電磁氣動閥四機集成設(shè)計

趙春云，張石燕，焦金成

（上?？臻g推進研究所，上海201112）

0 引言

電磁氣動閥是某空間飛行器推進分系統(tǒng)的重要組件之一，主要用于控制軌控發(fā)動機的啟動和關(guān)閉。隨著空間推進技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)對電磁氣動閥產(chǎn)品研制要求不斷提高，其中主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）產(chǎn)品工作介質(zhì)易燃、易爆并有腐蝕性，因此對可靠性及安全性要求高；2）體積小、重量輕；3）在大流量條件下要求快響應(yīng)（負載6 MPa及額定水流量610 g/s條件下，開啟及關(guān)閉響應(yīng)特性分別為不大于6 ms和8ms）。由于產(chǎn)品的特殊要求，傳統(tǒng)電磁閥不能滿足體積小及響應(yīng)快的要求。某空間飛行器一套系統(tǒng)需要4臺電磁氣動閥，要求每臺產(chǎn)品能夠分別獨立、快速、可靠地控制一臺雙組元發(fā)動機開啟及關(guān)閉。由于整個系統(tǒng)受空間尺寸及重量的限制，故考慮研制一種新型電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)，以滿足系統(tǒng)要求。

根據(jù)空間飛行器及其工作特點，新型電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)必須具有以下特點：

1） 每臺產(chǎn)品能夠分別獨立、快速、可靠地控制對應(yīng)雙組元發(fā)動機開啟及關(guān)閉；

2） 將4臺電磁氣動閥集成在一起，形成電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)設(shè)計不但要節(jié)省空間、減輕重量，同時要簡化4臺產(chǎn)品之間的連接管路，降低產(chǎn)品的泄漏風險，提高產(chǎn)品的可靠性；

3） 每臺電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)再與4臺推力室集成起來，形成4臺發(fā)動機的四機集成，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須兼顧推力室的安裝；

4） 電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)殼體上同時集成氧化劑貯箱和燃料貯箱的安裝結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)，使貯箱不需要另外的安裝支架、連接管路及密封設(shè)計；

5） 在上述與4臺推力室及2個獨立貯箱的安裝中，不需要另外的連接管路或連接管路盡量少，以實現(xiàn)減重及提高可靠性的雙重功效。

1 新型電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)的方案

1.1 方案的設(shè)計要點

1.1.1 流量大、響應(yīng)迅速

任務(wù)指標為：入口負載6 MPa及額定水流量610 g/s條件下，產(chǎn)品開啟和關(guān)閉響應(yīng)時間分別為不大于6 ms及8 ms。要滿足流量大，就需要相應(yīng)的開啟能力，如采用直動式方案，閥門線圈和銜鐵都要相應(yīng)增大，進而體積和重量都會增加。為了解決上述問題，滿足系統(tǒng)開啟/關(guān)閉快響應(yīng)的要求，需要采用先導式電磁氣動方案，用一個小的導閥來控制氣源的通斷，由于氣體的充填和排出速度都較快，在極短的時間內(nèi)，控制氣體通過推動膜片、進而控制氧化劑和燃料路的啟動或關(guān)閉，從而實現(xiàn)對雙組元推進劑的快速控制。

1.1.2 采用四機集成實現(xiàn)減小體積及減輕重量

一套系統(tǒng)需要4臺電磁氣動閥，要求每臺產(chǎn)品能夠獨立、快速、可靠地控制一臺雙組元發(fā)動機開啟及關(guān)閉。可以通過采用氣動先導控制以及集成化設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品的減小體積和減輕重量的目的。即利用集成模塊，將4臺電磁氣動閥集成在一起，將氣、液路流道統(tǒng)一設(shè)計，實現(xiàn)控制氣源、氧化劑和燃料的集中供應(yīng)，通過對4臺導閥的獨立操作完成對每一組氧化劑和燃料通斷的快速控制。

1.2 方案實現(xiàn)

