高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀

摘要

本发明公开了一种高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀，包括阀体、设于阀体上用于控制径向阀口工作状态转换的驱动部和执行构件，该驱动部包括位于阀口处且相对簧片设置的感应驱动线圈及脉冲驱动电路，执行构件为扁平截锥壳状簧片；簧片的内沿固定，外部可沿轴向变形。本发明由于簧片的质量小，在感应涡流斥力作用下可实现阀的快速开启；簧片的截锥壳状结构与普通平板式结构相比，在外沿产生相同的变形时储备的弹性势能更大，因此可以实现快速闭合；感应驱动线圈设计成扁平截锥状螺旋结构并相对簧片放置，可有效提高簧片中的电磁力密度；且驱动部和执行构件的组合形式使阀整体结构尺寸和质量极大减小，利于结构的小型化和轻量化。

说明书

技术领域

本发明涉及空间探测电推力器领域，特别地，涉及一种高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀。

背景技术

随着人类探索和利用太空的范围拓展，以载人/无人火星运送任务为代表的行星际深空探测任务，对电推力器提出了更长寿命、更高功率、更大推力、比冲及效率可变等新需求。以脉冲感应式推力器(Pulsed Inductive Thruster,PIT)为代表的脉冲式电磁加速推力器在面向未来的行星际深空探测任务分析中展现出独特优势，PIT的基本原理是将电能储存在电容中，电容通过线圈放电产生峰值很大的脉冲电流，由脉冲电流产生的时变电磁场使处在线圈表面的气体工质电离并在等离子体中产生感应电流，感应电流与线圈电流相互作用而使气体高速喷射，从而产生推力。从PIT工作原理上看，气体工质在感应线圈表面分布情况，影响感应线圈放电时机选择、推进剂电离程度和加速过程，是推力器推力效率、比冲和推进剂利用率的重要影响因素。脉冲式气体工质供给阀是脉冲感应推力器的核心部件之一，其性能直接关乎推力器性能。从脉冲感应推力器气体工质电离与加速过程看，要求由供给阀流出的气体脉冲形成紧贴感应线圈表面的均匀气体层，同时该气体层要达到一定的密度；从提高工质利用率角度，气体脉冲要足够小，当气体脉冲后沿到达感应线圈内沿时，气体脉冲前沿不能溢出加速线圈的外沿；在PIT重复脉冲工作时，前后两个气体脉冲间不能有任何拖拽。

综上所述，结合太空应用环境的特殊性，对于脉冲气体供给阀的要求具体体现在以下几方面：(1)能够脉冲式工作，产生合适的气体脉宽。(2)极快的动态响应特性，在极短的时间内完成开闭，因为线圈放电和气体加速喷射过程的持续时间不大于20微秒，推力器最高工作频率可达上万赫兹。(3)结构简单，工作可靠、性能稳定且寿命长，因为该阀的应用背景为行星际深空探测任务。

目前，PIT地面实验中采用的脉冲阀为固定磁场式的动圈式结构，将筒状动线圈置于由励磁线圈/永磁体和磁轭形成的具有很强的径向磁感应强度(约1T)的环状工作气隙中。当动圈通入电流时，与固定磁场相互作用产生电磁力，通过改变动圈中电流方向实现阀的开闭。由于所需的磁场强度大，励磁线圈发热严重，同时动圈骨架与密封膜片连接环的安装问题尚未得到很好地解决。

高速脉冲气体供给阀的关键技术在于驱动方式选择和运动执行构件设计。目前高速脉冲阀的驱动方式主要有电磁式、压电式和超磁致伸缩式，各驱动方式适应不同的工作要求。

由于压电材料和超磁致伸缩材料形变量较小，在输出相对较大的位移时需要较大的材料本体或采用放大机构，同时压电材料对温度敏感，超磁致伸缩材料非线性严重，不适应本应 用。目前，流量相对较大的、开闭时间在几十、百微秒量级的气体脉冲阀驱动方式均采用电磁感应涡流动力式机构，其工作原理为通入感应线圈的脉冲电流在空间中产生瞬变磁场，处在磁场中的非铁磁性金属导体中产生感应电流，感应电流同线圈产生的磁场相互作用产生洛伦兹力，这种驱动方式动作极快，结构相对简单。根据阀工作过程和用以产生涡流部件的特点，电磁感应涡流致动的高速脉冲阀的典型结构可概括为盘式结构、滑动撞击式结构和膜片式结构，具体如下：

