CN114458475B - 一种火箭发动机的推进剂供给系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种火箭发动机推进剂供给系统及方法，涉及液体火箭发动机领域，包括：贮箱、流量计、压力传感器、容积泵、溢流阀、流量控制阀和控制器；容积泵用于将推进剂以恒定流量从贮箱出口输送到泵出口；溢流阀用于当流量控制阀控制的流量比容积泵排出的流量小时，使多余流量溢回贮箱；流量控制阀用于在溢流阀的控制压力下控制进入火箭发动机的推进剂的流量；控制器用于获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，计算下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度。本申请能够实现为火箭发动机提供小流量高压头的推进剂供给。

Description

一种火箭发动机的推进剂供给系统及方法

技术领域

本申请涉及液体火箭发动机领域，尤其是涉及一种火箭发动机的推进剂供给系统及方法。

背景技术

在液体火箭发动机供应系统领域，目前常见的燃气发生器循环、补燃循环等系统均采用离心泵增压的方式。推进剂经过离心泵增压后，下游采用流量控制阀来控制进入到液体火箭发动机中的流量。对于离心泵而言，其压力和流量是耦合的，也就是在一定转速下，经过离心泵的流量决定了离心泵后的压力。这样在确定离心泵工作点时需要由流量控制阀决定，同时需要保证流量控制阀的阀前压力和阀后压力满足火箭发动机的需求。

离心泵的压头与流过的流量之间的关系通常是随着流量的增大，离心泵的压头先基本保持水平，然后再逐渐下降。这样也就导致了在火箭发动机需要小流量的情况时，离心泵的压头无法继续升高。也就是说离心泵无法满足火箭发动机中需要小流量高压头的应用场景。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种火箭发动机的推进剂供给系统及方法，能够解决现有技术的离心泵无法满足火箭发动机中需要小流量高压头的应用场景的技术问题。

一方面，本申请实施例提供了一种火箭发动机推进剂供给系统，所述系统包括：贮箱、流量计和压力传感器，所述系统还包括：容积泵、溢流阀、流量控制阀和控制器；

所述容积泵，用于将推进剂以恒定流量从贮箱出口输送到泵出口；

所述溢流阀，用于当流量控制阀控制的流量比容积泵排出的流量小时，使多余流量溢回贮箱；

所述流量控制阀，用于在溢流阀的控制压力下控制进入火箭发动机的推进剂的流量；

所述控制器，用于获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度。

进一步的，当容积泵为齿轮泵，所述控制器还用于计算容积泵的初始转速，具体为：

获取齿轮泵的基准转速n₀：

其中，B为齿轮泵的齿宽，m为齿轮模数，Z为齿轮齿数，α为压力角，ρ为推进剂的密度；p₀为火箭发动机的目标压力，q_m0为火箭发动机的目标流量；

则齿轮泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

进一步的，一个柱塞泵或多个并联的柱塞泵，所述控制器还用于计算容积泵的初始转速，具体为：

获取柱塞泵的初始基准转速n₀：

其中，ρ为推进剂的密度，q为柱塞泵的排量；q_m0为火箭发动机的目标流量；

所述柱塞泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

进一步的，所述控制器还用于计算溢流阀的初始控制压力和流量控制阀的初始开度，具体为：

溢流阀的入口压力p_llin满足：

A_C为流量控制阀的初始开度：

ΔA_C为流量控制阀的初始开度的变化，σ为压力恢复系数，p₀为火箭发动机的目标压力；μ为流量系数，p_S为流过液体的饱和蒸气压；

则溢流阀的初始控制压力p_yl：

p_yl＝p_llin。

进一步的，获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度，包括：

步骤S1：获取当前时刻t_k流量计测量的进入火箭发动机的推进剂的实际流量，计算目标流量与当前时刻的实际流量的差e_qk；

步骤S2：判断e_qk是否满足：0≤e_qk≤ξ_q，ξ_q为流量差阈值，若为否，则计算第一PD控制器输出的电压u_qk：

u_qk＝K_p1e_qk+K_d1(e_qk-e_q，k-1)

其中，K_p1和K_d1均为第一PD控制器的比例因子；e_q，k-1为目标流量与上一时刻t_k-1的实际流量的差；

将u_qk作为电压信号值控制下一时刻容积泵的转速，进入步骤S3；否则，直接进入步骤S3；

步骤S3：获取当前时刻t_k压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的实际压力，计算目标压力与当前时刻的实际压力的差e_pk；

