高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，包括閥體、設(shè)于閥體上用于控制徑向閥口工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的驅(qū)動部和執(zhí)行構(gòu)件，該驅(qū)動部包括位于閥口處且相對簧片設(shè)置的感應(yīng)驅(qū)動線圈及脈沖驅(qū)動電路，執(zhí)行構(gòu)件為扁平截錐殼狀簧片；簧片的內(nèi)沿固定，外部可沿軸向變形。本發(fā)明由于簧片的質(zhì)量小，在感應(yīng)渦流斥力作用下可實(shí)現(xiàn)閥的快速開啟；簧片的截錐殼狀結(jié)構(gòu)與普通平板式結(jié)構(gòu)相比，在外沿產(chǎn)生相同的變形時儲備的彈性勢能更大，因此可以實(shí)現(xiàn)快速閉合；感應(yīng)驅(qū)動線圈設(shè)計成扁平截錐狀螺旋結(jié)構(gòu)并相對簧片放置，可有效提高簧片中的電磁力密度；且驅(qū)動部和執(zhí)行構(gòu)件的組合形式使閥整體結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量極大減小，利于結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化。
【專利說明】
高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及空間探測電推力器領(lǐng)域，特別地，涉及一種高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類探索和利用太空的范圍拓展，以載人/無人火星運(yùn)送任務(wù)為代表的行星際深空探測任務(wù)，對電推力器提出了更長壽命、更高功率、更大推力、比沖及效率可變等新需求。以脈沖感應(yīng)式推力器(Pulsed Inductive Thruster ,PIT)為代表的脈沖式電磁加速推力器在面向未來的行星際深空探測任務(wù)分析中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，PIT的基本原理是將電能儲存在電容中，電容通過線圈放電產(chǎn)生峰值很大的脈沖電流，由脈沖電流產(chǎn)生的時變電磁場使處在線圈表面的氣體工質(zhì)電離并在等離子體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與線圈電流相互作用而使氣體高速噴射，從而產(chǎn)生推力。從PIT工作原理上看，氣體工質(zhì)在感應(yīng)線圈表面分布情況，影響感應(yīng)線圈放電時機(jī)選擇、推進(jìn)劑電離程度和加速過程，是推力器推力效率、比沖和推進(jìn)劑利用率的重要影響因素。脈沖式氣體工質(zhì)供給閥是脈沖感應(yīng)推力器的核心部件之一，其性能直接關(guān)乎推力器性能。從脈沖感應(yīng)推力器氣體工質(zhì)電離與加速過程看，要求由供給閥流出的氣體脈沖形成緊貼感應(yīng)線圈表面的均勻氣體層，同時該氣體層要達(dá)到一定的密度;從提高工質(zhì)利用率角度，氣體脈沖要足夠小，當(dāng)氣體脈沖后沿到達(dá)感應(yīng)線圈內(nèi)沿時，氣體脈沖前沿不能溢出加速線圈的外沿;在PIT重復(fù)脈沖工作時，前后兩個氣體脈沖間不能有任何拖拽。
[0003]綜上所述，結(jié)合太空應(yīng)用環(huán)境的特殊性，對于脈沖氣體供給閥的要求具體體現(xiàn)在以下幾方面:(I)能夠脈沖式工作，產(chǎn)生合適的氣體脈寬。(2)極快的動態(tài)響應(yīng)特性，在極短的時間內(nèi)完成開閉，因?yàn)榫€圈放電和氣體加速噴射過程的持續(xù)時間不大于20微秒，推力器最高工作頻率可達(dá)上萬赫茲。(3)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、性能穩(wěn)定且壽命長，因?yàn)樵撻y的應(yīng)用背景為行星際深空探測任務(wù)。
[0004]目前，PIT地面實(shí)驗(yàn)中采用的脈沖閥為固定磁場式的動圈式結(jié)構(gòu)，將筒狀動線圈置于由勵磁線圈/永磁體和磁軛形成的具有很強(qiáng)的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度(約1T)的環(huán)狀工作氣隙中。當(dāng)動圈通入電流時，與固定磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，通過改變動圈中電流方向?qū)崿F(xiàn)閥的開閉。由于所需的磁場強(qiáng)度大，勵磁線圈發(fā)熱嚴(yán)重，同時動圈骨架與密封膜片連接環(huán)的安裝問題尚未得到很好地解決。
