新型針式高壓隔離閥的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

王建維，李 林，王平陽，周長斌，杭觀榮

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112）

0 引言

用于微小衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制的推力極小，精度極高，一般為毫牛甚至微牛量級(jí)［1］。同時(shí)，微小衛(wèi)星編隊(duì)飛行要求保持各衛(wèi)星間的相對位置而非絕對位置，所需的最小沖量極小，這就對在軌推進(jìn)系統(tǒng)提出了苛刻的要求［2-3］。冷氣推進(jìn)由于成本低和可靠性高，在微小衛(wèi)星姿軌控制中有廣泛應(yīng)用［4］。同時(shí)，電推進(jìn)系統(tǒng)以其比沖高、推力小且容易精確控制等優(yōu)點(diǎn)，大有趕超之勢［5-6］。氣體推進(jìn)劑作為冷氣推進(jìn)的推進(jìn)劑，也是目前電推進(jìn)系統(tǒng)常用的推進(jìn)劑，存在易泄漏、難以長期儲(chǔ)存等問題［7-8］。根據(jù)空間推進(jìn)任務(wù)的需要，氣體推進(jìn)劑有時(shí)需要在高壓貯箱內(nèi)密閉長達(dá)數(shù)年，因此，不僅要保證用于隔離貯箱內(nèi)高壓氣體的隔離閥在數(shù)年后可正常開啟，而且還要求在高壓條件下嚴(yán)格控制泄漏量［9］。

為了降低泄漏或者因故障不能正常開啟的風(fēng)險(xiǎn)，隔離閥通常采用常閉一次性的設(shè)計(jì)［10］。常閉一次性設(shè)計(jì)的隔離閥在開啟前可以保證良好的密封性能，有效解決了氣體推進(jìn)劑易泄漏的問題。區(qū)別于常規(guī)閥門可以多次重復(fù)使用，此類隔離閥僅能夠使用一次，即開啟后便失去了作為隔離閥的作用。

采用常閉一次性的火力隔離閥，利用儲(chǔ)存于隔離閥內(nèi)部的爆炸材料在爆炸瞬間產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)活塞裝置開啟隔離閥［10］。雖然此設(shè)計(jì)保證了火力隔離閥良好的氣密性能，但是隔離閥內(nèi)部爆炸材料的存儲(chǔ)量以及瞬間劇烈的爆炸過程均難以控制。同時(shí)，其火力啟動(dòng)方式在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大震動(dòng)，也會(huì)對衛(wèi)星上的電子元器件造成較大影響［11］。

之后發(fā)展的熱啟動(dòng)熔斷式隔離閥在沿用傳統(tǒng)隔離閥常閉一次性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用熱啟動(dòng)的方式［12-14］。熱啟動(dòng)的方式需先加熱并融化用于密封氣體通道的焊料金屬，利用高壓氣體吹破熔融的焊料金屬打開氣體通道。由于氣體通道入口位于焊料金屬的下游，在此過程中因高壓氣體吹破熔融的焊料金屬所產(chǎn)生金屬碎屑極有可能通過氣體通道入口進(jìn)入氣體通道。采用熱啟動(dòng)的方式盡管很大程度減小了震動(dòng)，但在此過程中產(chǎn)生的金屬碎屑極有可能進(jìn)入并堵塞下游氣體通道造成嚴(yán)重的航天事故［14］。雖然熱啟動(dòng)隔離閥配備了不同尺寸的過濾器，但一方面對氣體流動(dòng)造成較大影響；另一方面很難保證過濾器是否會(huì)被金屬碎屑堵塞。同時(shí)，熱啟動(dòng)隔離閥需要多個(gè)用來熔化密封焊料金屬及墊塊金屬等部件的加熱裝置，導(dǎo)致功率消耗較大，難以滿足微小衛(wèi)星對低功率的嚴(yán)格要求［13］。同時(shí)，過濾器的存在限制了熱啟動(dòng)熔斷式隔離閥尺寸的進(jìn)一步縮小，限制了其在微小衛(wèi)星上的應(yīng)用。

