火箭發(fā)動機隨機推力調(diào)節(jié)控制驅動器的研制

馬兵兵，翟麗婷，孫 璐

（1.北京航天動力研究所，北京100076；2.北京航空航天大學，北京100083）

0 引言

針對飛行器不同飛行狀態(tài)的要求，動力系統(tǒng)需采用變推力發(fā)動機進行推力控制。武器動力系統(tǒng)采用變推力發(fā)動機可以提高武器的機動性，加強突防能力，運載火箭如果采用變推力發(fā)動機，可以實現(xiàn)最優(yōu)推力控制，發(fā)揮火箭的最佳運載能力[1]。因此，變推力火箭發(fā)動機的研究一直是火箭發(fā)動機研制領域的熱點，并已經(jīng)取得許多成果，其中最成功的代表是阿波羅登月計劃登月艙下降發(fā)動機 （Lunar Module Descent Engine－LMDE）。

國內(nèi)外大多數(shù)液體雙組元火箭變推力發(fā)動機，采用改變固定的噴注單元上游供應系統(tǒng)的壓降（即采用推進劑供應系統(tǒng)控制閥）來調(diào)節(jié)經(jīng)過固定幾何形狀噴注器的推進劑流量。美國LMDE發(fā)動機采用針閥機械定位噴注器與可變截面的汽蝕文氏管閥，保證在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進行等混合比的流量控制。20世紀80年代國防科技大學研制出杠桿雙調(diào)變推力發(fā)動機，利用杠桿帶動流量調(diào)節(jié)錐和噴注器的調(diào)節(jié)針閥實現(xiàn)推力調(diào)節(jié)。1992年，國內(nèi)成功研制了混合比和噴注性能同時可控、多次啟動、雙組元雙調(diào)節(jié)低壓流量定位變推力液體火箭發(fā)動機[2]。

隨著變推力技術研究不斷發(fā)展，國內(nèi)某研究所研制了某型變推力發(fā)動機，系統(tǒng)采用燃料及氧化劑路的調(diào)節(jié)閥協(xié)調(diào)控制推進劑流量，兩臺調(diào)節(jié)閥用步進電機驅動，為此研制了基于DSP處理器的隨機推力調(diào)節(jié)控制驅動器。

1 系統(tǒng)結構及功能

隨機變推力控制系統(tǒng)主要由隨機推力調(diào)節(jié)控制驅動器、燃料調(diào)節(jié)閥、氧化劑調(diào)節(jié)閥、發(fā)動機系統(tǒng)及上位機組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作原理是：隨機推力調(diào)節(jié)控制驅動器接收上位機隨機推力指令，在定混合比條件下，協(xié)調(diào)控制燃料路及氧化劑路上的調(diào)節(jié)閥，從而控制燃料及氧化劑的流量，實現(xiàn)發(fā)動機隨機變推力控制。

2 硬件電路

隨機推力調(diào)節(jié)控制驅動器主要包括兩個電路板：主控制器板和隔離驅動板，如圖2中虛線框內(nèi)所示。主控制器板接收上位機RS422通訊接口下發(fā)的目標推力指令，根據(jù)發(fā)動機系統(tǒng)性能計算輸出兩臺調(diào)節(jié)閥的控制信號。隔離驅動板將控制信號隔離放大，輸出驅動兩臺調(diào)節(jié)閥，并采集調(diào)節(jié)閥位置傳感器信號。

主控制器板以美國TI公司DSP中的TMS320LF2407A為核心器件、外部擴展RS422通訊模塊及I/O驅動電路等組成。主控制芯片功耗低，40MIPS的執(zhí)行速度，片內(nèi)32 K字節(jié)的Flash程序存儲器[3]。該芯片的指令執(zhí)行速度、儲存空間、IO端口均滿足步進電機控制的要求。

步進電機控制驅動的技術關鍵是防丟步。步進電機驅動電路性能好壞直接影響步進電機系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，一個匹配的步進電機驅動可以避免丟步的發(fā)生。本設計采用硬件斬波恒流電路驅動兩相混合式步進電機，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，驅動電流達到標定值后，自動斬波控制，使繞阻電流在額定值上下成鋸齒波形波動。這種驅動方式通過快速提升電機繞阻電流，其電流前沿越陡越有利于繞組磁場的快速建立，有利于防止電機丟步，同時極大地改善了驅動電流波形，使電流輸出基本恒定，且系統(tǒng)功耗低，電源效率高[4-5]。