[0005]高速脈沖氣體供給閥的關(guān)鍵技術(shù)在于驅(qū)動方式選擇和運(yùn)動執(zhí)行構(gòu)件設(shè)計。目前高速脈沖閥的驅(qū)動方式主要有電磁式、壓電式和超磁致伸縮式，各驅(qū)動方式適應(yīng)不同的工作要求。
[0006]由于壓電材料和超磁致伸縮材料形變量較小，在輸出相對較大的位移時需要較大的材料本體或采用放大機(jī)構(gòu)，同時壓電材料對溫度敏感，超磁致伸縮材料非線性嚴(yán)重，不適應(yīng)本應(yīng)用。目前，流量相對較大的、開閉時間在幾十、百微秒量級的氣體脈沖閥驅(qū)動方式均采用電磁感應(yīng)渦流動力式機(jī)構(gòu)，其工作原理為通入感應(yīng)線圈的脈沖電流在空間中產(chǎn)生瞬變磁場，處在磁場中的非鐵磁性金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流同線圈產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，這種驅(qū)動方式動作極快，結(jié)構(gòu)相對簡單。根據(jù)閥工作過程和用以產(chǎn)生渦流部件的特點(diǎn)，電磁感應(yīng)渦流致動的高速脈沖閥的典型結(jié)構(gòu)可概括為盤式結(jié)構(gòu)、滑動撞擊式結(jié)構(gòu)和膜片式結(jié)構(gòu)，具體如下:
[0007]I)金屬盤式結(jié)構(gòu)
[0008]該種結(jié)構(gòu)用來產(chǎn)生感應(yīng)渦流的部件為具有一定機(jī)械強(qiáng)度的高導(dǎo)電率金屬盤，一般為鋁或銅。當(dāng)感應(yīng)線圈通入脈沖電流時，金屬盤克服預(yù)緊力帶動密封使閥口開啟，實(shí)現(xiàn)氣體導(dǎo)通，隨著激勵脈沖的減弱，當(dāng)驅(qū)動力不足以克服回復(fù)力時，閥口開始閉合，阻斷流通，在此過程中金屬盤不產(chǎn)生彈性變形。此類型閥的關(guān)閉回復(fù)力主要是由壓縮的螺旋彈簧彈力或氣體壓力提供。
[0009]盤式結(jié)構(gòu)最主要的缺點(diǎn)是:為了實(shí)現(xiàn)密封，其可動部件的質(zhì)量偏大，直接影響其動態(tài)特性，也不利于形成固定或可調(diào)脈沖氣體寬度;此外，螺旋彈簧的非對稱性使得作用在金屬盤上的彈力不均勻，在進(jìn)行大量重復(fù)工作時會嚴(yán)重影響閥的密封效果和密封壽命;背壓盤式結(jié)構(gòu)雖然提供的回復(fù)力作用均勻，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要額外的高壓密封腔，使結(jié)構(gòu)偏大，同時存在滑動摩擦，不利于太空應(yīng)用。
[0010]2)滑動撞擊式
[0011 ]產(chǎn)生感應(yīng)渦流的部件為金屬圓環(huán)，施加激勵后，金屬圓環(huán)在脈沖磁場中感應(yīng)出渦流，經(jīng)加速后與密封結(jié)構(gòu)部件發(fā)生彈性碰撞，密封結(jié)構(gòu)獲得來自圓環(huán)的動能克服壓差形成的密封力使閥口打開，實(shí)現(xiàn)氣體流通;該種結(jié)構(gòu)的回復(fù)力一般由密封件兩側(cè)壓差形成的壓力提供。
[0012]滑動撞擊式結(jié)構(gòu)閥的缺點(diǎn)是:在反復(fù)脈沖式工作狀態(tài)下，采用彈性碰撞的方式會導(dǎo)致?lián)翦N和密封件破壞失效，不具備長壽命潛質(zhì);采用該驅(qū)動方式的閥對安裝方向有一定要求，在工作時金屬圓環(huán)應(yīng)緊貼感應(yīng)線圈，否則影響金屬環(huán)的加速效果，影響動態(tài)特性，若處在太空環(huán)境之中，很難保證工作時擊錘緊貼感應(yīng)驅(qū)動線圈。
[0013]3)平面金屬片式結(jié)構(gòu)
