CN114930013A - 用于液体燃料火箭的阀定时系统 - Google Patents

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Abstract

根据一个示例的液体燃料火箭发动机包括：燃烧器；液体燃料贮藏器，其经由燃料管线和第一阀连接到燃烧器；氧化剂贮藏器，其经由氧化剂管线和第二阀连接到燃烧器；阀控制器，其配置成将阀控制电流输出到第一阀，阀控制器存储用于基于第一阀的单次操作的电流曲线和电压曲线来确定阀的至少一个实际最小脉冲元的指令，并且该阀控制器配置成调整阀控制，以考虑至少一个实际最小脉冲元。

Description

用于液体燃料火箭的阀定时系统
技术领域
本公开大体上涉及阀控制，并且更具体地涉及用于缩短液体燃料火箭中的最小脉冲元持续时间(minimum impulse bit duration)的阀定时和控制。
背景技术
液体燃料火箭以及其他类似系统利用阀和阀控制来控制进入燃烧器的燃料的流动，由此控制由燃烧器产生的推力。在阀的操作期间，阀被维持打开的最小时间周期被称为最小脉冲元(minimum impulse bit, MIB)，并且最小脉冲元规定能够应用于通过阀的流体流的控制粒度，并且因此规定液体燃料火箭发动机的推力控制的粒度。
任何给定的阀的最小脉冲元时间可能由于在阀的打开响应和关闭响应中的变化而变化。该变化取决于任何数量的因素，包括阀的使用时间、阀上的磨损、阀操作的环境条件等等。为了补偿该变化并且提供一致的可预测的控制，离散的阀操作典型地运行得比阀的实际最小脉冲元略长。
发明内容
在一个示例中，阀控制器包括至少一个电流传感器输入、至少一个电压传感器输入、处理器和存储器，该处理器连接到至少一个电流传感器输入和至少一个电压传感器输入，其中，阀控制器配置成基于单个阀操作的电流曲线和电压曲线来确定阀的至少一个实际最小脉冲元，并且其中，阀控制器配置成调整阀控制，以考虑至少一个实际最小脉冲元。
在先前所描述的阀控制器的另一示例中，实际最小脉冲元与至少一个外部因素相关联，并且其中，阀控制器配置成调整阀控制，以考虑至少一个实际最小脉冲元和至少一个外部因素。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，外部因素是发动机压力和电池电压中的至少一个。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，阀控制器配置成基于阀的初始操作来确定至少一个实际最小脉冲元。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，阀控制器进一步配置成周期性地确定阀的经更新的最小脉冲元。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，阀控制器进一步配置成基于阀的最近确定的经更新的最小脉冲元来调整阀控制。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，最小脉冲元部分地基于初始阀打开时间，该初始阀打开时间被确定为电流曲线的斜坡上升(ramp up)中的下降(dip)。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，最小脉冲元部分地基于完全关闭阀时间，该完全关闭阀时间被确定为电压峰值与阀控制电流被阀控制器驱动到零之间的时间。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，最小脉冲元部分地基于初始阀打开时间，初始阀打开时间被确定为电流曲线的斜坡上升中的下降。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，至少一个电流传感器和至少一个电压传感器中的每个连接到阀控制信号线，并且配置成感测阀控制信号线。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，阀控制信号线可控地连接到液体燃料火箭发动机阀。
