CN117093023A - 基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置及方法，采用汽蚀文氏管与电磁阀结合的方法，汽蚀文氏管可以在入口压力一定，背压在一定范围内变化时，保证流量稳定且不随背压发生变化，电磁阀可以通过不同频次的开闭实现不同的占空比，进而控制液体推进剂流通量。同时将减压器、加排阀、推进剂贮箱、流量计、控制器、电磁阀和汽蚀文氏管等集成在一个控制盒内，减小试验占用空间，降低试验整备时间，即拿即用。适用于推进剂流量大范围变换时精确控制流量之用。

Description

基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置及方法

技术领域

本发明涉及飞行器控制系统技术领域，具体涉及推进剂流量控制技术领域。

背景技术

姿/轨控动力系统是空天飞行器的重要组成部分之一，其直接决定飞行器轨道修正和姿态稳定的精确性。姿轨控系统一般由姿控系统和轨控系统组成，其中姿控发动机安装在动能武器的尾部以进行姿态控制，即俯仰、偏航和滚转通道的控制，使动能武器的探测器能够快速稳定的瞄准目标；轨控发动机安装在动力拦截器的质心平面，为动能武器提供较高的横向加速度，使其具有横向快速机动飞行能力。姿/轨控动力系统主要分为液体姿/轨控动力系统和固体姿/轨控动力系统，因液体姿/轨控动力系统搭载的液体火箭发动机具有推力大、比冲高、响应快等优点，现已广泛应用于航天飞机、卫星、飞船等，其搭载的主要为航天器提供轨道机动的动力，同时为其姿态稳定提供俯仰、偏航和滚转控制力。

汽蚀文氏管常用于精确控制液体火箭发动机的推进剂流量，精确且稳定的推进剂流量有利于液体火箭发动机快速实现平稳的推力和比冲。液体火箭发动机大量经验表明，在介质供应管路上安装汽蚀文氏管是性能较好的流量控制方式，控制偏差可以控制在设计值的±（2～3）%范围内。

随着航天技术的飞速发展，出现了推进剂秒流量大范围变化的变推力液体火箭发动机，应用在飞行器姿态控制、交会对接、轨道机动飞行等，单一的汽蚀文氏管只能实现对某一固定流量的控制，无法实现对大范围变化流量的精准控制，目前在变推力液体火箭发动机领域，多采用可调汽蚀文氏管实现推进剂流量控制，利用汽蚀文氏管和可调节针锥结构调整流量。例如在专利申请《一种可调整流通面积的汽蚀管及其流通面积调整方法》2022111873580中所记载的，基本结构都是一个普通文氏管及在文氏管喉部中心安装一个锥面或特定型面的可调节的针锥。对于一定喉部面积的文氏管，在其工作范围内，能够保证固定的流量并隔绝下游压力波动的影响。在可调汽蚀文氏管中，上述喉部则是由文氏管与变截面中心针锥共同形成的，如图2所示，通过调节中心针锥的位置改变实际喉部流通截面，就可以达到改变流量的目的。针锥位置由步进电机和滚珠丝杠控制，其中步进电机通过滚珠丝杠与可调汽蚀文氏管的调节针锥相连，工作时，计算机发送指令给可编程控制系统来控制步进电机的驱动器，滚珠丝杠将电机的转动运动变换成直线运动，推动针锥前后移动，从而达到流量调节的目的，但是只能保证在一定范围内流量的精准控制；这种结构组成零部件较多，需搭配电机和丝杠使用，使得总体积较大；对可调汽蚀文氏管加工精度和零件之间的公差配合要求极高，加工难度大，加工成本高；使用过程中，由于针锥和可调文氏管之间是用胶圈动密封，同轴度稍有偏差，针锥移动起来会很吃力，摩擦很大，有可能移动不到正确的位置，或者加剧零部件的磨损，影响使用寿命。

发明内容

本发明所解决的技术问题是在液体姿/轨控动力系统中，变推力液体火箭发动机需要液体推进剂大范围变化时，依然能够保持稳定可靠且高精度的流量控制状态。

本发明采用的技术方案是一种基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置，包括汽蚀文氏管，汽蚀文氏管上游安装电磁阀，电磁阀连接有控制器，控制器用于控制电磁阀的开闭，电磁阀上游连接于推进剂贮箱，推进剂贮箱上游连通有高压气源。

电磁阀和推进剂贮箱之间设有流量计。

在高压气源和推进剂贮箱之间设有稳压装置。

稳压装置、推进剂贮箱、流量计、电磁阀、控制器和汽蚀文氏管，安装在一个控制盒内。

利用上述流量控制装置的流量控制方法，流量控制装置包括汽蚀文氏管，汽蚀文氏管上游安装电磁阀，电磁阀连接有控制器，控制器用于控制电磁阀的开闭，电磁阀上游连接于推进剂贮箱，推进剂贮箱上游连通有高压气源，高压气源给推进剂贮箱提供稳定的压力；

开启高压气源，并通过稳压装置给推进剂贮箱提供稳定的压力P，电磁阀常开状态下推进剂的流量记为Q，当需要流量为Q₁时， Q₁小于Q，通过控制器调整电磁阀的开闭，使电磁阀的占空比等于Q₁/Q。