步骤S4：判断当e_pk是否满足：0≤e_pk≤ξ_p，ξ_p为压力差阈值，若为否，计算第二PD控制器输出的电压u_pk：

u_pk＝K_p2e_pk+K_d2(e_pk-e_p，k-1)

其中，K_p2和K_d2均为第二PD控制器的比例因子；e_p，k-1为目标压力与上一时刻t_k-1的实际压力的差；

将u_pk作为电压信号值控制下一时刻溢流阀的开启压力，进入步骤S5；否则，直接进入步骤S5；

步骤S5：当0≤e_qk≤ξ_q且0≤e_pk≤ξ_p，计算PID控制器输出的电压u_k：

其中，K_p、K_i和K_d均为PID控制器的比例因子；

将u_k作为电压信号值控制下一时刻所述流量控制阀的开度。

另一方面，本申请实施例提供了一种火箭发动机推进剂供给方法，应用于本申请实施例的火箭发动机推进剂供给系统，包括：

所述控制器获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度；

所述容积泵将推进剂以恒定流量从贮箱出口输送到泵出口；

当流量控制阀控制的流量比容积泵排出的流量小时，所述溢流阀使多余流量溢回贮箱；

在溢流阀的控制压力下，所述流量控制阀控制进入火箭发动机的推进剂的流量。

进一步的，当容积泵为齿轮泵，所述方法还包括：所述控制器计算容积泵的初始转速，具体为：

获取齿轮泵的基准转速n₀：

其中，B为齿轮泵的齿宽，m为齿轮模数，Z为齿轮齿数，α为压力角，ρ为推进剂的密度；p₀为火箭发动机的目标压力，q_m0为火箭发动机的目标流量；

则齿轮泵的初始转速

的取值范围为基准转速n0的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

进一步的，当容积泵为一个柱塞泵或多个并联的柱塞泵，所述方法还包括：所述控制器计算容积泵的初始转速，具体为：

获取柱塞泵的初始基准转速n₀：

其中，ρ为推进剂的密度，q为柱塞泵的排量；q_m0为火箭发动机的目标流量；

所述柱塞泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

进一步的，所述方法还包括：所述控制器计算溢流阀的初始控制压力和流量控制阀的初始开度，具体为：

溢流阀的入口压力p_llin满足：

A_C为流量控制阀的初始开度：

ΔA_C为流量控制阀的初始开度的变化，σ为压力恢复系数，p₀为火箭发动机的目标压力；μ为流量系数，p_S为流过液体的饱和蒸气压；

则溢流阀的初始控制压力p_yl：

p_yl＝p_llin。

进一步的，所述控制器获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度；包括：

步骤S1：获取当前时刻t_k流量计测量的进入火箭发动机的推进剂的实际流量，计算目标流量与当前时刻的实际流量的差e_qk：

步骤S2：判断e_qk是否满足：0≤e_qk≤ξ_q，ξ_q为流量差阈值，若为否，则计算第一PD控制器输出的电压u_qk：

u_qk＝K_p1e_qk+K_d1(e_qk-e_q，k-1)

其中，K_p1和K_d1均为第一PD控制器的比例因子；e_q，k-1为目标流量与上一时刻t_k-1的实际流量的差；

将u_qk作为电压信号值控制下一时刻容积泵的转速，进入步骤S3；否则，直接进入步骤S3；

步骤S3：获取当前时刻t_k压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的实际压力，计算目标压力与当前时刻的实际压力的差e_pk；

步骤S4：判断当e_pk是否满足：0≤e_pk≤ξ_p，ξ_p为压力差阈值，若为否，计算第二PD控制器输出的电压u_pk：

u_pk＝K_p2e_pk+K_d2(e_pk-e_p，k-1)

其中，K_p2和K_d2均为第二PD控制器的比例因子；e_p，k-1为目标压力与上一时刻t_k-1的实际压力的差；

将u_pk作为电压信号值控制下一时刻溢流阀的开启压力，进入步骤S5；否则，直接进入步骤S5；

步骤S5：当0≤e_qk≤ξ_q且0≤e_pk≤ξ_p，计算PID控制器输出的电压u_k：

其中，K_p、K_i和K_d均为PID控制器的比例因子；

将u_k作为电压信号值控制下一时刻所述流量控制阀的开度。

本申请能够实现为火箭发动机提供小流量高压头的推进剂供给。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的火箭发动机推进剂供给系统组成原理示意图；