無論火力隔離閥還是熔斷式隔離閥，其隔離裝置均位于氣體通道入口的上游以隔離貯箱內(nèi)高壓氣體推進(jìn)劑。此外，兩者均采用破壞隔離裝置的方式開啟隔離閥，但在此過程中會(huì)產(chǎn)生大量金屬碎屑。這些金屬碎屑會(huì)被高壓氣體推進(jìn)劑直接吹進(jìn)位于隔離裝置正下方的氣體通道，不同于以往隔離閥直接破壞隔離裝置產(chǎn)生金屬碎屑并極易堵塞下游氣體通道。本文提出的隔離閥采用中空設(shè)計(jì)的啟動(dòng)針穿破隔離裝置，即將位于啟動(dòng)針頂部的徑向氣體通道入口緩慢送至隔離裝置的上游。開啟隔離閥后，氣體通道入口位于隔離裝置的上游，而啟動(dòng)針穿破隔離裝置的過程中可能產(chǎn)生的金屬碎屑會(huì)被高壓氣體推進(jìn)劑吹至隔離裝置的下游，故可很大程度上減少金屬碎屑進(jìn)入并堵塞氣體通道。同時(shí)，對該新型隔離閥進(jìn)行可行性試驗(yàn)和隔離閥性能參數(shù)測量。

1 隔離閥的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的隔離閥包括陶瓷套筒、基座、啟動(dòng)針、隔離裝置和閥蓋等主要部件，如圖1 所示［15］。陶瓷套筒固定在基座的外側(cè)，一方面用于固定加熱元件；另一方面在基座與加熱元件之間起到絕緣作用。支撐裝置直接鑄造在基座本體內(nèi)部，與基座本體融為一體組成基座。在基座內(nèi)部的中心螺紋孔上固定著啟動(dòng)針，啟動(dòng)針正上方放置隔離裝置，閥蓋放在隔離裝置正上方。在閥蓋與隔離裝置及基座與隔離裝置接觸的地方，分別裝有密封圈保證良好的密閉性。

圖1 隔離閥的三維分解圖Fig.1 Three-dimensional exploded view of the isolation valve

為了保證用于隔離貯箱內(nèi)高壓氣體的隔離閥在數(shù)年后可正常開啟，不僅要能減少啟動(dòng)針穿透隔離裝置的過程中產(chǎn)生的金屬碎屑進(jìn)入啟動(dòng)針內(nèi)部微通道，而且還要保證啟動(dòng)針有足夠的強(qiáng)度可以順利穿破金屬隔離裝置。為了實(shí)現(xiàn)以上這個(gè)目標(biāo)，隔離閥采用中空設(shè)計(jì)的啟動(dòng)針穿破隔離裝置開啟隔離閥，如圖2 所示。中空設(shè)計(jì)的啟動(dòng)針類似于醫(yī)用注射器的針頭。醫(yī)用注射器的針頭是在針頭的頂端設(shè)置軸向微孔，這樣在穿破隔離裝置的過程中，通道入口與隔離裝置的接觸面積最大，很容易有碎屑進(jìn)入并堵塞針頭內(nèi)部微通道［16］。此外，醫(yī)用針頭是用于穿破皮膚組織，其針頭的強(qiáng)度很難穿破金屬隔離裝置。

圖2 啟動(dòng)針二維截面圖Fig.2 Two-dimensional sectional view of the starting needle

區(qū)別于注射器針頭在針頭頂端設(shè)置軸向微孔，啟動(dòng)針的設(shè)計(jì)為在針頭頂端對稱設(shè)置兩個(gè)孔徑極小的徑向側(cè)孔，使得通道入口與隔離裝置的接觸面積最小，從而大大減少在啟動(dòng)針穿破隔離裝置的過程中可能產(chǎn)生的金屬碎屑進(jìn)入針頭內(nèi)部微通道。從啟動(dòng)針的底端向上設(shè)置一個(gè)孔徑極小的軸向微孔至針頭處，且與側(cè)孔連通。徑向側(cè)孔作為氣體通道的入口，在打開隔離閥后將暴露于上游高壓側(cè)，如圖3 所示。啟動(dòng)針的材料采用硬度大、熔點(diǎn)高的不銹鋼。啟動(dòng)針的針頭部分采用外徑為1 mm、內(nèi)徑為0.6 mm 的毛細(xì)不銹鋼管加工而成。啟動(dòng)針的針尖為圓錐面，針尖高度為0.8 mm。采用電火花打孔技術(shù)在針尖處對稱設(shè)置兩個(gè)孔徑為0.6 mm 的徑向側(cè)孔。徑向側(cè)孔距離針尖頂部1 mm，這樣保證了徑向側(cè)孔位于針尖鋒面的下側(cè)。如果距離小于1 mm，徑向側(cè)孔將位于啟動(dòng)針的針尖圓錐面上；在啟動(dòng)針穿破隔離裝置的過程中，氣體通道入口與隔離裝置接觸面積增大，導(dǎo)致更多金屬碎屑進(jìn)入氣體微通道。從啟動(dòng)針的底端向上設(shè)置一個(gè)孔徑為0.6 mm 的軸向微孔至針頭處，且與側(cè)孔連通。

