推进系统是微小型卫星的关键子系统,其中电推进系统以其效率高、推力小、成本低、安全可靠等优点,成为目前发展的最主要的推进方式之一。为了保证电推进系统的性能,需要对进入其推力单元的推进剂流量进行准确地控制和调节。比例控制阀是实现推进剂流量高精度、宽范围、快速稳定控制和调节的关键技术。针对电推进系统气体推进剂流量控制需求,本文提出一种基于压电陶瓷堆叠驱动的mg/s级气体微流量比例控制阀(以下简称“比例阀”),采用理论分析、数值仿真和实验测试相结合的方法,对不同参数下的比例阀节流口特性进行研究,提出比例阀节流口设计的优化建议,验证比例阀样机对微流量气体连续控制功能的可行性,为气体推进剂流量控制技术的研究提供依据。主要研究内容如下:(1)提出了比例阀的整体结构设计方案。设计了一种基于压电陶瓷堆叠驱动的气体微流量比例控制阀,阐述了比例阀的几何结构和工作原理,说明了比例阀的密封设计方法;基于一维等熵流动的理想气体欧拉运动方程,推导了流经比例阀的气体等效质量流量计算方程,完成了节流口尺寸结构参数的设计。(2)针对工作条件参数和节流口尺寸结构参数对比例阀节流口特性的影响进行了研究。建立不同入口压力、阀芯位移、阀芯半锥角、阀座直径和阀座锥角下的流场仿真模型;运用数值计算方法,分析了不同参数对比例阀流量特性及节流口压力场分布、速度场分布、阀腔内涡漩尺度等流场特性的影响,并根据影响机制以减小涡漩、提高比例阀的工作性能为目标,提出比例阀节流口设计的优化建议。结果表明:降低入口压力或减小阀芯位移、阀芯半锥角可以有效减少阀腔内涡漩的产生,降低能量损耗,提高比例阀的工作性能;阀座直径对节流口特性的影响较小,一般可忽略;阀座锥角对节流口特性的影响呈非单调变化,锥角为45°时比例阀的流通能力较强,阀腔内涡漩尺度较小,能量损耗较少,工作性能优于其他锥角角度。(3)搭建比例阀样机流量调控性能测试系统,验证了比例阀样机对微流量气体连续控制功能的可行性。进行了阀芯最大驱动力的测量,完成了压电陶瓷堆叠的选型及其电压-位移特性研究;针对不同压电陶瓷堆叠驱动电压(即节流口开度)下,比例阀输出的气体流量进行了检测。结果表明:比例阀可实现mg/s级空气流量的连续控制和调节,且空气的质量流量随压电陶瓷堆叠驱动电压的增大而增大。