图2为本申请实施例提供的系统参数设计计算流程图；

图3为本申请实施例提供的带齿轮泵的推进剂供给系统；

图4为本申请实施例提供的带柱塞泵的推进剂供给系统；

图5为本申请实施例提供的火箭发动机推进剂供给方法的流程图。

图标：101-推进剂贮箱，102-容积泵，103-溢流阀，104-流量控制阀，105-流量计，106-火箭发动机，107-压力传感器，108-控制器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先对本申请实施例的设计思想进行简单介绍。

本申请适用于液体火箭发动机领域，尤其是液体火箭发动机中需要小流量高压头的泵压式液体火箭发动机。在液体火箭发动机中，氧化剂与燃料流量的比值为混合比，决定发动机性能的主要是混合比和燃烧室压力。为了获得最佳性能，混合比一般处于最佳混合比附近，燃烧室压力越高其发动机的比冲性能越好，大多数发动机的燃烧室压力在1MPa至30MPa之间，而泵后的压力需要比燃烧室压力高才能保证发动机系统正常工作。当发动机的推力较小时，其流量也相应较小，例如当发动机的推力不到1000N时，其氧化剂和燃料的流量和一般不超过400g左右，假设过氧化氢煤油的混合比为7.5，则燃料的流量为50g左右，因此小推力泵压式发动机系统中就需要小流量高压头的供给系统。

本申请采用容积泵和溢流阀配合的方式代替现有的离心泵，可以解决两方面的问题。首先是容积泵采用压缩流体的方式进行增压，离心泵是靠旋转机械的动能转化为流体的压力能，因此容积泵的压头可以很大，这样就能够满足液体火箭发动机小流量大压头的使用情况。另外一方面，通过溢流阀控制容积泵的泵后压力，就将流量控制阀和泵之间解耦，也就是说当流量控制阀的开度确定后，还可以通过溢流阀调节容积泵的泵后压力，而在离心泵系统中当流量控制阀的开度确定后其泵后压力也是随之确定的了。

为此，如图1所示，本申请实施例提供了一种火箭发动机的推进剂供给系统，包括：贮箱、容积泵、溢流阀和流量控制阀。

贮箱用来贮存推进剂，可以是氧化剂或燃料。

容积泵是依靠活塞、柱塞、隔膜、齿轮等工作件在泵体内作往复运动或回转运动，使泵体内若干个工作腔的容积周期性地变化，而交替地吸入和排出液体的一种泵。相比离心泵，容积泵具有转数低、效率高、自吸能力强、运转平稳的特点。容积泵的主要作用是将液体以恒定流量从贮箱出口输送到泵的出口。

溢流阀，在容积泵调节系统中，容积泵提供的是恒定流量。当流量控制阀控制的流量比容积泵排出的流量小时，系统泵后压力增大，此时溢流阀开启，使多余流量溢回贮箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定。

流量控制阀的控制流量的原理一般均采用汽蚀原理，即在喉部最小截面处产生汽蚀，即能保证通过的流量稳定，在汽蚀状态下其流量控制阀的阀前压力与流量的关系如下所示：

其中，q_m为通过流量控制阀的流量，μ为流量系数，A_C为流量控制阀的喉部的几何面积，ρ为推进剂的密度，p₀为流量控制阀的阀前压力，p_s为流过液体的饱和蒸气压。

火箭发动机是将推进剂贮箱的推进剂进行燃烧的装置，进而变成高速射流，利用牛顿第三运动定律的原理而产生推力。

在液体火箭发动机领域，本申请实施例采用容积泵与溢流阀相互配合的方式，即贮箱出口连接容积泵，容积泵出口连接溢流阀，溢流阀的出口连接流量控制阀，溢流口返回贮箱的方式。利用这样的连接方式，可以通过溢流阀的控制压力来调整流量控制阀的阀前压力进而微调流量。

在液体火箭发动机领域，容积泵采用齿轮泵或柱塞泵来供给的方式。齿轮泵具有结构简单、流量均匀、工作可靠等特性，主要用来输送可以润滑使用的油类物质。柱塞泵依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸流体、压流体，具有更广泛的物质适用性。在不适用齿轮泵的工况下可以使用柱塞泵。