圖3 隔離閥的二維截面Fig.3 Two-dimensional sectional view of the isolation valve

隔離裝置用以隔離上游高壓氣體推進(jìn)劑，由球缺狀支撐裝置和鑄造于其上表面的低熔點(diǎn)金屬薄層兩部分組成。金屬薄層采用低熔點(diǎn)、低硬度的金屬或者合金，起到隔離高壓氣體的作用。球缺狀支撐裝置采用熔點(diǎn)高、硬度高的金屬或合金，用于支撐上面金屬薄層。同時(shí)沿球缺狀支撐裝置軸向開有微孔，孔徑稍大于啟動(dòng)針外徑，保證啟動(dòng)針可順利穿過該微孔。

基座作為閥體的支撐，用以放置上述其他部件。沿基座軸線設(shè)置一個(gè)孔徑較小的螺紋通孔，其作用一方面作為氣體通道通向下游，另一方面用以固定啟動(dòng)針?；捎没倔w和直接鑄造于其內(nèi)部的環(huán)狀支撐裝置組成。環(huán)狀支撐裝置支撐著其正上方的隔離裝置以平衡高壓側(cè)氣體施加的壓力。支撐裝置采用低熔點(diǎn)金屬或合金，當(dāng)被加熱時(shí)支撐裝置可以快速軟化并且易于變形。當(dāng)啟動(dòng)隔離閥時(shí)先加熱支撐裝置使其軟化，上游高壓氣體能夠推動(dòng)隔離裝置壓縮軟化的支撐裝置，從而使隔離裝置可向下游移動(dòng)一定距離。由于隔離閥內(nèi)部空間有限，環(huán)狀支撐裝置允許被壓縮的最大距離僅為2 mm 左右。

隔離閥的主要部件如圖4 所示，其中圖4（a）為基座本體，基座本體底部顏色比較暗的地方就是螺紋孔。螺紋孔是一個(gè)通孔，一方面用于固定啟動(dòng)針，另一方面用于連通下游管道，如圖4（b）所示?；倔w上表面上的環(huán)狀凹槽即為密封環(huán)槽，在閥蓋上相應(yīng)位置也設(shè)置了對應(yīng)的密封環(huán)槽。鑄造好的基座，緊貼基座本體內(nèi)壁面的部分為鑄造好的套筒狀支撐裝置，如圖4（b）所示。加工好的球缺狀支撐裝置，中間顏色較暗的地方為沿軸向設(shè)置的通孔，直徑稍大于啟動(dòng)針外徑如圖4（c）所示，保證啟動(dòng)針可順利穿過。加工好的啟動(dòng)針，啟動(dòng)針的針尖為圓錐面，緊鄰圓錐面的黑色小孔即為徑向側(cè)孔，如圖4（d）所示，在其下面對稱的位置也設(shè)置了一個(gè)同樣的徑向側(cè)孔。