[0014]用以產(chǎn)生渦流的部件為彈性平面圓板金屬片，同時該金屬片也用來實(shí)現(xiàn)閥口密封。感應(yīng)線圈通入脈沖激勵后，金屬片會在電磁斥力的作用下產(chǎn)生彈性變形打開密封，實(shí)現(xiàn)閥口開啟。當(dāng)所受到的電磁斥力減小或消失時，金屬片所儲存的彈性勢能促使膜片恢復(fù)原來形狀，切斷流體流動，完成閥的閉合動作。
[0015]平面金屬片式結(jié)構(gòu)的流量由集氣腔的外緣周長和膜片在外緣的開啟位移決定，相對流量較大時，金屬片的外沿需要開啟較大位移，由于膜片儲存的彈性勢能有限，其閉合時的動態(tài)特性不理想。
[0016]針對目前國外脈沖感應(yīng)推力器實(shí)驗(yàn)中采用的氣體工質(zhì)脈沖供給閥的不足，以及現(xiàn)有的高速脈沖氣體閥存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動態(tài)響應(yīng)低、結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量偏大、不能連續(xù)穩(wěn)定脈沖工作等技術(shù)問題，亟需設(shè)計一種滿足脈沖感應(yīng)式推力器氣體供給需求的新型氣體供給閥。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明提供了一種高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥以解決現(xiàn)有的感應(yīng)式脈沖等離子體推力器中推進(jìn)劑脈沖供給閥的不足，以及現(xiàn)有的高速脈沖氣體閥存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動態(tài)響應(yīng)低、結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量偏大、不能連續(xù)穩(wěn)定脈沖工作的技術(shù)問題。
[0018]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0019]—種高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，包括閥體、設(shè)于閥體上用于控制其徑向閥口工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的驅(qū)動部和執(zhí)行構(gòu)件，驅(qū)動部包括位于閥口處且相對簧片設(shè)置的感應(yīng)驅(qū)動線圈及與感應(yīng)驅(qū)動線圈相連的脈沖驅(qū)動電路，感應(yīng)驅(qū)動線圈為扁平截錐狀螺旋結(jié)構(gòu);執(zhí)行構(gòu)件為簧片，簧片為扁平截錐殼狀且位于感應(yīng)驅(qū)動線圈之上，簧片的內(nèi)沿固定，其外沿可沿軸向變形以經(jīng)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)閥口的開閉動作，簧片與感應(yīng)驅(qū)動線圈之間設(shè)有與簧片外沿相作用緊密閥口且吸收閉合時簧片動能的密封片。
[0020]進(jìn)一步地，閥體包括主閥體、設(shè)于主閥體上端且用于限位及作為噴嘴安裝接口的上閥體、設(shè)于主閥體下端用于連接供氣管路的后蓋；
[0021 ]后蓋與主閥體之間形成穩(wěn)壓腔；
[0022]主閥體的上端面開設(shè)線圈安裝槽，感應(yīng)驅(qū)動線圈及密封片依次設(shè)于線圈安裝槽內(nèi)，簧片的內(nèi)沿間隙配合套設(shè)于上閥體上以限定其內(nèi)沿軸向及徑向自由度，簧片的外沿與密封片貼合形成閥口密封；
[0023]上閥體、簧片及主閥體間形成集氣腔，集氣腔與穩(wěn)壓腔連通。
[0024]進(jìn)一步地，線圈安裝槽的底部設(shè)有用于抑制渦流損耗的徑向溝槽。
[0025]進(jìn)一步地，感應(yīng)驅(qū)動線圈采用耐高溫環(huán)氧樹脂灌注在線圈安裝槽中，且密封片安裝在感應(yīng)驅(qū)動線圈之上。
[0026]進(jìn)一步地，感應(yīng)驅(qū)動線圈經(jīng)電極連接進(jìn)行脈沖時序控制的脈沖驅(qū)動電路。
[0027]進(jìn)一步地，脈沖驅(qū)動電路包括:時序控制單元、恒流充電單元、固態(tài)開關(guān)組件、脈沖功率開關(guān)組件、調(diào)波電阻、調(diào)波電感、儲能電容、整流二極管；