在先前所描述的阀控制器中的任一个的另一示例中，液体燃料火箭发动机阀至少部分地控制液体燃料从燃料贮藏器到燃烧器的流动。
一种用于确定阀的最小脉冲元的示例性方法包括：监测阀控制信号的电流曲线和电压曲线；将初始阀打开时间确定为电流斜坡上升中的下降的起点，并且将阀完全关闭时间确定为阀控制信号的电压峰值；以及将阀的最小脉冲元确定为从初始阀打开时间到阀完全关闭时间的时间长度。
上文的方法的另一示例包括使阀的最小脉冲元与至少一个外部环境因素相关联。
在上文的方法中的任一个的另一示例中，至少一个外部环境因素包括发动机压力和电池电压中的至少一个。
上文的方法中的任一个的另一示例包括周期性地对该方法进行重新迭代并且在每次迭代时对所确定的阀的最小脉冲元进行更新。
根据一个示例的液体燃料火箭发动机包括：燃烧器；液体燃料贮藏器，其经由燃料管线和第一阀连接到燃烧器；氧化剂贮藏器，其经由氧化剂管线和第二阀连接到燃烧器；阀控制器，其配置成将阀控制电流输出到第一阀，阀控制器存储用于基于第一阀的单次操作的电流曲线和电压曲线来确定阀的至少一个实际最小脉冲元的指令，并且该阀控制器配置成调整阀控制，以考虑至少一个实际最小脉冲元。
以上所描述的液体燃料火箭发动机的另一示例包括配置成感测阀控制电流的电流曲线的至少一个电流传感器和配置成感测阀控制电流的电压曲线的至少一个电压传感器。
本发明的这些特征和其他特征能够从以下的说明书和附图中最好地理解，其以下部分是简要描述。
附图说明
图1示出高度示意性的示例性液体燃料火箭发动机。
图2示意性地示出用于在图1的液体燃料火箭发动机中利用的示例性阀控制系统。
图3示意性地示出用于图2的阀控制系统的阀定时图表。
图4示意性地示出用于操作阀的过程，其使用经验性定时数据来确定特定的阀的最小脉冲元。
具体实施方式
图1示意性地示出示例性的高度示意性的液体燃料火箭发动机10。出于解释的目的，将发动机10的与本公开无关的系统和控制省略和/或简化，并且实施本文中所描述的概念的实际的液体燃料火箭发动机能够包括如实施实际示例将必需的任何数量的额外构造和系统。液体燃料火箭发动机10包括液体燃料贮藏器20、氧化剂贮藏器30以及燃烧器40。液体燃料贮藏器20经由燃料管线22连接到燃烧器40，并且流体阀24控制液体燃料进入燃烧器40的流动。类似地，氧化剂贮藏器30经由流体管线32连接到燃烧器40，并且氧化剂进入燃烧器40的流动经由流体阀34控制。阀24、34中的每个经由控制器50控制。
在燃烧器40内，液体燃料和氧化剂被混合并点燃，并且所产生的燃烧产物被通过喷嘴42排出，由此产生推力。所产生的推力的大小由注入到燃烧器40中的液体燃料的量控制。由于多种条件(诸如磨损和环境条件以及阀与阀之间的制造变化)，阀24的最小脉冲元能够包括变化，并且落入公差窗内。为了提供可能的最大程度地离散的控制，期望使变化最大限度地减小。
在继续参考图1的同时，图2示意性地示出阀构造100，该阀构造100包括电控阀110，该电控阀110在阀110打开时允许流体120穿过阀110，并且在阀110关闭时防止流体120穿过。阀110经由电流信号130控制。电流信号130起源于控制器140的电流驱动器142部分。电压传感器132和电流传感器134配置成(分别)监测作为对阀110的输入的电流信号130的电压和电流。向控制器140内的处理器144提供每个传感器132、134的传感器输出。
在阀110的操作期间，控制信号130被命令到高电流水平以初始地打开阀110，并且然后降低到较低的“维持”水平，以将阀110维持在打开位置达足够的时间，从而允许流体通过阀110。在预先限定的持续时间之后，电流信号130被驱动为零，并且阀110被允许关闭。从初始地打开到完全关闭的总持续时间是最小脉冲元。