先導式電磁氣動閥由電磁閥導閥和氣動閥兩部分組成。在產(chǎn)品通電前，電磁閥和氣動閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)分別通過對應(yīng)流道將控制氣、氧化劑和燃料分別充填到氣、液路閥芯組件前。通電后，電磁導閥銜鐵推出，通過氣頂桿推動氣路閥芯組件使氣路導通，氣體經(jīng)氣路閥芯組件進入氣動閥的氣腔，分別推動氧化劑路及燃料路的頂桿向左或向右運動，最終實現(xiàn)雙組元液路導通。

斷電后，電磁導閥電磁力消失，在氣路彈簧及氣體負載的作用下，氣路閥芯組件回縮到關(guān)位，使氣路斷開，氣體經(jīng)由排氣孔排出，氣腔內(nèi)泄壓；氧化劑路及燃料路頂桿在液路彈簧及液體負載的作用下運動到關(guān)閉位置，實現(xiàn)雙組元液路的關(guān)閉。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 先導式電磁氣動控制技術(shù)

某空間飛行器系統(tǒng)需要能分別快速控制4臺雙組元發(fā)動機開啟及關(guān)閉的閥門。產(chǎn)品的設(shè)計采用先導式電磁氣動控制技術(shù)，通過重量40 g、電磁吸力大于20 N的氣路導閥，給液路主閥提供1 060 N的開啟力，完成對雙組元發(fā)動機氧化劑路和燃料路控制，實現(xiàn)快速響應(yīng)的功能。先導式電磁氣動閥開啟/關(guān)閉工作原理見圖1。

1.3.2 四機集成技術(shù)

將4臺電磁氣動閥進行集成化設(shè)計，形成電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)。在該設(shè)計方案中，利用殼體內(nèi)部空間加工氣體和液體流道；在集成殼體外部不僅為4臺推力室預留安裝位置和對接接口，同時還要為氧化劑貯箱、燃料貯箱提供對接接口和密封結(jié)構(gòu)。采用此設(shè)計方案，將氣路和液路流道、推力室與閥門對接接口、貯箱安裝接口及所需要密封結(jié)構(gòu)集于一體，省去了與氧化劑、燃料貯箱之間的連接管路和其自身的安裝支架。

圖1 電磁氣動閥開啟/關(guān)閉工作原理圖Fig.1 Block diagrams for functional principles of opening and closing the pneumatic solenoid valve

通過四機集成結(jié)構(gòu)形成多個分支流道，對推進劑進行流量再分配，確保推進劑快速供應(yīng)，實現(xiàn)了電磁氣動閥四機集成的快速響應(yīng)。經(jīng)過對流道的反復優(yōu)化，最終確定雙組元電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)氣、液路流道模型如圖2所示。

圖2 氣、液路流道模型Fig.2 Model of gas and liquid flow passage

整個集成結(jié)構(gòu)殼體中集成了1套氣路及2套液路的立體供應(yīng)系統(tǒng)，簡便、可靠的完成了4路閥門控制氣體及八路液路集成供應(yīng)系統(tǒng)。

由于四機集成技術(shù)的應(yīng)用，使電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)的殼體不但具有安裝和支撐功能，還具有流道分配功能。

1.3.3 電火花加工技術(shù)應(yīng)用

氣路由1路總的氣路進口，通過設(shè)計2條直徑1.5 mm、深80 mm的十字交叉孔，實現(xiàn)將總的氣源分配到4路控制氣的進口，該Φ1.5 mm深孔采用電火花方法完成。

液體分別由上、下兩路進口進入，如圖2所示。在每路液路進口底部設(shè)計有4個長8 mm、寬5 mm的方孔，將總進口液體分配到對應(yīng)液路閥芯組件進口，由于受結(jié)構(gòu)尺寸限制，上述方孔也采用電火花技術(shù)加工。

2 仿真計算

2.1 先導電磁閥電磁場仿真

根據(jù)設(shè)計需要，產(chǎn)品的氣路入口負載作用力為9.8 N，為了保證產(chǎn)品可靠開啟，先導電磁閥的開啟力需要20 N，為此，產(chǎn)品投產(chǎn)前對新設(shè)計的先導電磁閥進行了通電30 V電磁場仿真，電磁場仿真見圖3，產(chǎn)品測試結(jié)果見表1。