[0028]恒流充電單元的正極依次經(jīng)固態(tài)開關(guān)組件、脈沖功率開關(guān)組件、調(diào)波電阻、感應(yīng)驅(qū)動線圈、調(diào)波電感連接恒流充電單元的負(fù)極;固態(tài)開關(guān)組件與脈沖功率開關(guān)組件的連接處、恒流充電單元的負(fù)極之間接入儲能電容;恒流充電單元的負(fù)極、脈沖功率開關(guān)組件與調(diào)波電阻的連接處之間接入整流二極管；
[0029]固態(tài)開關(guān)組件及脈沖功率開關(guān)組件的控制端均連接時序控制單元以受時序控制單元驅(qū)動控制。
[0030]進(jìn)一步地，時序控制單元包括三支控制信號線，其中，第一控制信號線連接固態(tài)開關(guān)組件，第二控制信號線連接脈沖功率開關(guān)組件，第三控制信號線接入推力器放電開關(guān)組件。
[0031]進(jìn)一步地，感應(yīng)驅(qū)動線圈采用耐高溫的多股漆包線纏繞而成。
[0032]進(jìn)一步地，簧片采用高電導(dǎo)率鈹銅合金沖壓成型并經(jīng)時效處理而成。
[0033]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0034]本發(fā)明高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，采用渦流斥力原理驅(qū)動，執(zhí)行構(gòu)件采用內(nèi)沿固定的扁平截錐殼狀簧片，由于扁平截錐殼狀簧片的質(zhì)量小，相對其設(shè)置的感應(yīng)驅(qū)動線圈采用扁平截錐狀螺旋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)減少了簧片與感應(yīng)驅(qū)動線圈間的距離，在電磁斥力作用下可實(shí)現(xiàn)閥的快速開啟；其錐狀結(jié)構(gòu)與普通平面式結(jié)構(gòu)相比，在外沿產(chǎn)生相同的變形時儲備的彈性勢能更大，因此可以實(shí)現(xiàn)快速閉合響應(yīng)特性要求；同時感應(yīng)驅(qū)動線圈不需勵磁結(jié)構(gòu)，閥口閉合時所需的回復(fù)力由簧片的形變彈性勢能提供，不需額外的結(jié)構(gòu)提供回復(fù)力，可有效的減小閥的結(jié)構(gòu)尺寸和總質(zhì)量，且整體結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約發(fā)射成本;徑向出口方式減少了脈沖氣體流動過程中因流向改變帶來的能量損失;簧片材料為彈性材料，且工作過程中形變量小，結(jié)構(gòu)中不含滑動摩擦副等潛在影響壽命因素，結(jié)構(gòu)簡單可靠，能夠滿足性能穩(wěn)定性和長壽命要求。
[0035]除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【附圖說明】
[0036]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0037]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例脈沖驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]附圖標(biāo)記說明:
[0040]1、上閥體;2、螺釘;3、定位銷；
[0041]4、第一 O型密封圈；5、第二 O型密封圈;6、密封片；
[0042]7、第三O型密封圈；8、電極;9、氣體入口；
[0043]10、穩(wěn)壓腔；11、后蓋；12、主閥體；
[0044]13、集氣腔;14、感應(yīng)驅(qū)動線圈；15、簧片；
[0045]16、調(diào)波電感;17、整流二極管；
[0046]18、儲能電容;19、恒流充電單元；
[0047]20、固態(tài)開關(guān)組件;21、時序控制單元；
[0048]22、脈沖功率開關(guān)組件;23、調(diào)波電阻。
【具體實(shí)施方式】