1)金属盘式结构

该种结构用来产生感应涡流的部件为具有一定机械强度的高导电率金属盘，一般为铝或铜。当感应线圈通入脉冲电流时，金属盘克服预紧力带动密封使阀口开启，实现气体导通，随着激励脉冲的减弱，当驱动力不足以克服回复力时，阀口开始闭合，阻断流通，在此过程中金属盘不产生弹性变形。此类型阀的关闭回复力主要是由压缩的螺旋弹簧弹力或气体压力提供。

盘式结构最主要的缺点是：为了实现密封，其可动部件的质量偏大，直接影响其动态特性，也不利于形成固定或可调脉冲气体宽度；此外，螺旋弹簧的非对称性使得作用在金属盘上的弹力不均匀，在进行大量重复工作时会严重影响阀的密封效果和密封寿命；背压盘式结构虽然提供的回复力作用均匀，但在结构设计上需要额外的高压密封腔，使结构偏大，同时存在滑动摩擦，不利于太空应用。

2)滑动撞击式

产生感应涡流的部件为金属圆环，施加激励后，金属圆环在脉冲磁场中感应出涡流，经加速后与密封结构部件发生弹性碰撞，密封结构获得来自圆环的动能克服压差形成的密封力使阀口打开，实现气体流通；该种结构的回复力一般由密封件两侧压差形成的压力提供。

滑动撞击式结构阀的缺点是：在反复脉冲式工作状态下，采用弹性碰撞的方式会导致击锤和密封件破坏失效，不具备长寿命潜质；采用该驱动方式的阀对安装方向有一定要求，在工作时金属圆环应紧贴感应线圈，否则影响金属环的加速效果，影响动态特性，若处在太空环境之中，很难保证工作时击锤紧贴感应驱动线圈。

3)平面金属片式结构

用以产生涡流的部件为弹性平面圆板金属片，同时该金属片也用来实现阀口密封。感应线圈通入脉冲激励后，金属片会在电磁斥力的作用下产生弹性变形打开密封，实现阀口开启。当所受到的电磁斥力减小或消失时，金属片所储存的弹性势能促使膜片恢复原来形状，切断流体流动，完成阀的闭合动作。

平面金属片式结构的流量由集气腔的外缘周长和膜片在外缘的开启位移决定，相对流量较大时，金属片的外沿需要开启较大位移，由于膜片储存的弹性势能有限，其闭合时的动态特性不理想。

针对目前国外脉冲感应推力器实验中采用的气体工质脉冲供给阀的不足，以及现有的高速脉冲气体阀存在结构复杂、动态响应低、结构尺寸和质量偏大、不能连续稳定脉冲工作等 技术问题，亟需设计一种满足脉冲感应式推力器气体供给需求的新型气体供给阀。

发明内容

本发明提供了一种高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀以解决现有的感应式脉冲等离子体推力器中推进剂脉冲供给阀的不足，以及现有的高速脉冲气体阀存在结构复杂、动态响应低、结构尺寸和质量偏大、不能连续稳定脉冲工作的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀，包括阀体、设于阀体上用于控制其径向阀口工作状态转换的驱动部和执行构件，驱动部包括位于阀口处且相对簧片设置的感应驱动线圈及与感应驱动线圈相连的脉冲驱动电路，感应驱动线圈为扁平截锥状螺旋结构；执行构件为簧片，簧片为扁平截锥壳状且位于感应驱动线圈之上，簧片的内沿固定，其外沿可沿轴向变形以经电磁感应实现阀口的开闭动作，簧片与感应驱动线圈之间设有与簧片外沿相作用紧密阀口且吸收闭合时簧片动能的密封片。