在继续参考图1和图2的同时，图3示出单个示例性最小脉冲元相对于时间(t)的电流(i)曲线210和电压(v)曲线220。电流曲线210和电压曲线220开始于t=0(点201)，其中，控制器以直到点202的稳定电流斜坡的形式启动控制打开信号。在电流曲线的点202处，阀开始打开，并且发生电流下降203。控制器开始输出打开电流与阀开始打开之间的时间长度被称为打开可变时间213。最小脉冲元(MIB)是从阀24、34完全地打开(点205)的时间到阀24、34完全关闭(点209)的时间的时间周期。
虚线204表示在阀不打开的情况下的持续电流斜坡。电流下降终止于点205处，该点205表示阀的“完全打开”位置。然后，电流曲线继续斜升(ramp)到打开阀控制信号的最大电流206，该打开阀控制信号206被保持达预先限定的持续时间。在预先限定的持续时间之后，控制器使控制电流从打开控制水平(在点206处)降低到点207处的维持控制水平。维持控制电流被保持稳定，直到控制器确定阀应当在点208(t=1)处关闭。一旦已作出关闭决定，控制器就将电流驱动到零安培，从而引起阀关闭。阀在点209(t=2)处完全关闭。
由于阀直到在控制电流已一直被驱动到零之后的某种延迟才完全关闭，控制器监测电压传感器信号以及电流传感器信号。在阀完全关闭时，在t=2处，出现电压峰值221。在阀已被命令关闭之后并且在阀完全关闭之前的额外时间211影响最小元时间，是最小元时间内的变化的原因，并且被称为关闭可变时间211。
通过监测电压和电流，控制器能够确定从阀被控制关闭到在阀实际上关闭的时间，并且阀的最小元时间被确定为控制器驱动阀打开的持续时间加上可变时间211、213。
现有系统利用预设的控制器接通时间，并且可变时间导致最小脉冲元的变化。在继续参考图1-3的同时，图4示意性地示出用以针对给定的阀110来确定精确的最小脉冲元长度的示例性方法300。最初，在“使阀初始化”步骤310中，阀110被组装、安装并且提供有第一打开/关闭循环。在打开/关闭循环期间，控制器存储电流曲线210和电压曲线220(如图3中所示出的那样)。
一旦存储于控制器的存储器中，就在“确定可变参数”步骤320中分析电流曲线210和电压曲线220以确定可变参数。在一个示例中，可变参数是关闭可变时间211和打开可变时间213。一旦被确定，可变时间就被存储于控制器存储器中，并且控制器在“确定最小脉冲元”步骤330中确定最小脉冲元时间。
最小脉冲元是从阀开始打开到阀完全关闭时的时间长度，并且是从点201处的初始命令开启到208点处的命令关断的时间加上可变关闭时间211减去可变开启时间213。一旦被确定，就在“存储MIB”步骤340中存储最小脉冲元，并且调整控制序列以考虑特定的阀的实际最小脉冲元。
在一些示例中，针对特定的阀，经由上文的过程产生的最小脉冲元被估计为在所有条件下都是准确的，并且能够贯穿液体燃料火箭发动机的操作利用该最小脉冲元。在备选示例(诸如，额外的控制能力可用的那些示例)中，能够贯穿液体燃料发动机的操作重新计算最小脉冲元，其中，后续的阀操作利用最近确定的最小脉冲元。
在又一示例中，能够在诸如发动机压力和电池电压等的多种条件下确定最小脉冲元。在这样的示例中，所确定的最小脉冲元在控制器中与在最小脉冲元被确定时存在的环境条件或其他条件相关联。阀110的后续操作利用与阀的当前检测到的条件对应的最小脉冲元，而能够提供具有较小的变化的更准确的定时。
虽然在上文中描述了关于液体燃料火箭发动机的最小脉冲元，但所意识到的是，本文中所描述的阀定时系统能够被应用于任何流体阀控制系统，并且不限于液体燃料火箭发动机应用。
所进一步理解的是，以上所描述的概念中的任一个能够单独使用或与任何或所有其他以上所描述的概念来组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例，但本领域普通技术人员将认识到，某些改型将归入本发明的范围内。出于此原因，应当研究所附的权利要求书，以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (18)