圖3 先導電磁閥電磁場仿真Fig.3 Result of electromagnetic field simulation of guide solenoid valve

表1 產(chǎn)品測試結(jié)果Tab.1 Testing result of products

仿真結(jié)果為：磁路的最大磁感應(yīng)強度為1.4 T，電磁吸力30.95 N；產(chǎn)品實測值：電磁吸力25.48～26.46 N。仿真結(jié)果真實有效，新設(shè)計產(chǎn)品滿足使用要求。

2.2 電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)液路流阻仿真

電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)的流道存在多處直角彎道、閥芯組件的小孔截流和閥口截流，這會造成流阻損失。系統(tǒng)要求在入口負載6 MPa及額定水流量610 g/s條件下流阻不大于1.2 MPa，為了驗證設(shè)計結(jié)構(gòu)在流阻方面能否滿足任務(wù)要求，在設(shè)計初期就對產(chǎn)品流道進行反復優(yōu)化設(shè)計和流阻仿真。

經(jīng)過反復優(yōu)化，最終確定了雙組元四機流道模型。利用Pre/E繪制流道模型，然后利用CFdesign軟件進行流阻計算。氧化劑路入口壓力6 MPa、當量水流量為610 g/s；燃料路入口壓力6 MPa、當量水流量為473 g/s。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于企業(yè)培訓體系下的專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量分析板，具備更加方便清理的優(yōu)點，解決了現(xiàn)有專業(yè)人才培養(yǎng)用質(zhì)量分析板大多采用白板和白板筆，當使用一定時間后，由于白板上的字痕未擦干凈而留下的污漬，難以清洗，影響美觀和使用的問題。

經(jīng)過仿真，氧化劑路流阻仿真結(jié)果為0.96 MPa，燃料路流阻仿真結(jié)果為0.58 MPa。產(chǎn)品實測值：氧化劑路流阻實測值范圍為0.88～1.07 MPa，燃料路流阻實測值范圍為0.54～0.65 MPa。從仿真和產(chǎn)品實測值可以看出，氧化劑路流阻和燃料路流阻實測值和仿真結(jié)果基本一致，達到了設(shè)計預期，完全滿足任務(wù)要求。

3 試驗

3.1 電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)試驗

針對電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)進行了流阻、動作裕度、響應(yīng)特性及密封性試驗，得到其主要性能參數(shù)，見表2?？梢钥闯觯葘诫姶艢鈩娱y指標完全滿足任務(wù)指標要求。

表2 電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)主要性能參數(shù)匯總表Tab.2 Main performance parameters for integrated structure of four pneumatic solenoid valves

3.2 發(fā)動機系統(tǒng)試驗

為進一步驗證電磁氣動閥的實際性能以及與推力室聯(lián)合工作情況，進行了發(fā)動機單機熱試車。在試驗中，為考核發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)及脈沖工作能力，進行了多種形式的脈沖考核。發(fā)動機穩(wěn)態(tài)試車性能曲線見圖4，脈沖性能曲線見圖5，脈沖試驗火焰脈沖節(jié)奏清晰、穩(wěn)定、火焰明亮。

圖4 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)試車曲線Fig.4 Typical curves of engine in steady state

圖5 脈沖工作曲線Fig.5 Working curves of engine in pulse state

通過試車結(jié)果可以看出，電磁氣動閥四機集成設(shè)計完全滿足任務(wù)需求。該電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)現(xiàn)已順利通過了飛行試驗考核。

4 結(jié)論

通過電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到以下結(jié)論：

2） 利用集成化設(shè)計，不但實現(xiàn)了電磁氣動閥四機集成結(jié)構(gòu)與氧化劑貯箱、燃料貯箱及4臺推力室的無管路、無附加支架的連接安裝，而且保證了4路氣體及8路液體的無管路集中供應(yīng)。

3）電磁氣動閥四機集成設(shè)計實現(xiàn)了體積小、重量輕的目的。

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