推力器具有简单可靠的特点，目前常备用作为微小卫星的动力推进装置。目前的冷气推力器常采用电磁驱动以产生推力，然而发明人发现，现有的冷气推力器还存在出气量调节精度不高的问题，难以满足如引力波探测等高精度需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种推力器，能够提升推力调节的精度，以满足高精度的探测需求。

为实现前述目的的推力器，其包括：

壳体，内部围出有腔室，所述腔室具有进口以及出口；

阀芯，具有第一端以及第二端，所述阀芯在所述第一端处由弹性元件弹性支撑于所述腔室中；以及

压电陶瓷单元，设置于所述腔室中，与所述阀芯可传动连接；

其中，所述第二端的端部设置成第一锥面，所述出口与所述第一锥面相对的一侧设置成第二锥面；所述压电陶瓷单元未作动时，所述阀芯由所述弹性元件支撑，以使所述第一锥面与所述第二锥面贴合；当所述压电陶瓷单元作动时，能够驱使所述阀芯朝向远离所述出口作动，此时所述弹性元件被弹性压缩，所述第一锥面与所述第二锥面之间限定出允许流体通过的开口。

在一个或多个实施例中，所述阀芯沿其延伸方向依次具有第一段、第二段以及第三段，所述第一段具有所述第一端，所述第三段具有所述第二端；

所述第一段的外径大于所述第二段的外径，所述第二段的外径大于所述第三段的外径，所述第一段与所述第二段之间设置有朝向所述第二段逐渐内收的第一过渡段，所述第二段与所述第三段之间设置有朝向所述第二段逐渐内收的第二过渡段。

在一个或多个实施例中，所述第一段外周设置有外套件，所述外套件具有环形缺口，所述压电陶瓷单元环设于所述环形缺口中。

在一个或多个实施例中，所述压电陶瓷单元由至少两块压电陶瓷片串联而成。

在一个或多个实施例中，所述壳体在所述出口处开设有第一通孔，所述第一通孔内设置有内置件，所述内置件可拆卸地装配于所述第一通孔中，所述内置件中设置有第二通孔；

其中，所述第二锥面为所述第二通孔的一部分。

在一个或多个实施例中，所述第一通孔包括第一孔段、第二孔段以及第三孔段，所述第二孔段的内径分别小于所述第一孔段的内径以及所述第三孔段的内径，所述第三孔段自所述第二孔段朝向所述壳体外侧渐扩地开设，所述内置件设置于所述第一孔段中；

所述第二通孔呈文丘里孔结构，所述第二通孔的进口段配置为所述第二锥面；

其中，所述第二通孔、所述第二孔段以及所述第三孔段共同限定出所述出口。

在一个或多个实施例中，所述壳体包括上壳体、下壳体以及盖板，所述上壳体与所述下壳体，所述下壳体与所述盖板分别通过紧固件连接；

其中，所述下壳体以及所述盖板中开设有所述第一通孔，所述上壳体中开设有所述进口。

在一个或多个实施例中，所述上壳体中开设有至少一个连接口，外部接头通过所述连接口连接所述上壳体，所述连接口处设置有密封圈。

在一个或多个实施例中，所述弹性元件为螺旋弹簧。

另一方面，根据本申请的一些实施例还提供了一种微小型卫星装置，其包括微小型卫星本体以及推力器，所述推力器为如前所述的推力器；

当气流通过所述开口时，能够为所述微小型卫星本体产生推进力。

本发明的有益效果在于：

相较于传统推力器中，平面结构的阀芯端部难以精准调节出口气流的大小。本推力器中通过第一锥面与第二锥面限定出的开口大小将视第一锥面与第二锥面沿阀芯轴向(即阀芯的长度延伸方向)的距离而变大或缩小，从而能够实现对通过开口处喷出流体大小进行精准调节。与此同时，结合压电陶瓷单元作为阀芯的驱动元件，能够实现对阀芯进行纳米级高精度运动控制，配合上第一锥面与第二锥面，从而能够实现提升推力调节的精度，以满足高精度的探测需求。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本申请一些实施例的推力器的俯视示意图；

图2为图1的A-A剖视示意图；

图3为图2的B部局部放大示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

为了解决现有微小卫星推进装置中，对于推力调节的精度不足问题，申请人阀芯，通过提供一种具有新构型的推力器能够解决前述问题。

如图1示出了根据本申请一些实施例的推力器的俯视示意图，图2为图1的A-A剖视示意图，图3为图2的B部局部放大示意图。

如图所示，推力器包括壳体1、阀芯2以及压电陶瓷单元3，其中壳体1内部围出有腔室10，腔室10具有进口101以及出口102。阀芯2具有第一端21以及第二端22，阀芯2在第一端21处由弹性元件4弹性支撑于腔室10中。压电陶瓷单元3设置于腔室10中，与阀芯2可传动连接。

