CN1204019C - 微小型一体结构冷气推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于精密机械和航天推进技术中微型流体控制元件范围的一种微小型一体结构冷气推进器。其减压器、截断阀两部分以共用底板、中板、顶板和密封薄膜而组成一体化结构，微小型平面喷管直接加工在截断阀的气体出口附近。用弹性薄膜和板簧结构代替传统减压器中的弹簧或活塞来实现高压气体的减压和稳压，不需要外装配，简化了结构和加工装配工艺、采用滚动式滚珠阀芯的截断原理提高截断阀的控制压力，并借助永磁吸力提供截断阀的密封压紧力和致动器的回复力，结构简单，仅需改变磁极和滚珠阀芯的装配位置，就能将阀门组态为常开或常闭不同类型，使用更加灵活。进一步减小了器件尺寸，提高集成度和控制精度。
Description
技术领域
本发明属于精密机械和航天推进技术中微型流体控制元件范围，特别涉及一种微小型一体结构冷气推进器。
背景技术
推进器是航天技术中一种重要的致动器，工作时以很高的速度将工作物质(气体或离子)喷出喷管，通过喷出物对推进器及其载体的反冲量提供推动力；按工作原理可分为电推进、化学推进和冷气推进等。除发射用的运载火箭外，航天器上通常也配备有推进器组作为位置和姿态控制系统。小型化是目前航天器发展的重要趋势，特别是出现了总重量在20kg甚至1kg以下的小卫星，比传统卫星小1～3个数量级，这就要求轨控和姿控推进器与小卫星总体设计相匹配，减小推进器的重量、尺寸和功耗，并提高其控制精度，即减小其冲量输出单位和最小推力。这就是微小型推进技术的研究目标。
完整冷气推进系统包括工质贮箱(高压气体或低沸点液态工质)、减压器、电控阀门、喷管、驱动电路；有些还配有压力或流量传感器。工质由气源流出，被减压器减压后，经电控阀和喷管喷出形成推力。其中的电控阀门采用截断阀，推进器上作在持续开/关或者脉冲状态；电控截断阀的接通时间决定了每次推进过程的持续时间和冲量大小。
传统的位置和姿态控制用冷气推进器存在下述问题：
1.现有的弹簧式或活塞式减压器结构复杂，不利于微小型化。
2.普通的截断阀根据启闭件的受力特征和致动方向可以分为如下几种：1)启闭件运动方向与流体压力方向平行，如截止阀和隔膜阀，启/闭动作时流体压力直接由致动器克服，阻力很大；2)在启闭件运动方向与流体压力方向垂直，如闸阀、旋塞阀、柱塞阀和球阀，启/闭动作时致动器克服的是阀芯与阀座之间的滑动摩擦力，并且密封副面积大，若为保证密封效果，在密封副内填加密封填料或增大密封预紧力，会造成滑动摩擦力很大，反之，则不能避免泄漏，特别是气体阀门；3)流体压力在启闭件上的作用是力平衡的，如蝶阀，结构比较复杂。
由于上述特点，在微小型化过程中将遇到的困难包括：1)所需致动力较大，而致动器小型化后能量密度有限，额定工作压力很低，不能满足推进系统要求；2)密封效果不易保证，这是因为密封填料的装配工艺和较高的配合精度在微小尺寸构件的加工和装配中不易实现；3)结构不紧凑，不易微型化。
3.总体设计方面，传统的冷气推进系统采用各部件分别制作之后装配连接的方式。气源、减压器、阀门、喷管之间的装配结构和连接管道增大了系统的尺寸和重量；同时增加了系统的死区容积，降低了控制精度和动态响应速度。
4.现有减压器和电控阀具有复杂的立体结构特征，而且推进系统的总体设计方法也不能与硅工艺、LIGA工艺等平面微细工艺兼容，限制了推进系统进一步微型化和阵列设计的可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种微小型一体结构冷气推进器，由微小型减压器、滚动式滚珠阀芯截断阀和微小型平面喷管组成，其特征在于：所述微小型减压器和截断阀并列布置，两部分以共用底板1、中板3、顶板6和密封薄膜4而组成一体化结构；预紧板簧5位于顶板6和密封薄膜4之间，密封薄膜4在中板3上表面，稳压薄膜2在底板1和中板3之间，上述各部件均为平面结构，在各层间的结合表面上为高分子