进一步地，阀体包括主阀体、设于主阀体上端且用于限位及作为喷嘴安装接口的上阀体、设于主阀体下端用于连接供气管路的后盖；

后盖与主阀体之间形成稳压腔；

主阀体的上端面开设线圈安装槽，感应驱动线圈及密封片依次设于线圈安装槽内，簧片的内沿间隙配合套设于上阀体上以限定其内沿轴向及径向自由度，簧片的外沿与密封片贴合形成阀口密封；

上阀体、簧片及主阀体间形成集气腔，集气腔与稳压腔连通。

进一步地，线圈安装槽的底部设有用于抑制涡流损耗的径向沟槽。

进一步地，感应驱动线圈采用耐高温环氧树脂灌注在线圈安装槽中，且密封片安装在感应驱动线圈之上。

进一步地，感应驱动线圈经电极连接进行脉冲时序控制的脉冲驱动电路。

进一步地，脉冲驱动电路包括：时序控制单元、恒流充电单元、固态开关组件、脉冲功率开关组件、调波电阻、调波电感、储能电容、整流二极管；

恒流充电单元的正极依次经固态开关组件、脉冲功率开关组件、调波电阻、感应驱动线圈、调波电感连接恒流充电单元的负极；固态开关组件与脉冲功率开关组件的连接处、恒流充电单元的负极之间接入储能电容；恒流充电单元的负极、脉冲功率开关组件与调波电阻的连接处之间接入整流二极管；

固态开关组件及脉冲功率开关组件的控制端均连接时序控制单元以受时序控制单元驱动控制。

进一步地，时序控制单元包括三支控制信号线，其中，第一控制信号线连接固态开关组 件，第二控制信号线连接脉冲功率开关组件，第三控制信号线接入推力器放电开关组件。

进一步地，感应驱动线圈采用耐高温的多股漆包线缠绕而成。

进一步地，簧片采用高电导率铍铜合金冲压成型并经时效处理而成。

本发明具有以下有益效果：

本发明高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀，采用涡流斥力原理驱动，执行构件采用内沿固定的扁平截锥壳状簧片，由于扁平截锥壳状簧片的质量小，相对其设置的感应驱动线圈采用扁平截锥状螺旋结构，该结构减少了簧片与感应驱动线圈间的距离，在电磁斥力作用下可实现阀的快速开启；其锥状结构与普通平面式结构相比，在外沿产生相同的变形时储备的弹性势能更大，因此可以实现快速闭合响应特性要求；同时感应驱动线圈不需励磁结构，阀口闭合时所需的回复力由簧片的形变弹性势能提供，不需额外的结构提供回复力，可有效的减小阀的结构尺寸和总质量，且整体结构紧凑，节约发射成本；径向出口方式减少了脉冲气体流动过程中因流向改变带来的能量损失；簧片材料为弹性材料，且工作过程中形变量小，结构中不含滑动摩擦副等潜在影响寿命因素，结构简单可靠，能够满足性能稳定性和长寿命要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀的结构示意图；

图2是本发明优选实施例脉冲驱动电路的结构示意图。

附图标记说明：

1、上阀体；2、螺钉；3、定位销；

4、第一O型密封圈；5、第二O型密封圈；6、密封片；

7、第三O型密封圈；8、电极；9、气体入口；

10、稳压腔；11、后盖；12、主阀体；

13、集气腔；14、感应驱动线圈；15、簧片；

16、调波电感；17、整流二极管；

18、储能电容；19、恒流充电单元；

20、固态开关组件；21、时序控制单元；

22、脉冲功率开关组件；23、调波电阻。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本实施例提供一种高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀，包括阀体、设于阀体上用于控制径向阀口工作状态转换的驱动部和执行构件，本实施例驱动部包括位于阀口处且相对设置的感应驱动线圈14和外部的脉冲驱动电路，执行构件为扁平截锥壳状簧片15且位于感应驱动线圈14之上，簧片15与感应驱动线圈14之间设有与簧片15外沿相作用紧密阀口且吸收闭合时簧片动能的密封片6。感应驱动线圈14为扁平截锥状螺旋结构，簧片15的内沿固定，其外沿可沿轴向变形以经电磁感应实现阀口的开闭动作。本实施例中，扁平截锥壳状是指整体近扁平且截面呈锥形的结构，其中，扁平截锥壳状簧片类似碟形弹簧。

