叠加超声波对ICF靶丸类微球的空间非接触支撑定位及多自由度驱动机理与控制方法

项目研究空间叠加超声波对ICF靶丸类微球的空间非接触支撑定位及多自由度旋转驱动现象，研究这种现象的形成机理及控制方法。通过单轴或空间多轴能够独立调节的压电超声及其在重力场中的叠加，实现靶丸类微球在空间中的非接触支撑定位，并且通过超声波振子平移后的超声波叠加，实现微球的空间多自由度的非接触旋转驱动。项目研究这种空间叠加超声场的波叠加效应、叠加波驱动能力及控制方法。具体工作包括：建立压电超声波叠加效应的动力学模型，获得物理学、空间机构及控制学因素对叠加场中靶丸类微球体的定位及驱动特性；研究空间超声波驱动与微球体运动之间的关系；研究靶丸类微球体在叠加梯度声压下的空间非接触支撑定位、多自由度旋转与振动；研究实现这种驱动的控制方法。项目的研究成果将在ICF靶丸空间非接触支撑定位、空间多自由度非接触驱动等方面提供具有借鉴参考价值的依据。

利用超声波，通过多种方式使靶丸类微球能够悬浮在空中，再结合能够对微球进行控制的气动驱动装置，从而实现靶丸类微球在空间中的非接触支撑定位以及驱动与控制。本项目从微球类的超声波悬浮理论和气动驱动机理出发，对微球类的悬浮和驱动进行了研究，设计制作了能够实现微球悬浮和驱动的实验装置，并对其进行实验测试。在项目的大框架下，具体研究内容包括：1、设计制作了近声场非接触支撑悬浮系统以及靶丸小球的气动控制部分，并对悬浮系统和气动控制部分进行了实验测试，实现了微球类物体的悬浮以及微球在单轴单方向上的连续转动驱动，并根据实验数据对凹球面换能器悬浮高度的计算公式进行了简化，同时还提出了实现步进驱动控制和多轴驱动控制的方法；2、根据超声驻波悬浮理论以及换能器的工作原理，设计制作了超声驻波非接触支撑悬浮，并对其进行了Ansys优化，大程度的提高了超声驻波非接触支撑悬浮的悬浮能力，实现了微球的驻波悬浮，并用高强激光加热器对微球进行了加热，使其快速融化并在悬浮状态下凝固，实现了微球的无容器加热和凝固；3、针对高强激光加热器不能够融化熔点较高的金属物体这一问题，设计制作了压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼装置，使得熔点较高的微球类物体能够在压电超声波和高频电磁感应混合作用下，实现了非接触熔炼，减少了金属熔炼过程中所受到的污染，进而提高了熔炼金属的纯度；4、对近声场悬浮/气浮混合悬浮特性进行了初步研究，并完成了混合悬浮驱动器系统的搭建以及测试，使得气浮支承在一定的精度和振动幅度的前提下，提高了气动悬浮承载力；5、基于气动悬浮可悬浮重载物体和超声行波具有驱动能力这一特性，提出了一种能够运输大型平面物体的超声悬浮—气浮混合悬浮运输方法，并设计制作了超声悬浮—气浮混合悬浮运输驱动器装置，在设计制作出实验装置之后对其进行了初步研究；6、设计制作了一种超声驻波悬浮力的测量装置。项目的研究工作将为微球类物体的悬浮及驱动、非接触处理以及大型平面物体的非接触运输，提供了新的装置、原理和方法。