柱塞泵在使用过程中，其压力存在脉动，在吸流体时压力较低，压流体时压力较高，因此输出压力不平稳。因此，在实际使用中可以使用2台或者多台柱塞泵并联的方式，使各个柱塞泵在工作时相差一定的周期，这样使压力更平稳。

进入火箭发动机内的流量采用流量控制阀和溢流阀联合调节的方式。流量控制阀可以调节其开度进而改变流通面积，而流量与开度的平方关系成线性关系。溢流阀的控制压力可以调节流量控制阀的阀前压力，而流量基本与阀前压力的1/2次方成线性关系，因此通过调节流量控制阀的开度来粗调流量，而采用溢流阀的控制压力来细调流量，从而实现流量的精准控制。

根据火箭发动机推进剂的目标流量和目标压力，通过图2所示的流程，获得溢流阀的控制压力、流量控制阀的开度和容积泵的转速，从而实现对火箭发动机特定流量和压力的供给。

在介绍了本申请实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本申请实施例提供的技术方案进行说明。

如图3所示，本申请实施例提供了一种火箭发动机推进剂供给系统，包括：推进剂贮箱101、容积泵(齿轮泵)102、溢流阀103、流量控制阀104、流量计105、压力传感器107和控制器108，用于为火箭发动机106提供推进剂供给。

齿轮泵102是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体的回转泵。由两个齿轮、泵体与前后盖组成两个封闭空间，两个齿轮的旋向相反。当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，而将液体挤入管路中去。吸入腔与排出腔是靠两个齿轮的啮合线来隔开的。齿轮泵102的排出口的压力完全取决于泵出口处阻力的大小。这个阻力的大小就可以通过溢流阀103来控制，而在离心泵的供给系统中则不可以单独控制泵出口的压力。

齿轮泵泵壳上无吸入阀和排出阀，具有结构简单，流量均匀、工作可靠等特性，主要用来输送可以润滑使用的油类物质。齿轮泵的流量由以下公式计算：

其中，Q为齿轮泵的体积流量，B为齿轮泵的齿宽，m为齿轮模数，n为泵的转速，Z为齿轮齿数，α为压力角。

从齿轮泵的流量计算公式中可以看出，齿轮的齿宽、模数、齿数、压力角均为齿轮泵的固有参数，制造完成后将不会发生改变。由此可见，对于一个固定的齿轮泵，其流量与排出压力无关，只与齿轮泵的转速成线性关系。

溢流阀103包含3个流体接口，分别为入口、出口和溢流口。溢流阀103的入口是泵后的流体流入，溢流阀103的作用主要是保证溢流阀的出口压力为所设定的恒定值。溢流阀分别直动式和先导式溢流阀两种，在管路通径较小的情况下一般使用直动式溢流阀，在管路通径较大的情况下一般使用先导式溢流阀。当溢流阀的入口存在一定流量的液体进入时，随着流体的流入其泵后压力逐渐升高，并向下游的流量控制阀流入。一般容积泵所提供的流量要高于控制阀所能流通的流量，那么无法流过流量控制阀的流体将会通过溢流口流回贮箱。溢流阀的控制压力由下式计算：

其中，p为溢流阀的控制压力，k为弹簧的弹性系数，x₀为弹簧的预压缩量，A为受力面积，F′为先导阀的调定压力，在直动式阀门中不包含此项。

因此，在调节溢流阀的控制压力时，需要由伺服驱动机构调节弹簧的预压缩量，这样就能够利用溢流阀来单独控制泵后的压力。

经过溢流阀103的流体，将进入到流量控制阀104中。流量控制阀104的原理一般均采用汽蚀原理，即在喉部最小截面处产生汽蚀，即能保证通过的流量稳定，在汽蚀状态下固定喉部截面积的流量只与阀前压力相关。因此，经过流量控制阀104的流量可以通过溢流阀103的控制压力来进行调节，但是在离心泵中对于某一转速下的离心泵和流量控制阀，其阀前的压力是随之确定的，无法进行自主调节。推进剂在进入到火箭发动机之前，通过流量计105和压力传感器107分别测量推进剂的流量和压力，以保证进入到火箭发动机中的推进剂满足一定的流量和压力要求。