本实施例高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀利用电磁感应涡流斥力原理和簧片变形储备的弹性势能实现阀工作状态的快速转变，本实施例中，执行构件采用扁平截锥壳状簧片，簧片质量小，且感应驱动线圈采用扁平截锥状螺旋结构，减少了簧片与感应驱动线圈间的距离，因此可以实现快速开启；由于簧片呈扁平截锥壳状，其内沿固定，与普通平板式簧片结构相比，在外沿产生相同的变形时储备的弹性势能更大，能够满足快速闭合响应特性要求；同时感应驱动线圈不需励磁结构，阀口闭合时所需的回复力由簧片的形变弹性势能提供，不需额外的结构提供回复力，可有效的减小阀的结构尺寸和总质量，且整体结构紧凑，节约发射成本；此外，簧片材料为弹性材料，且工作过程中形变量小，结构中不含滑动摩擦副等潜在影响寿命因素，结构简单可靠，能够满足性能稳定性和长寿命要求。

参照图1，本实施例阀体包括主阀体12、设于主阀体12上端且用于限位及作为喷安装嘴接口的上阀体1、设于主阀体12下端用于连接供气管路的后盖11，后盖11与主阀体12之间形成稳压腔10；主阀体12的上端面开设线圈安装槽，感应驱动线圈14及密封片6依次设于线圈安装槽内，簧片15的内沿间隙配合套设于上阀体1上以限定其轴向及径向自由度，簧片15的外沿与密封片6贴合形成阀口密封；上阀体1、簧片15及主阀体12间形成集气腔13，集气腔13与稳压腔10连通。优选地，阀体均采用高电阻率的非铁磁性材料制成(本实施例优选采用20Mn23AlV)，可有效减少阀体的涡流损耗。优选地，线圈安装槽的底部设有用于抑制涡流损耗的径向沟槽。

本实施例中，感应驱动线圈14采用耐高温环氧树脂灌注在线圈安装槽中，且密封片6安装在感应驱动线圈14之上。其中，密封片6的材料为硅橡胶，其在真空环境中出气率低。

本实施例中，参照图1，上阀体1通过螺钉2、定位销3与主阀体12连接，通过第一O型密封圈4实现密封，簧片15压紧密封片6和第二O型密封圈5，实现阀口和簧片15与上阀体1之间密封。优选地，感应驱动线圈14与电极8接通，电极8与脉冲驱动电路连接，脉冲驱动电路为感应驱动线圈14提供脉冲电压以驱动簧片15。优选地，后盖11与主阀体12采用螺钉连接(图中未标出)并通过第三O型密封圈7实现密封。气体入口9接入外部高压气 体源。

优选地，感应驱动线圈14采用耐高温的多股漆包线缠绕而成，可有效减少线圈的涡流效应。

优选地，簧片15采用高电导率铍铜合金冲压成型并经时效处理而成，其导电率可有效提高。在相同的激励参数下，高电导率能够保证在簧片中产生更大的感应电流，有利于形成更大的驱动力提高动态特性。

