CN108119259B - 一种自修正推力肼推进装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自修正推力肼推进装置及其方法，装置包括顺序连接的高压气瓶、减压器、比例调节阀、推进剂储罐、肼发动机、燃烧室压力变送器、信号调理模块；所述信号调理模块与比例调节阀连接；方法包括高压气瓶输出的气体经减压器减压后，通过比例调节阀输入至推进剂储罐，推进剂储罐内的推进剂被挤推进肼发动机内用于产生动能；燃烧室压力变送器将检测到的燃烧室压力信号发送至信号调理模块；信号调理模块将燃烧室压力信号进行调理后输出控制电压来控制比例调节阀。本发明结构简单、稳定、精准。

Description

一种自修正推力肼推进装置及其方法
技术领域
本发明涉及到航天领域中推进系统中的单组元肼推进系统及推进方法，准确的说是一种肼推进装置与方法。
背景技术
在航空航天领域，肼推力系统广泛用于卫星、运载火箭、飞船等飞行器的姿态轨道控制。随着导弹精确制导，可返回式飞船，可回收火箭等新需求和高精度的要求，对肼推进装置的要求也越来越严格。肼推进装置的一般工作方式为，通过高压惰性气体挤推储罐中的推进剂进入肼推力器，推进剂在肼推力器里通过催化分解，产生高温高压气体，来实现推力功能，推力的大小与推进剂进入推力器的流量成正比。目前肼推进装置中的推进剂传输方法有两种，一种是落压式推进剂传输，一种是恒压式推进剂传输。
落压式推进剂传输的原理是推进剂和挤推气体放在同一个存储装置里，用软性隔膜隔离开，这样随着推进剂传输到肼推力器而逐渐减少，挤推气体压力也会不断变小，这样就产生随着推进剂的传输，其推进剂流量是随着挤推气体压力减小而不断减小的，对肼推力器所造成的影响就是推力不断的变化。这样它的缺点就显而意见。
恒压式式推进剂传输原理是挤推气体存储装置与推进剂存储装置为2个独立的装置，挤推气体存储装置通过减压器可以为推进剂存储装置提供稳定的挤推压力，这样进入肼推力器的推进剂流量会比落压式推进剂传输系统稳定，进而使推力器产生的推力也相对稳定。
但是由两个因素影响了恒压式推进剂传输系统的推进剂传输稳定性，其一，推力器的流阻并不是恒定定不变的，推力器内的催化剂为颗粒状固体，随着推力器的工作，催化剂会因填装不均匀、损耗、烧结等原因使得其流阻不断变化。因为挤推压力恒定，这就造成了推进剂流量随流阻的变化而变化，进而产生推力变化。
目前，为了增加肼推进装置的推力精度一般采用以下办法，一是提高推力器内肼催化剂的强度，减少破损，目前来说还没有研制出使用过程中不破损的催化剂；二是采用推进剂直接流量控制的方法，比如泵吸式，泵吸式无法满足小流量肼推进装置。综上所述，无法为推力器提供稳定的推进剂流量供给，这将直接导致整个推力系统无法提供精确地推力，进而影响火箭、飞船等的轨道控制精度。
针对以往肼推进装置的不足，结合当下的技术新需求，一种自修正推力肼推进装置与方法是非常必要的，可以提高整个肼推力装置的推力精度，进而提高火箭、飞船、等的轨道控制精度。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种肼推进装置推力精度自修正的放法，利用“稳态”状态下系统压力为平衡状态，得出系统压力平衡方程，根据压力平衡方程，调节比例调节阀的开度信号，又根据室压推力关系，进而实现调节推力精度。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种自修正推力肼推进装置，包括顺序连接的高压气瓶、减压器、比例调节阀、推进剂储罐、肼发动机、燃烧室压力变送器、信号调理模块；所述信号调理模块与比例调节阀连接；
高压气瓶的输出管路上依次设有减压器、比例调节阀、推进剂储罐和肼发动机，肼发动机的燃烧室测压管与燃烧室压力变送器连接，燃烧室压力变送器信号输出端与信号调理模块输入端连接；信号调理模块输出端与控制比例调节阀控制端连接。