如图4所示，该系统采用柱塞泵代替齿轮泵的方式，齿轮泵的动力源是一个圆周运动的动力源，可与其他很多动力源直接相连，例如涡轮、电动机等，但齿轮泵一般情况下适用于粘性流体，尤其是油类物质，既具有粘度高的特点，又具有润滑的特性。在不适合使用齿轮泵的情况下，可以采用柱塞泵代替齿轮泵的方式。柱塞泵依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸流体、压流体，具有更广泛的物质适用性。但柱塞泵在使用过程中，其压力存在脉动，在吸流体时压力较低，压流体时压力较高，因此输出压力不平稳。因此，在实际使用中可以使用2台或者多台柱塞泵并联的方式，使各个柱塞泵在工作时相差一定的周期，这样使压力更平稳。

对于此种低流量高压头的推进剂供给方式，与以往的离心泵供给系统具有不同的设计与计算流程。对于某一发动机，给定发动机的目标压力p₀和目标流量q_m0。对于齿轮泵而言，通过发动机的流量需求计算齿轮泵的转速n₀：

其中，B为齿轮泵的齿宽，m为齿轮模数，Z为齿轮齿数，α为压力角，ρ为推进剂的密度。

为了使容积泵的流量高于发动机的流量需求，一般将转速取为计算转速n₀的1.2至1.5倍，并将新的转速进行圆整得到

溢流阀的溢流量的计算如下：

对于柱塞泵而言，通过发动机的流量需求计算柱塞泵的转速n₀如下式：

其中，q为柱塞泵的排量，即柱塞泵转一转所能排出的流体体积。

对于柱塞泵而言，溢流阀的溢流量的计算如下：

为了保证溢流阀工作在安全范围内，需要对溢流量进行校验，其校验公式如下：

其中，

为溢流阀的许用的溢流流量。也就是说，当溢流流量高于许用值时，将需要返回重新选取转速，以保证溢流量满足要求。

发动机的入口压力需求为p₀，根据入口压力需求计算流量控制阀的入口压力如下式所示：

p_llin≥p₀/σ (6)

其中，p_llin为流量控制阀的入口压力，σ为压力恢复系数。流量控制阀的入口压力一般而言越低，对于系统而言其更简单，降低零部件的耐压要求。压力恢复系数为与流量、入口压力相关的系数，是在保证汽蚀条件下的最大出口压力与入口压力的比值。

根据公式(6)计算选取某一入口压力为

利用发动机的流量需求和流量控制阀的入口压力来计算流量控制阀的开度：

其中，μ为流量系数，在计算中可根据经验值或试验值给定，A_C为流量控制阀的喉部的几何面积，ρ为流过液体的密度，p_S为流过液体的饱和蒸气压。

由于流量控制阀的流量系数在使用过程中是不断变化的，且在不同工况的情况下也存在着变化。为了保证在流量控制阀的开度发生变化的情况，其流量控制阀的阀前压力也满足使用要求，假设开度的变化为ΔA_C，则相应的阀前压力应该满足如下公式要求：

再利用计算所得的

进行(6)和(7)的计算，直至满足公式(8)的要求。经过如此循环计算，可以得到流量控制控制阀的开度和流量控制阀的阀前压力的值。

在得到流量控制阀的阀前压力后，可以利用公式(9)计算溢流阀的控制压力：

由此计算流程可以看出，在容积泵的转速和流量控制阀的开度一定时，还可以通过调节溢流阀的控制压力来调节推进剂的流量，这样可以通过压力来微调流量，比通过流量控制阀的开度来调节能够误差更小。因为在流量控制阀中，其流量与阀前压力与饱和蒸气压之差的1/2次方呈线性关系，而与流量控制阀的开度(等效直径)的2次方呈线性关系，因此使用此系统的另一优点即是可以利用流量控制阀大范围调节推进剂的流量，同时利用溢流阀的控制压力微调推进剂的流量。而在离心泵系统中，流量控制阀的阀前压力是随着流量控制阀的开度随之而确定的。

上述计算步骤可由控制器108进行执行，然后输出至齿轮泵或柱塞泵、溢流阀103和流量控制阀104。

针对于流量和压力的控制，采用协同控制的方法。在运行过程中，目标流量和目标压力作为输入源，流量计105和压力传感器107实时测量当前状态下的实际流量和压力。控制器108执行下述步骤：