优选地，主阀体12中的集气腔13和稳压腔10通过四个通道连接，稳压腔10在工作时能够及时的补充集气腔13中的工质气体，保证流量特性。

参照图2，本实施例脉冲驱动电路包括：时序控制单元21、恒流充电单元19、固态开关组件20、脉冲功率开关组件22、调波电阻23、调波电感16、储能电容18、整流二极管17；其中，恒流充电单元19的正极依次经固态开关组件20、脉冲功率开关组件22、调波电阻23、感应驱动线圈14、调波电感16连接恒流充电单元19的负极；恒流充电单元19的负极接地。固态开关组件20与脉冲功率开关组件22的连接处、恒流充电单元19的负极之间接入储能电容18；恒流充电单元19的负极、脉冲功率开关组件22与调波电阻23的连接处之间接入整流二极管17；固态开关组件20及脉冲功率开关组件22的控制端均连接时序控制单元21以受时序控制单元21驱动控制。本实施例中，时序控制单元21包括三支控制信号线，其中，第一控制信号线连接固态开关组件20，第二控制信号线连接脉冲功率开关组件22，第三控制信号线接入推力器放电开关组件，且固态开关组件20及脉冲功率开关组件22均处于常开状态。本实施例通过时序控制单元21调节驱动电路中储能电容18的放电电压大小可实现流量和单个气体脉宽调节；连续脉冲工作时，时序控制单元21通过调节固态开关组件20、脉冲功率开关组件22触发信号的占空比可实现气体脉冲频率调节。

本实施例高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀具体实施过程如下：

参照图1和2，气体入口9接通高压气源，稳压腔10和集气腔13充满一定压力的工质气体；设定时序控制单元21三支信号的时序逻辑，在时序控制单元21的控制下固态开关组件20导通，恒流充电单元19对储能电容18充电，当达到所设定的电压时，固态开关组件20切断，脉冲功率开关组件22导通，储能电容18放电，在感应驱动线圈14中形成脉冲电流，脉冲电流产生瞬变电磁场，使簧片15产生与线圈电流方向相反的感应电流，感应电流与空间磁场相互作用，在簧片15中产生分布电磁力，在感应驱动线圈14中形成脉冲电流的初期，簧片15中的电磁力综合作用效果不足以克服簧片15的初始预紧力，阀口仍然处于闭合状态；随着感应驱动线圈14中脉冲电流增大和感应涡流的增大，分布电磁力形成的综合力矩足够克服簧片15中初始预紧力，并使簧片15产生轴向的加速运动，破坏簧片15与密封片6的密封，集气腔13中的高压气体在阀口内外压差的驱动下高速喷出，实现阀的导通；当簧片15外沿与上阀体1接触时会发生回弹，由于此时的电磁力综合作用结果仍然大于簧片弹力，在电磁力的作用下再次贴紧上阀体，实现阀开启的保持，此时簧片15储存的弹性势能最大。随着感应驱动线圈14中脉冲电流和簧片15中感应涡流的衰减，当电磁力综合作用效果不足以克服簧片15的弹力时，簧片15克服电磁力加速向初始位置运动，当流经脉冲功率开关组件22的电流刚发生过零时，脉冲功率开关组件22断开，回路中的电流在整流二极管17与感应驱动 线圈14所构成的回路中进入续流阶段，防止储能电容18反向充电。与此同时簧片15恢复到初始位置与密封片6重新建立阀口密封，实现阀的闭合。当阀闭合后，时序控制单元21向推力器的脉冲驱动电路中的放电开关发出信号，实现推力器的点火启动。

从以上的描述可得知，本实施例中的高速重复脉冲式径向流动微量气体供给阀利用电磁感应涡流斥力原理和簧片变形储备的弹性势能实现阀工作状态的快速转变；阀中用以产生涡流的金属簧片为扁平截锥壳状，簧片质量小，感应驱动线圈采用扁平截锥状螺旋结构结构且相对簧片设置，减少了簧片与感应驱动线圈间的距离，因此可以实现快速开启；由于簧片呈扁平截锥壳状，其内沿固定，与普通平板式簧片结构相比，在外沿产生相同的变形时储备的弹性势能更大，能够满足快速闭合响应特性要求；径向环状阀口，可以最大程度上减少脉冲气体在喷嘴中的能量损失；阀结构中不需要额外的回复力装置，回复力由簧片自身变形储备的弹性势能提供，因此结构简单，易于加工制造；工作过程中形变量小，并且不存在滑动摩擦等容易在太空环境中产生寿命问题的机制，提高了阀的可靠性；扁平截锥壳状簧片与扁平截锥状螺旋线圈结构形式和设置方式使整体结构紧凑，易于结构的小型化、轻量化；通过调节脉冲驱动电路中电容电压和脉冲功率开关触发信号的占空比可实现气体脉冲的流量调节和频率调节，能够实现推力器推进性能调节，满足不同工况任务需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。