圖4 隔離閥主要部件Fig.4 Main components of isolation valve

1.2 工作原理

啟動(dòng)隔離閥，首先接通加熱裝置兩端的電源，對鑄造于基座內(nèi)部的支撐裝置進(jìn)行加熱。隨著支撐裝置不斷受熱軟化，上游高壓氣體將緩慢推動(dòng)隔離裝置不斷壓縮支撐裝置。隨著隔離裝置向下移動(dòng)，其正下方的啟動(dòng)針將從隔離裝置的微孔穿出直至穿破鑄造于隔離裝置上表面的金屬或合金薄層，如圖3 所示。此時(shí)針頭處的徑向側(cè)孔已暴露于高壓氣體側(cè)，而徑向側(cè)孔與啟動(dòng)針內(nèi)部通向氣體下游的微通道相連通，故通向下游的氣體通道被打開。在啟動(dòng)前，需保證鑄造于啟動(dòng)裝置上表面金屬或合金薄層不會(huì)被上游高壓氣體穿透，但在滿足一定安全余量的同時(shí)金屬或合金薄層的厚度盡可能小。實(shí)驗(yàn)中選用的金屬或合金薄層厚度為0.5 mm，以保證隔離閥可正常開啟。啟動(dòng)過程中隔離裝置溫度相對較低，有效避免了隔離裝置上表面的金屬或合金因加熱熔化而被氣體吹破產(chǎn)生金屬碎屑。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

通常要求用于隔離貯箱內(nèi)高壓氣體推進(jìn)劑的隔離閥能夠承受比較高的壓力，同時(shí)還要在數(shù)年后可正常開啟。由于微型隔離閥采用中空設(shè)計(jì)的啟動(dòng)針穿破隔離裝置的啟動(dòng)方式，開啟過程中有可能會(huì)產(chǎn)生金屬碎屑。為了測試微型高壓隔離閥的耐壓性能、能否正常開啟、是否會(huì)產(chǎn)生金屬碎屑以及可能產(chǎn)生的金屬碎屑對氣體流動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖5 所示。采用儲(chǔ)存于高壓貯箱內(nèi)的高壓氮?dú)庾鳛閷?shí)驗(yàn)氣體，依次通過調(diào)節(jié)閥門、壓力計(jì)1（P1）、待測隔離閥、壓力計(jì)2（P2）、氣體流量計(jì)。通過調(diào)節(jié)閥門可以調(diào)節(jié)隔離閥上游氣體壓強(qiáng)的大小。壓力計(jì)1、壓力計(jì)2 分別測量隔離閥上、下游氣體壓強(qiáng)。流量計(jì)用于測量在不同工況下通過隔離閥的氣體流量。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of the experimental setup

實(shí)驗(yàn)將從以下3 個(gè)方面進(jìn)行：1）隔離閥耐壓測試，測試隔離閥能否承受10 MPa 高壓；2）隔離閥能否正常開啟，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中對其開啟時(shí)間及功率進(jìn)行記錄；3）隔離閥的性能分析。啟動(dòng)針內(nèi)部的微通道為隔離閥內(nèi)部通道直徑最小的部分，金屬碎屑對氣體微通道的影響主要取決于其對啟動(dòng)針內(nèi)部微通道的影響。因此，主要是通過對開啟隔離閥前后通過啟動(dòng)針的氣體流量進(jìn)行對比，分析金屬碎屑對隔離閥內(nèi)部微通道的影響。

2.2 開啟試驗(yàn)及流量測量

隔離閥的開啟壓強(qiáng)設(shè)定為10 MPa，加熱元件兩端的電壓為8 V，通過的電流為0.697 A，即加熱功率為5.576 W。在接通加熱元件兩端的電源之前，經(jīng)測試隔離閥能夠承受該壓強(qiáng)。接通加熱元件兩端的電源，通過檢測隔離閥后面的壓力計(jì)是否有示數(shù)來判斷隔離閥是否開啟。在相同條件下進(jìn)行多次開啟實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測得其平均開啟時(shí)間為15.56min。

在開啟隔離閥前后，分別測量了啟動(dòng)針兩端不同壓差下所對應(yīng)的氣體流量，如圖6 所示。從圖中可以看到，通過啟動(dòng)針的氣體流量隨著隔離閥兩端壓差的增大而增大?？梢园l(fā)現(xiàn)開啟隔離閥前后，通過啟動(dòng)針的流量變化并不大。相應(yīng)地，可以得出開啟隔離閥的過程中，金屬碎屑對啟動(dòng)針內(nèi)部通道的影響是很小的。

圖6 開啟隔離閥前后通過啟動(dòng)針的氣體流量Fig.6 Gas flow through the starting needle before and after opening the isolation valve