[0049]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0050]參照圖1，本實(shí)施例提供一種高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，包括閥體、設(shè)于閥體上用于控制徑向閥口工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的驅(qū)動部和執(zhí)行構(gòu)件，本實(shí)施例驅(qū)動部包括位于閥口處且相對設(shè)置的感應(yīng)驅(qū)動線圈14和外部的脈沖驅(qū)動電路，執(zhí)行構(gòu)件為扁平截錐殼狀簧片15且位于感應(yīng)驅(qū)動線圈14之上，簧片15與感應(yīng)驅(qū)動線圈14之間設(shè)有與簧片15外沿相作用緊密閥口且吸收閉合時簧片動能的密封片6。感應(yīng)驅(qū)動線圈14為扁平截錐狀螺旋結(jié)構(gòu)，簧片15的內(nèi)沿固定，其外沿可沿軸向變形以經(jīng)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)閥口的開閉動作。本實(shí)施例中，扁平截錐殼狀是指整體近扁平且截面呈錐形的結(jié)構(gòu)，其中，扁平截錐殼狀簧片類似碟形彈貪O
[0051]本實(shí)施例高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥利用電磁感應(yīng)渦流斥力原理和簧片變形儲備的彈性勢能實(shí)現(xiàn)閥工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)變，本實(shí)施例中，執(zhí)行構(gòu)件采用扁平截錐殼狀簧片，簧片質(zhì)量小，且感應(yīng)驅(qū)動線圈采用扁平截錐狀螺旋結(jié)構(gòu)，減少了簧片與感應(yīng)驅(qū)動線圈間的距離，因此可以實(shí)現(xiàn)快速開啟；由于簧片呈扁平截錐殼狀，其內(nèi)沿固定，與普通平板式簧片結(jié)構(gòu)相比，在外沿產(chǎn)生相同的變形時儲備的彈性勢能更大，能夠滿足快速閉合響應(yīng)特性要求；同時感應(yīng)驅(qū)動線圈不需勵磁結(jié)構(gòu)，閥口閉合時所需的回復(fù)力由簧片的形變彈性勢能提供，不需額外的結(jié)構(gòu)提供回復(fù)力，可有效的減小閥的結(jié)構(gòu)尺寸和總質(zhì)量，且整體結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約發(fā)射成本;此外，簧片材料為彈性材料，且工作過程中形變量小，結(jié)構(gòu)中不含滑動摩擦副等潛在影響壽命因素，結(jié)構(gòu)簡單可靠，能夠滿足性能穩(wěn)定性和長壽命要求。
[0052]參照圖1，本實(shí)施例閥體包括主閥體12、設(shè)于主閥體12上端且用于限位及作為噴安裝嘴接口的上閥體1、設(shè)于主閥體12下端用于連接供氣管路的后蓋11，后蓋11與主閥體12之間形成穩(wěn)壓腔10;主閥體12的上端面開設(shè)線圈安裝槽，感應(yīng)驅(qū)動線圈14及密封片6依次設(shè)于線圈安裝槽內(nèi)，簧片15的內(nèi)沿間隙配合套設(shè)于上閥體I上以限定其軸向及徑向自由度，簧片15的外沿與密封片6貼合形成閥口密封;上閥體1、簧片15及主閥體12間形成集氣腔13，集氣腔13與穩(wěn)壓腔10連通。優(yōu)選地，閥體均采用高電阻率的非鐵磁性材料制成(本實(shí)施例優(yōu)選采用20Mn23AlV)，可有效減少閥體的渦流損耗。優(yōu)選地，線圈安裝槽的底部設(shè)有用于抑制渦流損耗的徑向溝槽。
[0053]本實(shí)施例中，感應(yīng)驅(qū)動線圈14采用耐高溫環(huán)氧樹脂灌注在線圈安裝槽中，且密封片6安裝在感應(yīng)驅(qū)動線圈14之上。其中，密封片6的材料為硅橡膠，其在真空環(huán)境中出氣率低。
[0054]本實(shí)施例中，參照圖1，上閥體I通過螺釘2、定位銷3與主閥體12連接，通過第一O型密封圈4實(shí)現(xiàn)密封，簧片15壓緊密封片6和第二 O型密封圈5，實(shí)現(xiàn)閥口和簧片15與上閥體I之間密封。優(yōu)選地，感應(yīng)驅(qū)動線圈14與電極8接通，電極8與脈沖驅(qū)動電路連接，脈沖驅(qū)動電路為感應(yīng)驅(qū)動線圈14提供脈沖電壓以驅(qū)動簧片15。優(yōu)選地，后蓋11與主閥體12采用螺釘連接(圖中未標(biāo)出)并通過第三O型密封圈7實(shí)現(xiàn)密封。氣體入口 9接入外部高壓氣體源。
[0055]優(yōu)選地，感應(yīng)驅(qū)動線圈14采用耐高溫的多股漆包線纏繞而成，可有效減少線圈的禍流效應(yīng)。