步骤S1：获取当前时刻t_k流量计测量的进入火箭发动机的推进剂的实际流量，计算目标流量与当前时刻的实际流量的差e_qk；

步骤S2：判断e_qk是否满足：0≤e_qk≤ξ_q，ξ_q为流量差阈值，若为否，则计算第一PD控制器输出的电压u_qk：

u_qk＝K_p1e_qk+K_d1(e_qk-e_q，k-1)

其中，K_p1和K_d1均为第一PD控制器的比例因子；e_q，k-1为目标流量与上一时刻t_k-1的实际流量的差；

将u_qk作为电压信号值控制下一时刻容积泵的转速，进入步骤S3；否则，直接进入步骤S3；

步骤S3：获取当前时刻t_k压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的实际压力，计算目标压力与当前时刻的实际压力的差e_pk；

步骤S4：判断当e_pk是否满足：0≤e_pk≤ξ_p，ξ_p为压力差阈值，若为否，计算第二PD控制器输出的电压u_pk：

u_pk＝K_p2e_pk+K_d2(e_pk-e_p，k-1)

其中，K_p2和K_d2均为第二PD控制器的比例因子；e_p，k-1为目标压力与上一时刻t_k-1的实际压力的差；

将u_pk作为电压信号值控制下一时刻溢流阀的开启压力，进入步骤S5；否则，直接进入步骤S5；

步骤S5：当0≤e_qk≤ξ_q且0≤e_pk≤ξ_p，计算PID控制器输出的电压u_k：

其中，K_p、K_i和K_d均为PID控制器的比例因子；

将u_k作为电压信号值控制下一时刻所述流量控制阀的开度。

容积泵转速和溢流阀的控制压力均采用PID控制方法来使流量和压力处于设置的阈值范围之内，保证了系统流量和压力快速到达目标值附近，并减小超调；流量控制阀采用PID控制方法微调系统流量和压力，保证了系统快速、降低超调的基础上还能够消除稳态误差，提高压力调节精度。

基于上述本申请实施例的火箭发动机推进剂供给系统，如图5所示，本申请实施例提供了一种火箭发动机推进剂供给方法，包括：

步骤201：所述控制器获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度；

步骤202：所述容积泵将推进剂以恒定流量从贮箱出口输送到泵出口；

步骤203：当流量控制阀控制的流量比容积泵排出的流量小时，所述溢流阀使多余流量溢回贮箱；

步骤204：在溢流阀的控制压力下，所述流量控制阀控制进入火箭发动机的推进剂的流量。

在本实施例中，当容积泵为齿轮泵，所述方法还包括：所述控制器计算容积泵的初始转速，具体为：

获取齿轮泵的基准转速n₀：

其中，B为齿轮泵的齿宽，m为齿轮模数，Z为齿轮齿数，α为压力角，ρ为推进剂的密度；p₀为火箭发动机的目标压力，q_m0为火箭发动机的目标流量；

则齿轮泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

在本实施例中，当容积泵为一个柱塞泵或多个并联的柱塞泵，所述方法还包括：所述控制器计算容积泵的初始转速，具体为：

获取柱塞泵的初始基准转速n₀：

其中，ρ为推进剂的密度，q为柱塞泵的排量；q_m0为火箭发动机的目标流量；

所述柱塞泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

在本实施例中，所述方法还包括：所述控制器计算溢流阀的初始控制压力和流量控制阀的初始开度，具体为：

溢流阀的入口压力p_llin满足：

A_C为流量控制阀的初始开度：

ΔA_C为流量控制阀的初始开度的变化，σ为压力恢复系数，p₀为火箭发动机的目标压力；μ为流量系数，p_s为流过液体的饱和蒸气压；

则溢流阀的初始控制压力p_yl：

p_yl＝p_llin。

在本实施例中，所述控制器获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度；包括：

步骤S1：获取当前时刻t_k流量计测量的进入火箭发动机的推进剂的实际流量，计算目标流量与当前时刻的实际流量的差e_qk；

步骤S2：判断e_qk是否满足：0≤e_qk≤ξ_q，ξ_q为流量差阈值，若为否，则计算第一PD控制器输出的电压u_qk：

u_qk＝K_p1e_qk+K_d1(e_qk-e_q，k-1)

其中，K_p1和K_d1均为第一PD控制器的比例因子；e_q，k-1为目标流量与上一时刻t_k-1的实际流量的差；

将u_qk作为电压信号值控制下一时刻容积泵的转速，进入步骤S3；否则，直接进入步骤S3；

步骤S3：获取当前时刻t_k压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的实际压力，计算目标压力与当前时刻的实际压力的差e_pk；

