CN101915184B - 双工况挤压式输送系统及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
固液火箭发动机双工况、阶跃式大范围流量调节、挤压式输送系统方案属于固液火箭发动机的液体推进剂流量控制领域，包括高压气瓶、增压气路及其控制系统、储箱、液路双工况主阀、流量控制元件。通过对增压气路增压气体流量的调节，改变输送系统工作过程中储箱的压力，再由液路双工况主阀感受储箱压力改变工作状态，从而调节液体推进剂流量的供应，避免了单独调节增压气路或液路带来的流量调节范围狭小的缺点，实现液体流量供应在工作过程中的大范围、阶跃式改变。其中液路双工况主阀的设计实现了主阀和工况转换的功能，极大的简化了流量大范围变化的输送系统液体管路部分的结构和设计难度。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种双工况阶跃式大范围流量调节的挤压式输送系统的设计方案，属于固液火箭发动机的液体推进剂流量控制领域。
【背景技术】
在固液火箭发动机工作过程中，进行推力调节的关键技术之一在于对推进剂流量进行调节。
在固液火箭发动机输送系统中，一般采用挤压式输送系统。其中有使用高压气瓶给推进剂贮箱增压，稳定贮箱压力，以保证稳定流量的方案；也有利用推进剂自身高饱和蒸汽压特点，采用自增压输送系统的方案，如D.Van Pelt，J.Hopkins，etc.在《Overview of a 4-inch od paraffin-based hybrid sounding rocket program)》(AIAA2004-3822)中介绍的固液探空火箭中，氧化亚氮推进剂采用自增压挤压方式，没有增压气瓶。目前，大部分固液火箭发动机或液体火箭发动机输送系统由于增压气路和液体管路简单，不能对推进剂的流量进行大范围的调节，原因有两方面：1.只单独采用改变储箱压力的方法或采用改变液体流量控制元件(如气蚀文氏管)的方法，流量改变范围狭小；2.推进剂大范围流量改变后引起管路损失过大和推进剂在管路中积存的问题，导致无法实际运用。但是，地面发射的火箭、导弹等航天飞行器很多需要有两种工作状态以维持设计的飞行轨道，如常见的起飞阶段工况和巡航阶段工况。因此，对推进剂流量的双工况、阶跃式、大范围的调节有着切实的需求。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种应用于固液火箭发动机的双工况、阶跃式大范围流量调节挤压式输送系统的设计方法。本发明要解决的问题是通过简单的控制手段和可靠的管路系统完成推进剂流量供给的两种工况、大范围改变，从而降低成本，简化结构。
固液火箭发动机双工况挤压式输送系统，包括高压气瓶、增压气路及其控制系统、储箱、液路双工况主阀、流量控制元件。通过对增压气路增压气体流量的调节，改变输送系统工作过程中储箱的压力，再由液路双工况主阀感受储箱压力改变液体推进剂流量的供应，避免了单独调节增压气路或液路带来的流量调节范围狭小的缺点，实现液体流量供应在工作过程中的大范围改变。输送系统的设计过程如下：1.确定燃烧室两种工况下的工作压力；2.计算储箱至燃烧室间的管路损失，决定两种工况下储箱压力；3.计算维持两种工况储箱压力和相应工作时间条件下所需的增压气体容积和压力；4.设计液路双工况主阀，使其在储箱处于第一种工况时同时开启两条出口管路，在对应储箱的另一工况时只开启一条出口管路；5.设计输送系统工况转换控制时序。
本发明的优点和积极效果在于：(1)通过简单的控制方式和输送系统实现了发动机工作过程中两种工况、大范围流量调节的液体推进剂供应方案(2)液路双工况主阀的设计，极大的简化了流量大范围变化时，输送系统液体管路的设计难度(3)解决了输送系统流量大范围改变后管路损失大的缺点和消除了推进剂积存带来了安全隐患，因为本设计方案依赖于固液火箭发动机靠近喷注器的前燃室燃温低的特点和利用了工况主路推进剂流动从而降温技术。
【附图说明】
图1是双工况输送系统原理图
图2是双工况主阀原理图
【具体实施方式】
下面结合附图用实施例来进一步说明本发明。
如图1所示，本输送系统方案由增压气瓶组(1)、手阀(2、10)、减压器(3)、电磁阀(4、7)、节流孔(5)、储箱(6)、液路双工况主阀(9)、液路文氏管(8)组成。
输送系统的设计过程如下：
1.确定燃烧室两种工况下的工作压力Pc1和Pc2；
2.通过计算储箱至燃烧室间的管路损失，决定两种工况下储箱压力Pt1和Pt2；