[0056]優(yōu)選地，簧片15采用高電導(dǎo)率鈹銅合金沖壓成型并經(jīng)時效處理而成，其導(dǎo)電率可有效提高。在相同的激勵參數(shù)下，高電導(dǎo)率能夠保證在簧片中產(chǎn)生更大的感應(yīng)電流，有利于形成更大的驅(qū)動力提高動態(tài)特性。
[0057]優(yōu)選地，主閥體12中的集氣腔13和穩(wěn)壓腔10通過四個通道連接，穩(wěn)壓腔10在工作時能夠及時的補(bǔ)充集氣腔13中的工質(zhì)氣體，保證流量特性。
[0058]參照圖2，本實(shí)施例脈沖驅(qū)動電路包括:時序控制單元21、恒流充電單元19、固態(tài)開關(guān)組件20、脈沖功率開關(guān)組件22、調(diào)波電阻23、調(diào)波電感16、儲能電容18、整流二極管17;其中，恒流充電單元19的正極依次經(jīng)固態(tài)開關(guān)組件20、脈沖功率開關(guān)組件22、調(diào)波電阻23、感應(yīng)驅(qū)動線圈14、調(diào)波電感16連接恒流充電單元19的負(fù)極;恒流充電單元19的負(fù)極接地。固態(tài)開關(guān)組件20與脈沖功率開關(guān)組件22的連接處、恒流充電單元19的負(fù)極之間接入儲能電容18 ；恒流充電單元19的負(fù)極、脈沖功率開關(guān)組件22與調(diào)波電阻23的連接處之間接入整流二極管17;固態(tài)開關(guān)組件20及脈沖功率開關(guān)組件22的控制端均連接時序控制單元21以受時序控制單元21驅(qū)動控制。本實(shí)施例中，時序控制單元21包括三支控制信號線，其中，第一控制信號線連接固態(tài)開關(guān)組件20，第二控制信號線連接脈沖功率開關(guān)組件22，第三控制信號線接入推力器放電開關(guān)組件，且固態(tài)開關(guān)組件20及脈沖功率開關(guān)組件22均處于常開狀態(tài)。本實(shí)施例通過時序控制單元21調(diào)節(jié)驅(qū)動電路中儲能電容18的放電電壓大小可實(shí)現(xiàn)流量和單個氣體脈寬調(diào)節(jié);連續(xù)脈沖工作時，時序控制單元21通過調(diào)節(jié)固態(tài)開關(guān)組件20、脈沖功率開關(guān)組件22觸發(fā)信號的占空比可實(shí)現(xiàn)氣體脈沖頻率調(diào)節(jié)。
[0059]本實(shí)施例高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥具體實(shí)施過程如下:
[0060]參照圖1和2，氣體入口 9接通高壓氣源，穩(wěn)壓腔10和集氣腔13充滿一定壓力的工質(zhì)氣體;設(shè)定時序控制單元21三支信號的時序邏輯，在時序控制單元21的控制下固態(tài)開關(guān)組件20導(dǎo)通，恒流充電單元19對儲能電容18充電，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的電壓時，固態(tài)開關(guān)組件20切斷，脈沖功率開關(guān)組件22導(dǎo)通，儲能電容18放電，在感應(yīng)驅(qū)動線圈14中形成脈沖電流，脈沖電流產(chǎn)生瞬變電磁場，使簧片15產(chǎn)生與線圈電流方向相反的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與空間磁場相互作用，在簧片15中產(chǎn)生分布電磁力，在感應(yīng)驅(qū)動線圈14中形成脈沖電流的初期，簧片15中的電磁力綜合作用效果不足以克服簧片15的初始預(yù)緊力，閥口仍然處于閉合狀態(tài)；隨著感應(yīng)驅(qū)動線圈14中脈沖電流增大和感應(yīng)渦流的增大，分布電磁力形成的綜合力矩足夠克服簧片15中初始預(yù)緊力，并使簧片15產(chǎn)生軸向的加速運(yùn)動，破壞簧片15與密封片6的密封，集氣腔13中的高壓氣體在閥口內(nèi)外壓差的驅(qū)動下高速噴出，實(shí)現(xiàn)閥的導(dǎo)通；當(dāng)簧片15外沿與上閥體I接觸時會發(fā)生回彈，由于此時的電磁力綜合作用結(jié)果仍然大于簧片彈力，在電磁力的作用下再次貼緊上閥體，實(shí)現(xiàn)閥開啟的保持，此時簧片15儲存的彈性勢能最大。隨著感應(yīng)驅(qū)動線圈14中脈沖電流和簧片15中感應(yīng)渦流的衰減，當(dāng)電磁力綜合作用效果不足以克服簧片15的彈力時，簧片15克服電磁力加速向初始位置運(yùn)動，當(dāng)流經(jīng)脈沖功率開關(guān)組件22的電流剛發(fā)生過零時，脈沖功率開關(guān)組件22斷開，回路中的電流在整流二極管17與感應(yīng)驅(qū)動線圈14所構(gòu)成的回路中進(jìn)入續(xù)流階段，防止儲能電容18反向充電。與此同時簧片15恢復(fù)到初始位置與密封片6重新建立閥口密封，實(shí)現(xiàn)閥的閉合。當(dāng)閥閉合后，時序控制單元21向推力器的脈沖驅(qū)動電路中的放電開關(guān)發(fā)出信號，實(shí)現(xiàn)推力器的點(diǎn)火啟動。