以驅動步進電機的一相電路為例，如圖3所示。Q1，Q2，Q5及Q6為大功率場效應管，Q3和Q4為大功率開關晶體管，U12A為差分比較器，U11A為放大器，D3和D4用于放電回路。當控制信號端A為高、C為低時，晶體管Q3打開，Q4關斷，此時電流采樣電阻R27上沒有電壓，比較器U12A輸出高電平，通過與門打開Q6和Q2，形成通過Q2、電機線圈、Q3和取樣電阻R27的通路。通路打開后，電流迅速上升，采樣電阻R27上的電壓經(jīng)阻容濾波、線性放大電路與給定電壓比較，當其大于給定電壓，則U12A輸出低電平，關斷Q2，此時通過電機繞組、Q3、R27及D4回路放電。當電流降到給定值以下，比較器又輸出高電平，回路通電。如此反復循環(huán)，實現(xiàn)恒流斬波控制。

該硬件斬波恒流驅動電路可在較寬的電源電壓范圍內(nèi)正常工作，可適應飛行電源系統(tǒng)電池電壓范圍大的特點。

3 軟件設計

變推力雙組元推進劑流量同步調(diào)節(jié)技術是變推力發(fā)動機研制的關鍵技術。由于變推力發(fā)動機系統(tǒng)的兩臺調(diào)節(jié)閥流阻與開度的特性為非線性，且燃料比氧化劑的流量要小得多，流量控制特性完全不同，在一定混合比范圍下，協(xié)調(diào)控制兩臺調(diào)節(jié)閥動作是一個難點。

本設計采用查表法，根據(jù)發(fā)動機各組合件的流阻及調(diào)節(jié)閥流阻性能參數(shù)，計算各推力點的調(diào)節(jié)閥開度。經(jīng)計算分析，以推力變化100 N為單位，兩臺調(diào)節(jié)閥需要調(diào)整的開度均較小，兩臺步進電機需要動作的步數(shù)偏差只有一兩步。先以相同的頻率同時控制兩臺步進電機動作，當其中一個閥門動作到位，然后單獨控制另一個閥門動作到位。該控制方法下發(fā)動機混合比變化很小，且100 N推力變化小于該型變推力發(fā)動機總推力的1%，滿足隨機變推力系統(tǒng)要求，因此以100 N為單位設置推力與兩臺調(diào)節(jié)閥開度對應表。

隨機變推力程序模塊流程圖見圖4，程序先判讀串口是否有新指令輸入，若有新指令，3選2判讀，確認新的目標推力指令；若無新指令則目標推力不變。接著程序判斷目標推力與目前推力的大小。

1）若目標推力指令等于實際推力，則不進行動作。

2）若目標推力指令大于實際推力，進行正向查表，讀取實際推力點到下一推力點的兩臺調(diào)節(jié)閥需要動作的步數(shù)；然后協(xié)調(diào)控制兩臺閥門正向動作（一步一步地正向控制兩臺調(diào)節(jié)閥動作，直到其中一個調(diào)節(jié)閥到位，再控制另一臺閥門動作）；兩調(diào)節(jié)閥均控制到下一推力點后，將實際推力加100 N，返回隨機變推力子程序循環(huán)，重新判斷目標推力指令與目前推力的大小。

3）若目標推力指令小于實際推力，則向反向查表，程序流程與正向類似。

該查表控制方法程序結構簡單，計算量小。對于不同的發(fā)動機系統(tǒng)，不同的調(diào)節(jié)閥特性，不同的變推力要求，隨機推力調(diào)節(jié)控制驅動器只需在線下載新的推力-閥門開度對應表到DSP處理器，即可實現(xiàn)系統(tǒng)隨機變推力控制要求。

4 試驗

隨機變推力控制驅動器參加了多次發(fā)動機系統(tǒng)地面冷調(diào)及動力系統(tǒng)熱試考核，其工作穩(wěn)定可靠，隨機推力調(diào)節(jié)響應快速，兩臺調(diào)節(jié)閥協(xié)調(diào)控制準確，實現(xiàn)了發(fā)動機在一定混合比下隨機變推力工作。

變推力發(fā)動機試車時，推力監(jiān)控數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。當大推力變化時，調(diào)節(jié)閥需要調(diào)整的步數(shù)大，實際推力線需要一定的控制時間才達到目標推力線，如圖5左側的曲線所示。當小推力變化時，調(diào)節(jié)閥需要調(diào)整的步數(shù)少，實際推力與目標推力線基本重疊，如圖5中間的曲線所示；當在推力調(diào)整過程中，收到新推力指令，立即響應該目標推力指令，如圖5右側的曲線所示。該控制驅動器最小推力變化響應時間約為10 ms，最大推力變化響應時間小于1.5 s；

5 結論

該隨機推力調(diào)節(jié)控制驅動器，硬件電路結構簡單，斬波驅動電路驅動能力強，有利于防止步進電機丟步，對電源的適應性強，軟件控制算法簡單且容易實現(xiàn)，數(shù)據(jù)查表模式便于修改及調(diào)整，實現(xiàn)了變推力雙組元推進劑流量同步調(diào)節(jié)，滿足了變推力發(fā)動機高精度、快響應的控制要求。

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