3.计算维持两种工况储箱压力和相应工作时间条件下所需的增压气体容积Ppg和压力Vpg；
4.设计液路双工况主阀，使其在储箱处于第一种工况时同时开启两条出口管路，在对应储箱的另一工况时只开启一条出口管路；
5.设计输送系统工况转换控制时序：第一阶段工况维持时间t1，工况转换时间t2。
下面结合一个具体的运用实例，详细说明该挤压式输送系统的工作原理：
1、初始状态：
A、高压气瓶组容积12L，初始压力30MPa，温度283.15K，增压气体为氮气(N2)；
B、减压器稳定工作时，出口设计压力为7MPa；
C、两条增压气路有自锁电磁阀(4左、4右)控制开关，初始处于关闭状态，其中增压气体流量分别由节流孔(5左、5右)控制；
D、储箱容积85L，充灌113.5kg90％H2O2(密度1390kg/m3)，储箱初始压力6.3MPa；
E、液路双工况主阀(9)处于关闭状态，自锁电磁阀(7)通过引入储箱控制气控制主阀(9)的开启及工况转换，初始自锁电磁阀(7)处于关闭状态；
F、液路两个出口流量分别由液路文氏管(8左、8右)控制；
2、工作过程
A、第一工况阶段，流量4.5kg/s
首先同时开启自锁电磁阀(4左)和自锁电磁阀(7)，此时减压器出口为7MPa，储箱压力6.3MPa，节流孔(5左)工作于亚临界状态下，控制增压气体以297g/s的流量进行储箱增压；
此时，由于自锁电磁阀(7)开启，液路双工况主阀(9)感受到储箱6.3MPa，同时开启两条出口管路，两条管路在储箱压力和液路文氏管(8左、8右)控制控制下，以4.5kg/s的总流量供应推进剂；
此时，储箱内流入高压氮气和流出推进剂的质量经计算应维持储箱压力平衡于6.3MPa附近，从而保持推进剂以4.5kg/s的流量稳定供应；
B、t1＝3s开始转换工况
首先自锁电磁阀(4左)，停止进行储箱增压；由于此时推进剂流出，储箱压力迅速下降；经过一定的时间，当储箱压力下降至小于3MPa时，双工况主阀由储箱气体压力控制关闭装有液路文氏管(8右)的管路；
在储箱压力下降至接近2.5MPa时(t2＝7s)，开启自锁电磁阀(4右)，此时减压器出口为7MPa，储箱压力约为2.5MPa，节流孔(5右)工作于超临界状态下，控制增压气体以40g/s的流量进行储箱增压；
同时，装有液路文氏管(8左)的管路在储箱压力和文氏管控制下，以2kg/s的流量供应推进剂；
C、第二工况阶段，流量2kg/s
此后，储箱内流入高压氮气和流出推进剂的质量经计算应维持储箱压力平衡于2.5MPa附近，从而保持推进剂以2kg/s的流量稳定供应，直至推进剂全部输送完成。
3、结束过程
当储箱压力小于2MPa时，双工况主阀关闭。
从输送系统原理中可以看出，液路双工况主阀有开启输送系统和工况转换的双重功用，是该双工况输送系统中非常关键的一个零件，其结构原理图如图2所示。
液路双工况主阀由阀体(1)、衬套(2)、阀芯(3)、阀盖(4)、调整垫片(5)、弹簧(6)等组成，其中有一个液体入口和两个出口，上方右侧处为入口，下方中间处为主路出口，垂直纸面向里左侧为旁路出口(为方便表示，图中用虚线画出)。初始阶段，阀腔内为大气压力，在弹簧力的作用下，阀芯运动至最左端，两个出口均处于关闭状态。在第1工况阶段，阀腔感受储箱6.3MPa压强，与弹簧力的合力方向向右，阀芯向右运动到极限位置停止，阀门两个出口同时打开。在第2工况阶段，阀腔感受储箱2.5MPa压强，气体对阀芯的作用力减小，与弹簧力共同作用下，阀芯向左移动到设计位置停止，此时主路出口开启，旁路出口关闭完成工况转换。
Claims (3)
1.双工况挤压式输送系统的流量调节控制方法，系统包括高压气瓶、增压气路及其控制系统、储箱、液路双工况主阀、流量控制元件；其特征在于：通过对增压气路增压气体流量的调节，改变输送系统工作过程中储箱的压力，再由液路双工况主阀感受储箱压力改变液体推进剂流量的供应，避免了单独调节增压气路或液路带来的流量调节范围狭小的缺点，实现液体流量供应在工作过程中大范围的改变。
2.如权力要求1所述的双工况挤压式输送系统的流量调节控制方法，其特征在于：只需单独调节增压气路增压气体流量，即可同时改变液路供给系统状态，从而大范围改变流量。
3.如权力要求1所述的双工况挤压式输送系统的流量调节控制方法，其特征在于感受上游储箱压力调节阀门出口开关状态，配合下游文氏管调节流量大小。
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