柔性介质薄膜21；顶板6中开有减压器的高压气源入口11，密封阀芯12置于预紧板簧5和密封薄膜4之间对准中板3上的阀口；减压阀芯14位于减压腔15内，在稳压薄膜2和密封薄膜4之间，稳压薄膜2和减压腔15集成在顶板6上；减压腔15的侧壁上设有低压气体出口16；调压螺母13安装在底板1中，正对减压阀芯14，调节稳压薄膜2的预变形，即调节减压器的减压腔15输出气压；一弹性梁支撑20固定在中板3上，和顶板6和中板3装配在一起；气体入口18通过中板3上的平面管道17，与减压器的低压气体出口16相连；滚珠导轨7在滑板8的两边；固定在顶板6和滑板8内的永磁钢9相互吸引，滑板8把滚珠阀芯10压紧在密封薄膜4和气体入口18上；平面喷管19在中板3上表面，位于截断阀出口处。
所述高分子柔性介质薄膜21为液态硅橡胶材料如KE103，或者聚酰亚胺。
本发明的有益效果是：
1.以弹性膜而不是普通弹簧作为减压器中的预紧和调压的弹性元件；这些薄膜同时作为各零件装配面之间的密封材料，这种改进简化了结构和加工装配工艺，特别是省去了弹簧及其连接件，大大减小了减压器的纵向尺寸，易于小型化。
2.滚动式滚珠阀芯截断阀采用滚珠阀芯，且阀芯以滚动方式移动，阀芯的致动方向与流体压力方向垂直，致动器动作不需要直接克服流体压力和滑动阀芯滑动摩擦阻力，对于相同的流体压力，可以采用体积更小的致动器，或者对于相同的致动器，额定工作压力更高；阀门关闭状态下，密封面积小，局部压强大，保证了密封的可靠性；
3.滚动式滚珠阀芯截断阀采用永磁吸引力提供密封压紧，磁力为非接触作用，省去了弹性元件及其安装结构，结构简单，而且永磁压紧力同时为致动器提供了横向恢复力；在阀门关闭状态下，滚珠阀芯落在阀口中，磁极间距最小，压紧力最大，有利于密封，而在阀门开启状态下，滚珠阀芯离开阀口，磁极间距变大，压紧力和滚动摩阻相应减小，有利于致动器的可靠动作；并且仅需改变磁极和滚珠阀芯的装配位置，就能将阀门组态为常开或常闭的不同类型，使用更加灵活。
4.采用悬涂工艺在各层间的结合表面上制作高分子柔性介质薄膜，保证阀芯与阀座之间的可靠密封，同时充当层间密封介质防止外泄漏。
5.减压器、滚动式滚珠阀芯截断阀和喷管等主要部件为一体化设计，其优点在于省去了装配结构和管道连接，减小了系统的重量尺寸；此外由于缩减了连接管道，系统死区容积大大减小，可以提高系统的控制精度和动态响应速度。
6.系统的主要部件为平面结构，易于向平面微细工艺移植，而且，在平面微细工艺的微型一体结构冷气推进器中，各腔体、管道、弹性薄膜和弹性梁、减压阀芯和密封阀芯等都与其他结构集成为一体，不需要外装配，进一步减小了器件尺寸，提高集成度和控制精度。
附图说明
图1a为精密机械加工工艺的小型一体结构冷气推进器的结构示意图。
图1b为图1a的A-A剖视图。
图2a为平面微细工艺的微型一体结构冷气推进器的顶板结构示意图。
图2b为平面微细工艺的微型一体结构冷气推进器的中板结构示意图。
图2c为平面微细工艺的微型一体结构冷气推进器的底板结构示意图。
图2d为平面微细工艺的微型一体结构冷气推进器的装配图。
图3a为平面结构的微小型减压器的密封阀芯关闭状态结构示意图。
图3b为平面结构的微小型减压器的密封阀芯开启状态结构示意图。
图4a为滚动式滚珠阀芯截断阀阀门关闭状态结构示意图。
图4b为滚动式滚珠阀芯截断阀阀门开启状态结构示意图。
图4c为图4a的A-A剖视图，即滚动式滚珠阀芯截断阀的密封压紧和滑板导向结构。
具体实施方式
本发明为微小型一体结构冷气推进器，由平面结构微小型减压器、滚动式滚珠阀芯截断阀和微小型平面喷管组成。根据所设计冷气推进器的尺寸和推力的大小不同，需要采用不同的加工装配工艺，相应的结构细节和特点也有所差异。图1所示为采用精密机械加工工艺制作的40mm小型一体结构冷气推进器，；图2所示为采用平面微细工艺制作的5mm微型一体结构冷气推进器，，其中图2(a)、图2(b)、图2(c)为其分层结构示意图，图2(d)为其装配图。