所述信号调理模块包括比较器、运算放大器、开关和电阻；比较器的反向输入端、正向输入端分别通过电阻连接燃烧室压力变送器的信号输出端、压力设定端，输出端分别通过电阻与第一开关的输入端、第二开关的输入端连接，第一开关的输出端、第二开关的输出端分别通过电阻与第一运算放大器的反向输入端、正向输入端连接；第一开关的控制端、第二开关的控制端分别连接燃烧室压力变送器的信号输出端、压力设定端；
第一运算放大器的反向输入端通过电阻连有电源，还通过电阻与输出端、比例调节阀的控制端连接；第一运算放大器的正向输入端通过电阻与第二运算放大器的输出端、反向输入端连接，第二运算放大器的正向输入端与第一运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的反向输入端用于输入比例阀设定值，并与输出端之间连有电阻。
一种自修正推力肼推进方法，包括以下步骤：
高压气瓶输出的气体经减压器减压后，通过比例调节阀输入至推进剂储罐，推进剂储罐内的推进剂被挤推进肼发动机内用于产生动力；
燃烧室压力变送器将检测到的燃烧室压力信号发送至信号调理模块；
信号调理模块将燃烧室压力信号进行调理后输出控制电压控制比例调节阀。
所述信号调理模块将燃烧室压力信号进行调理后输出控制电压包括以下步骤：
信号调理模块的比较器将燃烧室压力信号VPT与设定电压VP0进行比较，输出TTL电平信号；
当VPT≥VP0时，比较器输出低电平，使第一开关与第二开关截止；第一运算放大器正向输入端电压为VR0，反向输入端电压为0，即有VRT＝VR0，第一运算放大器输出VRT控制调节阀；VRT为调节阀控制电压，VR0为调节阀参考电压；
当VPT＜VP0时，比较器输出高电平，使第一开关与第二开关导通；第一运算放大器正向输入端电压为VP0+VR0，反向输入端为VPT，即有VRT＝VP0+VR0‐VPT，第二运算放大器输出VRT控制调节阀。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明结构简单、稳定、精准。
2.本发明的信号调理模块采用简单，低成本的集成运放，能够实现比其他控制装置更快的控制响应速度。
3.本发明根据推力的大小与燃烧室压力为线性关系和系统压力平衡关系，通过燃烧室压力的变化量控制比例阀的调节量，实现对燃烧室压力的闭环控制，进而提高了肼推进装置推力精度。
4.本发明相对一般的控制方法大大的减少了系统复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1高压气瓶、2减压器、3比例调节阀、4推进剂储罐、5肼发动机、6燃烧室压力变送器、7信号调理模块；
图2为本发明的信号调理模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明包括高压气瓶、减压器、比例调节阀、推进剂储罐、肼发动机、发动机燃烧室压力变送器、信号调理模块；高压气瓶内气体通过减压器减压，用比例调节阀调出输出压力，气体进入推进剂储罐挤推储罐内液体推进剂，推进剂流入肼发动机，通过发动机内的催化剂催化分解作用而产生高温高压气体，进而产生推力。为了产生需要的稳定精准的推力，本发明采用如下方法实现：发动机工作后采集燃烧室压力，通过压力信号调理，直接控制比例调节阀开度。
一种自修正推力肼推进装置，包括高压气瓶1、减压器2、比例调节阀3、推进剂储罐4、肼发动机5、燃烧室压力变送器6、信号调理模块7；高压气瓶1输出管路上依次有减压器2、比例调节阀3、推进剂储罐4连接肼发动机5，肼发动机5上的燃烧室测压管连接燃烧室压力变送器6，压力变送器输出端连接信号调理模块7，信号调理模块7输出连接比例调节阀3；