[0061]從以上的描述可得知，本實(shí)施例中的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥利用電磁感應(yīng)渦流斥力原理和簧片變形儲備的彈性勢能實(shí)現(xiàn)閥工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)變;閥中用以產(chǎn)生渦流的金屬簧片為扁平截錐殼狀，簧片質(zhì)量小，感應(yīng)驅(qū)動線圈采用扁平截錐狀螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)且相對簧片設(shè)置，減少了簧片與感應(yīng)驅(qū)動線圈間的距離，因此可以實(shí)現(xiàn)快速開啟；由于簧片呈扁平截錐殼狀，其內(nèi)沿固定，與普通平板式簧片結(jié)構(gòu)相比，在外沿產(chǎn)生相同的變形時儲備的彈性勢能更大，能夠滿足快速閉合響應(yīng)特性要求;徑向環(huán)狀閥口，可以最大程度上減少脈沖氣體在噴嘴中的能量損失；閥結(jié)構(gòu)中不需要額外的回復(fù)力裝置，回復(fù)力由簧片自身變形儲備的彈性勢能提供，因此結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造;工作過程中形變量小，并且不存在滑動摩擦等容易在太空環(huán)境中產(chǎn)生壽命問題的機(jī)制，提高了閥的可靠性;扁平截錐殼狀簧片與扁平截錐狀螺旋線圈結(jié)構(gòu)形式和設(shè)置方式使整體結(jié)構(gòu)緊湊，易于結(jié)構(gòu)的小型化、輕量化;通過調(diào)節(jié)脈沖驅(qū)動電路中電容電壓和脈沖功率開關(guān)觸發(fā)信號的占空比可實(shí)現(xiàn)氣體脈沖的流量調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)推力器推進(jìn)性能調(diào)節(jié)，滿足不同工況任務(wù)需求。
[0062]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，包括閥體、設(shè)于閥體上用于控制其徑向閥口工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的驅(qū)動部和執(zhí)行構(gòu)件，其特征在于， 所述驅(qū)動部包括位于閥口處且相對簧片(15)設(shè)置的感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)及與所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)相連的脈沖驅(qū)動電路，所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)為扁平截錐狀螺旋結(jié)構(gòu)； 所述執(zhí)行構(gòu)件為簧片(15)，所述簧片(15)為扁平截錐殼狀且位于所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)之上，所述簧片(15)的內(nèi)沿固定，其外沿可沿軸向變形以經(jīng)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)所述徑向閥口的開閉動作，所述簧片(15)與所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)之間設(shè)有與所述簧片(15)外沿相作用緊密所述閥口且吸收閉合時所述簧片(15)動能的密封片(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，其特征在于， 