其中，如图3所示，第二端22的端部设置成第一锥面220，可以理解的是，图中所示的为剖视示意图，其中展示出第一锥面220在剖切平面中呈现近似V字形结构，事实上，第一锥面220呈朝向一侧收缩的圆环锥面。

与第一锥面220对应地，出口102中与第一锥面220相对的一侧设置成第二锥面1020。当压电陶瓷单元3未作动时，阀芯2由弹性元件4支撑，以使第一锥面220与第二锥面1020贴合，此时，出口102封闭，腔体10中的如气流等工质无法自出口102处流出。当压电陶瓷单元3作动时，能够驱使阀芯2朝向远离出口102作动，此时弹性元件4被弹性压缩，第一锥面220与第二锥面1020之间限定出允许流体通过的开口，从而产生推力。

相较于传统推力器中，平面结构的阀芯端部难以精准调节出口气流的大小。本推力器中通过第一锥面220与第二锥面1020限定出的开口大小将视第一锥面220与第二锥面1020沿阀芯2轴向(即阀芯2的长度延伸方向)的距离而变大或缩小，从而能够实现对通过开口处喷出流体大小进行精准调节。与此同时，结合压电陶瓷单元3作为阀芯2的驱动元件，能够实现对阀芯2进行纳米级高精度运动控制，配合上第一锥面220与第二锥面1020，从而能够实现提升推力调节的精度，以满足高精度的探测需求。

经验证，采用具有本构型的推力器能够达到微牛级推力和0.1uN的推力分辨率，推力范围可以达到0-250uN。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请继续参见图2以及图3，在本推力器的一个或多个实施例中，阀芯2沿其延伸方向依次具有第一段201、第二段202以及第三段203，第一段201具有第一端21，第三段203具有第二端22。第一段201的外径大于第二段202的外径，第二段202的外径大于第三段203的外径，第一段201与第二段202之间设置有朝向第二段202逐渐内收的第一过渡段204，第二段202与第三段203之间设置有朝向第二段202逐渐内收的第二过渡段205。如此设置，能够给使得阀芯2的外径是由大至小逐渐变化地，以便于加工。与此同时，具有较大外径的第一段201以及第二段202可以具有对阀芯2的位置进行粗定位的作动，以降低装配难度。

在本推力器的一个或多个实施例中，第一段201的外周设置有外套件5，外套件5具有环形缺口50，压电陶瓷单元3环设于环形缺口50中，通过外套件5卡设于阀芯2的外周，从而当压电陶瓷单元3作动时，能够通过外套件5带动阀芯2产生位移。

在本推力器的一个或多个实施例中，压电陶瓷单元3由至少两块压电陶瓷片30串联而成，从而能够驱使阀芯2产生更大的位移，如图中所示结构中，压电陶瓷单元3由两块压电陶瓷片30串联而成，可以理解的是，视需求可以将压电陶瓷单元3采用更多片数的压电陶瓷片30串联。

在本推力器的一个或多个实施例中，壳体1在出口102处开设有第一通孔11，第一通孔11内设置有内置件13，内置件13可拆卸地装配于第一通孔11中，内置件13中设置有第二通孔12，其中第二锥面1020为第二通孔12的一部分。通过将内置件13可拆卸地设置于第一通孔11内，从而使得在装配过程中，可以微调内置件13的位置，以实现与阀芯2的配合，从而简化装配，同时，也可以根据需求更换不同的内置件13，以实现对于推力器应用场景的拓展。

在本推力器的一个或多个实施例中，第一通孔11包括第一孔段111、第二孔段112以及第三孔段113，第二孔段112的内径分别小于第一孔段111的内径以及第三孔段113的内径，第三孔段113自第二孔段112朝向壳体1的外侧渐扩地开设，内置件13设置于第一孔段111中。第二通孔12是如图3所示，呈先渐收后渐扩的文丘里孔结构，第二通孔12朝向壳体1内侧的进口段配置为第二锥面1020。其中，第二通孔12、第二孔段112以及第三孔段113共同限定出出口102。

在一个具体的实施例中，如图3所示，第二锥面1020朝向壳体1内侧还具有配合孔14，配合孔14的内径略大于第三段203的外径，通过配合孔14与阀芯2的第三段203之间可对阀芯2的位置进行粗定位，以便于装配。

在一个具体的实施例中，如图2所示，壳体1包括上壳体15、下壳体16以及盖板17，上壳体15与下壳体16，下壳体16与盖板17分别通过紧固件连接，从而便于拆卸，以将内置件13装配进下壳体16中。其中，下壳体16以及盖板17中开设有第一通孔11，上壳体15中开设有进口101。

在一个具体的实施例中，上壳体15的进口101中设置有快插接头61，快插接头61中设置有允许气流通过的通孔。

在一个具体的实施例中，上壳体15中开设有至少一个连接口，外部接头通过连接口连接上壳体15，连接口处设置有密封圈。如图1所示，设置于上壳体15连接口中的为航插密封座62。