3 隔離閥性能分析

為定量地分析金屬碎屑對啟動(dòng)針內(nèi)部通道的影響大小，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過回歸分析進(jìn)行擬合處理［17-19］。

根據(jù)開啟隔離閥之前通過啟動(dòng)針的氣體流量的點(diǎn)線圖，可設(shè)其回歸方程為

式中：A和B為參數(shù)。

對式（1）線性化處理得

經(jīng)計(jì)算，可得式（2）的相關(guān)系數(shù)為0.999。對比相關(guān)系數(shù)表，可認(rèn)為Y與X之間的線性相關(guān)關(guān)系特別顯著。因此，可認(rèn)為上述假設(shè)的回歸方程式（1）是成立的，故可得y關(guān)于x的回歸方程：

為了驗(yàn)證曲線回歸方程式（3）與測量數(shù)據(jù)的擬合程度，一般采用相關(guān)指數(shù)R2作為衡量回歸效果好壞的指標(biāo)，即

R2（或R）越大，越接近1，則表明所配曲線的效果越好。經(jīng)計(jì)算其值為0.996，故可認(rèn)為曲線回歸方程式（3）與所測量數(shù)據(jù)擬合較好。

同理，可得開啟隔離閥之后通過啟動(dòng)針的氣體流量關(guān)于壓差的曲線回歸方程為

其相關(guān)指數(shù)R2=0.971。故可認(rèn)為曲線回歸方程式（5）與所測數(shù)據(jù)擬合較好。

利用上述擬合的曲線方程，可得開啟隔離閥后通過啟動(dòng)針的氣體流量與開啟之前氣體流量的比率，如圖7 所示。以氣體流量的比率作為衡量開啟隔離閥過程中所產(chǎn)生金屬碎屑對氣體微通道影響的指標(biāo)。由圖7 可知，在所測量區(qū)間范圍內(nèi)氣體流量的比率一直分布在95%附近。氣體比率隨著壓差的增大逐漸增大并接近100%，表明隨著壓差的增大開啟隔離閥之后的氣體流量在逐漸接近開啟之前的氣體流量。因此，可以認(rèn)為金屬碎屑對氣體微通道的影響比較小。并且，隨著隔離閥兩端壓差的增大，金屬碎屑對氣體微通道的影響逐漸減小。

圖7 開啟隔離閥前后通過啟動(dòng)針的流量之比隨壓差的變化Fig.7 The ratio of volume flow through the starting needle before and after opening the isolation valve varies with the pressure difference

4 結(jié)束語

1）所設(shè)計(jì)的微型高壓隔離閥，用于空間任務(wù)中隔離高壓氣體推進(jìn)劑，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全、穩(wěn)定等特性。在10 MPa左右的壓強(qiáng)條件下，只需要約5.6 W的功率便能打開隔離閥，能很好地滿足微小衛(wèi)星對低功率的嚴(yán)格要求。

2）金屬碎屑對啟動(dòng)針內(nèi)微通道的影響是一個(gè)很重要的因素。在開啟隔離閥的過程中，為了盡可能減少金屬碎屑的產(chǎn)生量，則要求隔離裝置的溫度盡可能低。同時(shí)，要保證開啟隔離閥的過程為啟動(dòng)針穿過隔離裝置打開氣體通道而非隔離裝置被高壓氣體吹破打開氣體通道。

3）氣體通道入口的位置，也就是啟動(dòng)針針尖至徑向微孔距離是個(gè)十分重要的參數(shù)。如果這個(gè)距離小于1.0 mm，可能導(dǎo)致在啟動(dòng)針穿過隔離裝置的過程中產(chǎn)生較多的金屬碎屑。如果大于1.5 mm，由于隔離裝置金屬薄層的厚度為0.5 mm，氣體通道入口距離隔離裝置上游的距離將大于2.0 mm，故在環(huán)狀支撐裝置有效的壓縮范圍內(nèi)無法使氣體通道入口進(jìn)入高壓氣體側(cè)，從而導(dǎo)致隔離閥無法正常開啟。因此，要控制氣體通道入口至啟動(dòng)針針尖的距離在1.0～1.5 mm 之間。