所述閥體包括主閥體(12)、設(shè)于所述主閥體(12)上端且用于限位及作為噴嘴安裝接口的上閥體(1)、設(shè)于所述主閥體(12)下端用于連接供氣管路的后蓋(11); 所述后蓋(11)與所述主閥體(12)之間形成穩(wěn)壓腔(10);所述主閥體(12)的上端面開設(shè)線圈安裝槽，所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)及所述密封片(6)依次設(shè)于所述線圈安裝槽內(nèi)，所述簧片(15)的內(nèi)沿間隙配合套設(shè)于所述上閥體(I)上以限定其內(nèi)沿軸向及徑向自由度，所述簧片(15)的外沿與所述密封片(6)貼合形成閥口密封；所述上閥體(I)、所述簧片(15)及所述主閥體(12)間形成集氣腔(13)，所述集氣腔(13)與所述穩(wěn)壓腔(10)連通。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，其特征在于， 所述線圈安裝槽的底部設(shè)有用于抑制渦流損耗的徑向溝槽。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，其特征在于， 所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)采用耐高溫環(huán)氧樹脂灌注在所述線圈安裝槽中，且所述密封片(6)安裝在所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)之上。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，其特征在于， 所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)經(jīng)電極(8)連接進(jìn)行脈沖時序控制的脈沖驅(qū)動電路。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，其特征在于， 所述脈沖驅(qū)動電路包括:時序控制單元(21)、恒流充電單元(19)、固態(tài)開關(guān)組件(20)、脈沖功率開關(guān)組件(22)、調(diào)波電阻(23)、調(diào)波電感(16)、儲能電容(18)、整流二極管(17); 所述恒流充電單元(19)的正極依次經(jīng)所述固態(tài)開關(guān)組件(20)、所述脈沖功率開關(guān)組件(22)、所述調(diào)波電阻(23)、所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)、所述調(diào)波電感(16)連接所述恒流充電單元(19)的負(fù)極;所述固態(tài)開關(guān)組件(20)與所述脈沖功率開關(guān)組件(22)的連接處、所述恒流充電單元(19)的負(fù)極之間接入所述儲能電容(18);所述恒流充電單元(19)的負(fù)極、所述脈沖功率開關(guān)組件(22)與所述調(diào)波電阻(23)的連接處之間接入所述整流二極管(17); 所述固態(tài)開關(guān)組件(20)及所述脈沖功率開關(guān)組件(22)的控制端均連接所述時序控制單元(21)以受所述時序控制單元(21)驅(qū)動控制。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，其特征在于， 所述時序控制單元(21)包括三支控制信號線，其中，第一控制信號線連接所述固態(tài)開關(guān)組件(20)，第二控制信號線連接所述脈沖功率開關(guān)組件(22)，第三控制信號線接入推力器放電開關(guān)組件。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，其特征在于，所述感應(yīng)驅(qū)動線圈(14)采用耐高溫的多股漆包線纏繞而成。9.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的高速重復(fù)脈沖式徑向流動微量氣體供給閥，其特征在于，所述簧片(15)采用高電導(dǎo)率鈹銅合金沖壓成型并經(jīng)時效處理而成。
【文檔編號】F16K31/12GK105840904SQ201610413918
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】郭大偉, 程謀森, 楊雄, 李小康, 王墨戈
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)