在一个具体的实施例中，下壳体16中设置有驱动总成63，在驱动总成63上设置有支撑板64，支撑板64与驱动总成63通过紧固件连接，弹性元件4支撑于支撑板64上。在一个具体的实施例中，支撑板64中设置有螺纹孔，螺纹孔内设置有调节螺钉65，弹性元件4设置于调节螺钉65上，通过旋动调节螺钉65能够调节弹性元件4对阀芯2支撑的弹性力，从而能够更为精准地对阀芯2的作动进行调节。

在一个具体的实施例中，弹性元件4为螺旋弹簧。

另一方面，根据本申请的一些实施例还提供了一种微小型卫星装置，其包括微小型卫星本体以及推力器，推力器为如前一个或多个实施例中所记载的推力器；当气流通过开口时，能够为微小型卫星本体产生推进力。

本推力器结构简单可靠，加工装配方便，适合批量生产，且推力器性能能够满足引力波探测的高精度控制需求。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种推力器，其特征在于，包括：

壳体，内部围出有腔室，所述腔室具有进口以及出口；

阀芯，具有第一端以及第二端，所述阀芯在所述第一端处由弹性元件弹性支撑于所述腔室中；以及

压电陶瓷单元，设置于所述腔室中，与所述阀芯可传动连接；

其中，所述第二端的端部设置成第一锥面，所述出口与所述第一锥面相对的一侧设置成第二锥面，所述第一锥面和所述第二锥面限定出的开口大小将视所述第一锥面和所述第二锥面沿所述阀芯轴向的距离而变大或缩小；

所述压电陶瓷单元未作动时，所述阀芯由所述弹性元件支撑，以使所述第一锥面与所述第二锥面贴合；当所述压电陶瓷单元作动时，能够驱使所述阀芯朝向远离所述出口作动，此时所述弹性元件被弹性压缩，所述第一锥面与所述第二锥面之间限定出允许流体通过的开口；

所述壳体包括上壳体、下壳体；

所述下壳体设有驱动总成，在所述驱动总成上设置支撑板，所述支撑板与所述驱动总成通过紧固件连接，所述弹性元件支撑于所述支撑板上，所述支撑板中设置有螺纹孔，所述螺纹孔内设置有调节螺钉，所述弹性元件设置于调节螺钉上，通过旋动所述调节螺钉调节所述弹性元件对所述阀芯支撑的弹性力；

所述壳体在所述出口处开设有第一通孔，所述第一通孔内设置有内置件，所述内置件可拆卸地装配于所述第一通孔中，所述内置件中设置有第二通孔；

其中，所述第二锥面为所述第二通孔的一部分；所述第一通孔包括第一孔段、第二孔段以及第三孔段，所述第二孔段的内径分别小于所述第一孔段的内径以及所述第三孔段的内径，所述第三孔段自所述第二孔段朝向所述壳体外侧渐扩地开设，所述内置件设置于所述第一孔段中；所述第二通孔呈文丘里孔结构，所述第二通孔的进口段配置为所述第二锥面；

其中，所述第二通孔、所述第二孔段以及所述第三孔段共同限定出所述出口。

2.如权利要求1所述的推力器，其特征在于，所述阀芯沿其延伸方向依次具有第一段、第二段以及第三段，所述第一段具有所述第一端，所述第三段具有所述第二端；

所述第一段的外径大于所述第二段的外径，所述第二段的外径大于所述第三段的外径，所述第一段与所述第二段之间设置有朝向所述第二段逐渐内收的第一过渡段，所述第二段与所述第三段之间设置有朝向所述第二段逐渐内收的第二过渡段。

3.如权利要求2所述的推力器，其特征在于，所述第一段外周设置有外套件，所述外套件具有环形缺口，所述压电陶瓷单元环设于所述环形缺口中。

4.如权利要求3所述的推力器，其特征在于，所述压电陶瓷单元由至少两块压电陶瓷片串联而成。

5.如权利要求1所述的推力器，其特征在于，所述壳体还包括盖板，所述上壳体与所述下壳体，所述下壳体与所述盖板分别通过紧固件连接；

其中，所述下壳体以及所述盖板中开设有所述第一通孔，所述上壳体中开设有所述进口。

6.如权利要求5所述的推力器，其特征在于，所述上壳体中开设有至少一个连接口，外部接头通过所述连接口连接所述上壳体，所述连接口处设置有密封圈。

7.如权利要求1所述的推力器，其特征在于，所述弹性元件为螺旋弹簧。

8.一种微小型卫星装置，其特征在于，包括微小型卫星本体以及推力器，所述推力器为如权利要求1至7任一项所述的推力器；

当气流通过所述开口时，能够为所述微小型卫星本体产生推进力。