1.一种阀控制器，包括：
至少一个电流传感器输入；
至少一个电压传感器输入；
处理器和存储器，所述处理器连接到所述至少一个电流传感器输入和所述至少一个电压传感器输入，其中，所述阀控制器配置成基于单次阀操作的电流曲线和电压曲线来确定阀的至少一个实际最小脉冲元，并且其中，所述阀控制器配置成调整阀控制，以考虑所述至少一个实际最小脉冲元。
2.根据权利要求1所述的阀控制器，其特征在于，所述实际最小脉冲元与至少一个外部因素相关联，并且其中，所述阀控制器配置成调整所述阀控制，以考虑至少一个实际最小脉冲元和至少一个外部因素。
3.根据权利要求2所述的阀控制器，其特征在于，所述外部因素是发动机压力和电池电压中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的阀控制器，其特征在于，所述阀控制器配置成基于所述阀的初始操作来确定所述至少一个实际最小脉冲元。
5.根据权利要求1所述的阀控制器，其特征在于，所述阀控制器进一步配置成周期性地确定所述阀的经更新的最小脉冲元。
6.根据权利要求5所述的阀控制器，其特征在于，所述阀控制器进一步配置成基于所述阀的最近确定的经更新的最小脉冲元来调整阀控制。
7.根据权利要求1所述的阀控制器，其特征在于，所述最小脉冲元部分地基于初始阀打开时间，所述初始阀打开时间被确定为所述电流曲线的斜坡上升中的下降。
8.根据权利要求1所述的阀控制器，其特征在于，所述最小脉冲元部分地基于完全关闭阀时间，所述完全关闭阀时间被确定为电压峰值与阀控制电流被所述阀控制器驱动到零之间的时间。
9.根据权利要求8所述的阀控制器，其特征在于，所述最小脉冲元部分地基于初始阀打开时间，所述初始阀打开时间被确定为所述电流曲线的斜坡上升中的下降。
10.根据权利要求1所述的阀控制器，其特征在于，所述至少一个电流传感器和所述至少一个电压传感器中的每个连接到阀控制信号线，并且配置成感测所述阀控制信号线。
11.根据权利要求10所述的阀控制器，其特征在于，所述阀控制信号线可控地连接到液体燃料火箭发动机阀。
12.根据权利要求11所述的阀控制器，其特征在于，所述液体燃料火箭发动机阀至少部分地控制液体燃料从燃料贮藏器到燃烧器的流动。
13.一种用于确定阀的最小脉冲元的方法，包括：
监测阀控制信号的电流曲线和电压曲线；
将初始阀打开时间确定为电流斜坡上升中的下降的起点，并且将阀完全关闭时间确定为所述阀的控制信号的电压峰值；以及
将所述阀的最小脉冲元确定为从所述初始阀打开时间到所述阀完全关闭时间的时间长度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述阀的最小脉冲元与至少一个外部环境因素相关联。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个外部环境因素包括发动机压力和电池电压中的至少一个。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括周期性地对所述方法进行重新迭代并且在每次迭代时对所确定的所述阀的最小脉冲元进行更新。
17.一种液体燃料火箭发动机，包括：
燃烧器；
液体燃料贮藏器，其经由燃料管线和第一阀连接到所述燃烧器；
氧化剂贮藏器，其经由氧化剂管线和第二阀连接到所述燃烧器；以及
阀控制器，其配置成将阀控制电流输出到所述第一阀，所述阀控制器存储用于基于所述第一阀的单次操作的电流曲线和电压曲线来确定阀的至少一个实际最小脉冲元的指令，并且所述阀控制器配置成调整阀控制，以考虑所述至少一个实际最小脉冲元。
18.根据权利要求17所述的液体燃料火箭发动机，其特征在于，所述液体燃料火箭发动机进一步包括配置成感测所述阀控制电流的电流曲线的至少一个电流传感器和配置成感测所述阀控制电流的电压曲线的至少一个电压传感器。
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