步骤S4：判断当e_pk是否满足：0≤e_pk≤ξ_p，ξ_p为压力差阈值，若为否，计算第二PD控制器输出的电压u_pk：

u_pk＝K_p2e_pk+K_d2(e_pk-e_p，k-1)

其中，K_p2和K_d2均为第二PD控制器的比例因子；e_p，k-1为目标压力与上一时刻t_k-1的实际压力的差；

将u_pk作为电压信号值控制下一时刻溢流阀的开启压力，进入步骤S5；否则，直接进入步骤S5；

步骤S5：当0≤e_qk≤ξ_q且0≤e_pk≤ξ_p，计算PID控制器输出的电压u_k：

其中，K_p、K_i和K_d均为PID控制器的比例因子；

将u_k作为电压信号值控制下一时刻所述流量控制阀的开度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种火箭发动机推进剂供给系统，所述系统包括：贮箱、流量计和压力传感器，其特征在于，所述系统还包括：容积泵、溢流阀、流量控制阀和控制器；

所述容积泵，用于将推进剂以恒定流量从贮箱出口输送到泵出口；

所述溢流阀，用于当流量控制阀控制的流量比容积泵排出的流量小时，使多余流量溢回贮箱；

所述流量控制阀，用于在溢流阀的控制压力下控制进入火箭发动机的推进剂的流量；

所述控制器，用于获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度；

其中，当容积泵为齿轮泵，所述控制器还用于计算容积泵的初始转速，具体为：

获取齿轮泵的基准转速n₀：

其中，B为齿轮泵的齿宽，m为齿轮模数，Z为齿轮齿数，α为压力角，ρ为推进剂的密度；p₀为火箭发动机的目标压力，q_m0为火箭发动机的目标流量；

则齿轮泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

2.根据权利要求1所述的火箭发动机推进剂供给系统，其特征在于，当容积泵为一个柱塞泵或多个并联的柱塞泵，所述控制器还用于计算容积泵的初始转速，具体为：

获取柱塞泵的初始基准转速n₀：

其中，ρ为推进剂的密度，q为柱塞泵的排量；q_m0为火箭发动机的目标流量；

所述柱塞泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

3.根据权利要求1或2所述的火箭发动机推进剂供给系统，其特征在于，所述控制器还用于计算溢流阀的初始控制压力和流量控制阀的初始开度，具体为：

溢流阀的入口压力p_llin满足：

A_C为流量控制阀的初始开度：

ΔA_C为流量控制阀的初始开度的变化，σ为压力恢复系数，p₀为火箭发动机的目标压力；μ为流量系数，p_s为流过液体的饱和蒸气压；

则溢流阀的初始控制压力p_yl：

p_yl＝p_llin。

4.根据权利要求1所述的火箭发动机推进剂供给系统，其特征在于，获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度，包括：

步骤S1：获取当前时刻t_k流量计测量的进入火箭发动机的推进剂的实际流量，计算目标流量与当前时刻的实际流量的差e_qk；

步骤S2：判断e_qk是否满足：0≤e_qk≤ξ_q，ξ_q为流量差阈值，若为否，则计算第一PD控制器输出的电压u_qk：

u_qk＝K_p1e_qk+K_d1(e_qk-e_q，k-1)

其中，K_p1和K_d1均为第一PD控制器的比例因子；e_q,k-1为目标流量与上一时刻t_k-1的实际流量的差；

将u_qk作为电压信号值控制下一时刻容积泵的转速，进入步骤S3；否则，直接进入步骤S3；

步骤S3：获取当前时刻t_k压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的实际压力，计算目标压力与当前时刻的实际压力的差e_pk；

步骤S4：判断当e_pk是否满足：0≤e_pk≤ξ_p，ξ_p为压力差阈值，若为否，计算第二PD控制器输出的电压u_pk：

u_pk＝K_p2e_pk+K_d2(e_pk-e_p，k-1)