燃烧室压力变送器6用于检测肼发动机5燃烧室压力状态，状态信号通过信号调理模块的调理后直接控制比例调节阀3状态。
状态包括设计挤推压力PR0、设计燃烧室压力PC0、当前挤推压力PRT、当前燃烧室压力PCT。
状态信号包括设计挤推压力PR0所对应的控制电压信号VR0、设计燃烧室压力PC0所对应的燃烧室压力变送器6对应输出的电压信号VP0、当前挤推压力PRT所对应的控制电压信号VRT、当前燃烧室压力PCT所对应的燃烧室压力变送器6对应输出的电压信号VPT。
所述燃烧室压力变送器测量压力范围与比例调节阀调节压力范围相等，燃烧室压力变送器输出电压范围与比例调节阀控制电压范围相等。
一种自修正推力肼推进的方法，包括以下步骤：
调节信号调理模块VR0、VP0值，使之为设计电压；
信号调理模块采集当前燃烧室压力PCT所对应的燃烧室压力变送器6对应输出的电压信号VPT，经过模拟运算得出当前挤推压力PVT所对应的控制电压信号VRT，进而控制比例调节阀3开度。
燃烧室压力变送器6输出电压，通过信号调理模块7调理后直接控制比例调节阀3的开度，具体为比例调节阀3的开度通过以下方式得出：
设计中当推力系统进入“稳态”工作状态，系统压力平衡方程为：
PR0-PC0＝△Pg+△Ph+△Pp+△PB0；①
△Pg、△Ph、△Pp、△PB0分别为系统管路、阀门、喷注器、催化床压降。
根据实际工作状态，随着推力系统的工作,催化床压降因为催化剂破裂的原因会越来越大，进而导致PC0减小为PCT。所以变化后的“稳态”工作状态，系统压力平衡方程为：
PRT-PCT＝△Pg+△Ph+△Pp+△PBT；②
PRT为调节后的挤推压力；△PBT为增大后的催化床压降；
结合①②得到(PRT-PR0)+(PC0-PCT)＝(△PBT-△PB0)；③
当挤推压力不变时有：
(PC0-PCT)＝-(△PB0-△PBT)；④
当燃烧室压力保持不变时有：
(PRT-PR0)＝(△PBT-△PB0)；⑤
可以看出燃烧室压力减少量即为催化床压降增加量，即为挤推压力也就是比例调节阀出口压力增加量。
又因为：F＝C*PCT*A；
式中F为推力，C为常数，A为喷管喉部面积(为定值)。
所以调节燃烧室压力即为调节推力精度。
信号调理模块根据设定状态和检测状态直接变送输出比例调节阀信号。设定状态包括设计挤推压力和设计室压。检测状态为燃烧室实际室压。
系统工作时，室压信号通过信号调理模块直接变送成比例调节阀调节信号。
当未在“稳态下”信号调理模块输出设计压力的比例调节阀控制信号。
信号调理模块根据设定状态和实际状态直接变送输出比例调节阀信号，其变送方法为：
根据(PRT-PR0)＝(△PBT-△PB0)；，设计为燃烧室压力传感器测量压力范围与比例调节阀调节压力范围相等，燃烧室压力变送器输出电压范围与比例调节阀控制电压范围相等。调节信号调理模块VR0、VP0值，使之为设计电压；信号调理模块采集当前燃烧室压力PCT所对应的燃烧室压力变送器对应输出的电压信号VPT，经过模拟运算得出当前挤推压力PRT所对应的控制电压信号VRT，进而控制比例调节阀开度。
模拟运算由信号调理电路实现。
如图2所示，燃烧室压力变送器输出信号电压VPT与燃烧室压力变送器参考信号电压VP0用比较器进行比较，VPT与VP0同时连接在高电平导通开关器件上，比例阀调节阀参考电压VR0连接到运算放大器1正端和运算放大器2负端，VRT为比例阀调节阀调节电压。若VPT＞VP0则VRT＝VR0；若VPT＜VP0则VRT＝VP0+VR0-VPT。
如图1所示，本系统由高压气瓶1、减压器2、比例调节阀3、推进剂储罐4、肼发动机5、燃烧室压力变送器6、信号调理模块7组成。
本系统的设计过程如下：
1)根据图1的连接方法实现肼推进装置，设计为燃烧室压力传感器测量压力范围与比例调节阀调节压力范围相等，燃烧室压力变送器输出电压范围与比例调节阀控制电压范围相等。