图1所示为40mm的小型一体结构冷气推进器，其减压器和截断阀两部分共用底板1、中板3、顶板6和密封薄膜4组成一体化结构。密封薄膜4在中板3上表面。减压器的稳压薄膜2同时作为底板1和中板3之间的密封填料。预紧板簧5位于顶板6和密封薄膜4之间。底板1、中板3、顶板6、稳压薄膜2、密封薄膜4和预紧板簧5均为平面结构，减压器和滚动式滚珠阀芯截断阀并列布置。对于减压器部分而言，顶板6作为底座，中板3作为阀座，底板1作为阀盖；顶板6中为减压器开有高压气源入口11，密封阀芯12置于预紧板簧5和密封薄膜4之间，对准阀座(中板3)上的阀口；减压阀芯14位于减压腔15内，稳压薄膜2和密封薄膜4之间；减压腔15的侧壁上设有低压气体出口16；稳压薄膜2夹在底板1和中板3之间，调压螺母13安装在底板1中，正对减压阀芯14，用于调节稳压薄膜2的预变形，从而改变减压腔15内的稳定气压值，即调节减压器的输出气压。对于滚动式滚珠阀芯截断阀部分而言，顶板6作为阀盖，中板3作为阀座，底板1作为底座；阀座内的气体入口18通过中板3上的平面管道17，与减压器的低压气体出口16相连；滚珠导轨7在滑板8的两边；固定在顶板6和滑板8内的永磁钢9相互吸引，因此滑板8把滚珠阀芯10压紧在密封薄膜4和气体入口18上；密封薄膜4将阀座(中板3)内的流体和阀盖(顶板6)隔开；平面喷管19加工在中板3上表面，位于截断阀出口处。
图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示为5mm的平面微细工艺加工的微型一体结构冷气推进器，其减压器和截断阀两部分共用底板1、中板3、顶板6三层，该底板1、中板3、顶板6为平面结构，将各腔体、管道、弹性梁和弹性薄膜、减压阀芯和密封阀芯集成在各层上，不需要外装配。对于减压器部分而言，顶板6和中板3组合形成阀座，底板1则作为底座和高压气源入口11；预紧板簧5、密封阀芯12和高压气源入口11集成在底板1上；稳压薄膜2和减压腔15集成在顶板6上；减压阀芯14分成两部分，上半部在顶板6内并与稳压薄膜2集成在一起，位于减压腔15中央，下半部通过一弹性梁支撑20固定在中板3上，在顶板6和中板3装配在一起后，这两半部分之间产成弹性预压力，作为减压阀芯14整体移动；减压腔15与减压阀芯14的高度差决定了减压器输出压力，因此不需要为减压器设置阀盖和调压结构；减压腔15内的低压气体通过中板3上的低压气体出口16和底板1上的平面管道17导出到截断阀；对于截断阀部分而言，顶板6、中板3、底板1分别作为阀盖、阀座和底座；底板1上表面的平面管道17将减压器的低压气体出口16和截断阀的气体入口18联通；密封薄膜4集成在顶板6的下表面，其上装配有滚珠阀芯10，通过该密封薄膜4压紧或者打开气体入口18，实现该截断阀的截断/开启；滚珠阀芯10、滚珠导轨7、滑板8、永磁钢9和致动器外置。采用悬涂工艺在各层间的结合表面上制作高分子柔性介质薄膜21，保证阀芯与阀座之间的可靠密封，同时充当层间密封介质防止外泄漏。平面喷管19位于中板3的上表面、截断阀出口处。
所述高分子柔性介质薄膜21为液态硅橡胶材料(如KE103)或者聚酰亚胺等。
图2(a)、图2(b)、图2(c)所示的三层平面部件可采用硅工艺或者LIGA工艺制作。如果采用硅工艺，基底材料是单晶硅，采用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺加工腔体和管道，并结合牺牲层工艺实现中层板上减压阀芯的弹性梁支承结构(见图2b-中板结构)。如果采用LIGA工艺，材料是金属铜或镍，利用多层电铸工艺(对本设计为三层电铸)形成各腔体和管道、稳压薄膜、密封薄膜、预紧板簧和中层板上减压阀芯的弹性梁支承等结构。