其中，K_p2和K_d2均为第二PD控制器的比例因子；e_p,k-1为目标压力与上一时刻t_k-1的实际压力的差；

将u_pk作为电压信号值控制下一时刻溢流阀的开启压力，进入步骤S5；否则，直接进入步骤S5；

步骤S5：当0≤e_qk≤ξ_q且0≤e_pk≤ξ_p，计算PID控制器输出的电压u_k：

其中，K_p、K_i和K_d均为PID控制器的比例因子；

将u_k作为电压信号值控制下一时刻所述流量控制阀的开度。

5.一种火箭发动机推进剂供给方法，应用于权利要求1-4任一项所述的火箭发动机推进剂供给系统，其特征在于，包括：

所述控制器获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度；

所述容积泵将推进剂以恒定流量从贮箱出口输送到泵出口；

当流量控制阀控制的流量比容积泵排出的流量小时，所述溢流阀使多余流量溢回贮箱；

在溢流阀的控制压力下，所述流量控制阀控制进入火箭发动机的推进剂的流量；

其中，当容积泵为齿轮泵，所述方法还包括：所述控制器计算容积泵的初始转速，具体为：

获取齿轮泵的基准转速n₀：

其中，B为齿轮泵的齿宽，m为齿轮模数，Z为齿轮齿数，α为压力角，ρ为推进剂的密度；p₀为火箭发动机的目标压力，q_m0为火箭发动机的目标流量；

则齿轮泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

6.根据权利要求5所述的火箭发动机推进剂供给方法，其特征在于，当容积泵为一个柱塞泵或多个并联的柱塞泵，所述方法还包括：所述控制器计算容积泵的初始转速，具体为：

获取柱塞泵的初始基准转速n₀：

其中，ρ为推进剂的密度，q为柱塞泵的排量；q_m0为火箭发动机的目标流量；

所述柱塞泵的初始转速

的取值范围为基准转速n₀的1.2至1.5倍；而且根据初始转速

计算出的溢流阀的溢流量q_myl应不小于溢流阀的许用的溢流流量

其中溢流阀的溢流量q_myl为：

7.根据权利要求5或6所述的火箭发动机推进剂供给方法，其特征在于，所述方法还包括：所述控制器计算溢流阀的初始控制压力和流量控制阀的初始开度，具体为：

溢流阀的入口压力p_llin满足：

A_C为流量控制阀的初始开度：

ΔA_C为流量控制阀的初始开度的变化，σ为压力恢复系数，p₀为火箭发动机的目标压力；μ为流量系数，p_s为流过液体的饱和蒸气压；

则溢流阀的初始控制压力p_yl：

p_yl＝P_llin。

8.根据权利要求5所述的火箭发动机推进剂供给方法，其特征在于，所述控制器获取当前时刻流量计和压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的流量和压力，根据目标流量和目标压力，计算并输出下一时刻的容积泵的转速、溢流阀的控制压力和流量控制阀的开度；包括：

步骤S1：获取当前时刻t_k流量计测量的进入火箭发动机的推进剂的实际流量，计算目标流量与当前时刻的实际流量的差e_qk；

步骤S2：判断e_qk是否满足：0≤e_qk≤ξ_q，ξ_q为流量差阈值，若为否，则计算第一PD控制器输出的电压u_qk：

u_qk＝K_p1e_qk+K_d1(e_qk-e_q，k-1)

其中，K_p1和K_d1均为第一PD控制器的比例因子；e_q,k-1为目标流量与上一时刻t_k-1的实际流量的差；

将u_qk作为电压信号值控制下一时刻容积泵的转速，进入步骤S3；否则，直接进入步骤S3；

步骤S3：获取当前时刻t_k压力传感器测量的进入火箭发动机的推进剂的实际压力，计算目标压力与当前时刻的实际压力的差e_pk；

步骤S4：判断当e_pk是否满足：0≤e_pk≤ξ_p，ξ_p为压力差阈值，若为否，计算第二PD控制器输出的电压u_pk：

u_pk＝K_p2e_pk+K_d2(e_pk-e_p，k-1)

其中，K_p2和K_d2均为第二PD控制器的比例因子；e_p,k-1为目标压力与上一时刻t_k-1的实际压力的差；

将u_pk作为电压信号值控制下一时刻溢流阀的开启压力，进入步骤S5；否则，直接进入步骤S5；

步骤S5：当0≤e_qk≤ξ_q且0≤e_pk≤ξ_p，计算PID控制器输出的电压u_k：

其中，K_p、K_i和K_d均为PID控制器的比例因子；

将u_k作为电压信号值控制下一时刻所述流量控制阀的开度。

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