2)事先根据设计计算额定挤推压力PR0和额定室压PC0，给信号调理模块提供相对应的电压VR0、VP0。
3)VR0为设计挤推压力PR0下比例阀调节阀调节电压，VP0为设计室压PC0下压力变送器输出电压。
4)燃烧室压力变送器采用测量范围0-5MPa对应0-5V电压输出，比例调节阀调节范围为0-5MPa，对应调节电压为0-5V。
5)设计燃烧室室压PC0为0.8MPa时，通过计算推进剂储罐到肼发动机之间的管路损耗，得出推进剂储罐压力PV0为1.2MPa。
6)即VP0为0.8V，VR0为1.2V。
7)调节图2VP0输入端电压为0.8V，调节VR0输入端电压为1.2V。
8)根据图2，VPT为燃烧室压力变送器输出电压，VRT为比例阀调节阀调节电压。
9)根据图2，VPT连接压力变送器输出端，VRT连接比例阀调节阀控制端。
当系统运行，肼发动机工作时，系统可以自行修正稳定经发动机燃烧室压力。

Claims (3)

1.一种自修正推力肼推进装置，其特征在于：包括顺序连接的高压气瓶(1)、减压器(2)、比例调节阀(3)、推进剂储罐(4)、肼发动机(5)、燃烧室压力变送器(6)、信号调理模块(7)；所述信号调理模块(7)与比例调节阀(3)连接；
高压气瓶(1)的输出管路上依次设有减压器(2)、比例调节阀(3)、推进剂储罐(4)和肼发动机(5)，肼发动机(5)的燃烧室测压管与燃烧室压力变送器(6)连接，燃烧室压力变送器(6)信号输出端与信号调理模块(7)输入端连接；信号调理模块(7)输出端与控制比例调节阀(3)控制端连接。
2.根据权利要求1所述的一种自修正推力肼推进装置，其特征在于所述信号调理模块(7)包括比较器、运算放大器、开关和电阻；比较器的反向输入端、正向输入端分别通过电阻连接燃烧室压力变送器(6)的信号输出端、压力设定端，输出端分别通过电阻与第一开关的输入端、第二开关的输入端连接，第一开关的输出端、第二开关的输出端分别通过电阻与第一运算放大器的反向输入端、正向输入端连接；第一开关的控制端、第二开关的控制端分别连接燃烧室压力变送器(6)的信号输出端、压力设定端；
第一运算放大器的反向输入端通过电阻连有电源，还通过电阻与输出端、比例调节阀的控制端连接；第一运算放大器的正向输入端通过电阻与第二运算放大器的输出端、反向输入端连接，第二运算放大器的正向输入端与第一运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的反向输入端用于输入比例阀设定值，并与输出端之间连有电阻。
3.一种自修正推力肼推进方法，其特征在于包括以下步骤：
高压气瓶(1)输出的气体经减压器(2)减压后，通过比例调节阀(3)输入至推进剂储罐(4)，推进剂储罐(4)内的推进剂被挤推进肼发动机(5)内用于产生动力；
燃烧室压力变送器(6)将检测到的燃烧室压力信号发送至信号调理模块(7)；
信号调理模块(7)将燃烧室压力信号进行调理后输出控制电压控制比例调节阀(3)；
所述信号调理模块(7)将燃烧室压力信号进行调理后输出控制电压包括以下步骤：
信号调理模块(7)的比较器将燃烧室压力信号VPT与设定电压VP0进行比较，输出TTL电平信号；
当VPT≥VP0时，比较器输出低电平，使第一开关与第二开关截止；第一运算放大器正向输入端电压为VR0，反向输入端电压为0，即有VRT＝VR0，第一运算放大器输出VRT控制调节阀(3)；VRT为调节阀控制电压，VR0为调节阀参考电压；
当VPT＜VP0时，比较器输出高电平，使第一开关与第二开关导通；第一运算放大器正向输入端电压为VP0+VR0，反向输入端为VPT，即有VRT＝VP0+VR0-VPT，第二运算放大器输出VRT控制调节阀(3)。
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