图3所示为为平面结构的微小型减压器结构和工作原理示意图，是图1a的左半部分的倒置图，其工作原理如下。如图3(a)所示，当减压腔15内的压力等于或高于减压器调定压力时，稳压薄膜2被气压顶起，减压阀芯14被释放，密封阀芯12在预紧板簧5的作用下，将密封薄膜4压紧在阀座(中板3)的阀口上，阻断气流。如图3(b)所示，当减压腔15内的压力低于减压器调定压力时，不足以顶起稳压薄膜2，因为稳压薄膜2的弹性回复作用，减压阀芯14向下移动，顶开密封阀芯12，气流经过高压气源入口11、预紧板簧5和密封薄膜4上的开口、密封薄膜4与阀座(中板3)之间的缝隙进入减压腔15，使腔内压力提高。以上过程交替进行，使减压腔15内的压力稳定在调定压力附近；减压后的气体由低压气体出口16导出，并通过平面管道17进入滚动式滚珠阀芯截断阀的气体入口18(如图1所示)。减压腔15作用直径(即内径)远大于密封阀芯12的直径，因此，既使高压气源的输入压强变化范围很大，输出压力的波动依然很小。调节调压螺母13的位置，可以改变稳压薄膜2的预紧力，从而改变减压器的调定输出压力。
图4所示为滚动式滚珠阀芯截断阀的结构和工作原理原理示意图，是图1(a)的右半部分。其工作原理如下。滑板8与外接致动器相连(如图1b所示)，致动器的致动方向为水平左右。阀门的关闭状态如图4(a)所示，滚珠阀芯10位于阀座(中板3)上阀门气体入口18的正上方，滑板8通过滚珠阀芯10把密封薄膜4压紧在气体入口18上，隔断流体通道。阀门的开启状态如图4(b)所示。与图4(a)相比，外接致动器带动滑板8水平移动，而滚珠阀芯10也随之滚动离开气体入口18，密封薄膜4在自身弹性回复和气体压力的作用下，形成流体通道23，气体入口18和设置在中板3上表面并位于截断阀出口处的平面喷管19连通。
截断阀的密封压紧结构和滑板8的导向机构如图4(c)、图1(b)所示。在滑板8和顶板6上分别装有极性相反的永磁钢9，利用永磁吸引力将滚珠阀芯10压紧在密封薄膜4和阀座(中板3)上，实现阀门的截断和密封。两组永磁钢9对称于滚珠阀芯10布置，使得磁力的作用中心恰好落在滚珠阀芯10上，理想状态下没有不平衡力矩，以免影响致动器的正常工作。永磁吸引力在提供纵向压紧的同时，还能为致动器提供横向回复力；仅需改变磁极9和滚珠阀芯10的装配位置，就能将阀门组态为常开或常闭不同类型，使用更加灵活；滚珠导轨7的作用是为滑板8和外接致动器的纵向运动提供导向；并防止滑板8左右(按图4c视图方向定义)翻滚。
Claims (2)
1.一种微小型一体结构冷气推进器，由微小型减压器、滚动式滚珠阀芯截断阀和微小型平面喷管组成，其特征在于：所述微小型减压器和截断阀并列布置，两部分以共用底板(1)、中板(3)、顶板(6)和密封薄膜(4)而组成一体化结构；预紧板簧(5)位于顶板(6)和密封薄膜(4)之间，密封薄膜(4)在中板(3)上表面，稳压薄膜(2)在底板(1)和中板(3)之间，上述各部件均为平面结构，在各层间的结合表面上为高分子柔性介质薄膜(21)；顶板(6)中开有减压器的高压气源入口(11)，密封阀芯(12)置于预紧板簧(5)和密封薄膜(4)之间对准中板(3)上的阀口；减压阀芯(14)位于减压腔(15)内，在稳压薄膜(2)和密封薄膜(4)之间，稳压薄膜(2)和减压腔(15)集成在顶板(6)上；减压腔(15)的侧壁上设有低压气体出口(16)；调压螺母(13)安装在底板(1)中，正对减压阀芯(14)，调节稳压薄膜(2)的预变形，即调节减压器的减压腔(15)输出气压；一弹性梁支撑(20)固定在中板(3)上，和顶板(6)和中板(3)装配在一起；气体入口(18)通过中板(3)上的平面管道(17)，与减压器的低压气体出口(16)相连；滚珠导轨(7)在滑板(8)的两边；固定在顶板(6)和滑板(8)内的永磁钢(9)相互吸引，滑板(8)把滚珠阀芯(10)压紧在密封薄膜(4)和气体入口(18)上；平面喷管(19)在中板(3)上表面，位于截断阀出口处。
2.根据权利要求1所述微小型一体结构冷气推进器，其特征在于：所述高分子柔性介质薄膜为液态硅橡胶材料为KE103或者聚酰亚胺。
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