本发明的有益效果是，采用汽蚀文氏管与电磁阀结合的方法，汽蚀文氏管可以在入口压力一定，背压在一定范围内变化时，保证流量稳定且不随背压发生变化，电磁阀可以通过不同频次的开闭实现不同的占空比，进而控制液体推进剂流通量，二者搭配可以实现对不同流量的精准控制。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为可调汽蚀文氏管结构示意图。

图3为汽蚀文氏管结构剖视图。

图4 为汽蚀文氏管结构示意图。

图中标记为：1-收缩段，2-喉部，3-扩张段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明装置的结构如图1所示，包括减压器、加排阀、推进剂贮箱、流量计、控制器、电磁阀和汽蚀文氏管，为了便于试验和携带并减少试验之前的整备时间，将以上装置集成在一个控制盒中。控制盒上游入口与高压气瓶相连，为整个下游提供压力，下游出口流出的便为额定流量的推进剂。

文氏管在出现汽蚀现象时，可以使得液体推进剂的流量不受背压影响，进而保证流量值的稳定与精确，图3所示即为文氏管剖视图。本申请中文氏管，也即是文丘里管，由于文氏管中出现汽蚀现象才能发挥精确稳定控制流量的作用，因此业内经常称为汽蚀文氏管、汽蚀文丘里管或者汽蚀管，“汽蚀”二字并不是对该设备结构上的限定或修饰，并不是指一种特殊结构的文氏管，主要是为了强调该状态的文氏管中会有汽蚀现象发生。汽蚀文氏管头部与电磁阀连接，电磁阀通过开闭来控制占空比进而控制流量变化，因此可以实现推进剂秒流量大范围稳定变化。

当高压气源接入该装置之后，减压器作为稳压装置，将流入的高压气体转化为稳定且具有固定压力的低压气体，此处为了稳定压力也可以采用效果更优异的其它稳压设备，例如加排阀，或者若干设备的组合。其中的加排阀用来为推进剂贮箱加注和排出推进剂。推进剂贮箱内的液体推进剂在低压气体的推动下经过流量计后，进入电磁阀，电磁阀的开闭时间决定了推进剂在汽蚀文氏管内的流通时间，进而决定了推进剂的流量，其中电磁阀的开闭时间和频率由控制器控制。汽蚀文氏管具有控制流量稳定的作用，液体推进剂流经汽蚀文氏管时，其流量不随一定范围内背压的改变而改变，可有效控制流量精度。

文氏管结构如图4所示，由收缩段1和扩张段3的两个圆锥管组成，两者之间为喉部2，喉部2的直径最小。文氏管的原理是利用液体流速增加，静压降低的物理现象。对于通常的固定流通截面文氏管，其基本工作方式是：当液体流经文氏管喉部2时，速度加快压力降低。随着上下游压差的增加，流速不断增加，流体的静压不断降低直至低于该温度下的液体饱和蒸气压时，液体发生汽蚀，喉部2处的压力将维持在饱和蒸气压上。喉部2下游是扩张段3，气体在扩张段3内减速增压，经过一定距离后，该段称为恢复段，静压上升，又超过液体的饱和蒸气压，气态燃料又恢复到液态形式并通过出口进入发动机，此时如果保持上游压力不变，则由于喉部流通面积固定和喉部压力始终等于饱和蒸气压的原因，通过汽蚀文氏管的流量是固定的。汽蚀文氏管出口的压力变化仅仅改变恢复段的长度，而不会影响流量变化，直至下游压力上升到一临界值时，恢复段缩短至喉部，汽蚀区消失，此时文氏管失效。汽蚀文氏管与孔板相比较，其优点是利用了液体的汽蚀现象在一定的范围内隔离了下游压力波动对流量的影响。

汽蚀文氏管自身质量流量按公式（1）计算：

其中：

q——在汽蚀条件下液体的质量流量，kg/s；

C——流量系数；

A _t ——汽蚀文氏管喉部截面面积，mm²；

P _iv ——汽蚀文氏管入口液体静压力，MPa；

P _s ——液体在当地温度条件下的饱和蒸气压，MPa；

ρ _iv ——汽蚀文氏管入口液体密度，kg/m³。

因此，电磁阀和汽蚀文氏管的组合可以保证推进剂流量在0至汽蚀文氏管自身流量之间稳定输出，其中电磁阀的开闭控制占空比，进而控制单位时间内流经汽蚀文氏管的推进剂总流量，汽蚀文氏管可以控制推进剂流量在一定范围内不受背压变化的影响，保证流量输出稳定。

在进行试验时，开启高压气源，并通过稳压装置给推进剂贮箱提供稳定的压力，本方案中的稳压装置采用减压器，若电磁阀常开状态下推进剂的流量记为100g/s，当需要流量为50g/s时，通过控制器调整电磁阀的开闭，使电磁阀的占空比等于50% ，电磁阀每开闭一次记为一个循环，电磁阀每秒有5-20个循环，由于电磁阀高频次的开闭，对汽蚀文氏管前端的压力几乎没有影响，秒流量可以保持平稳。

在流量需要大幅度变换时，根据所需实际流量，调整电磁阀占空比即可，流量增大，加大占空比，流量减小，减小占空比。例如，当所需流量为25g/s时，占空比控制在25%。电磁阀的循环频率，根据占空比保持在一个适中的范围，即不超过电磁阀的响应速度，也要保证每秒内至少有3次开闭，以维持压力的稳定。

本申请的流量控制装置与可调文氏管相比，本发明结构简单可靠，将一系列装置集成后，灵活度高且占用空间少，可有效提高试验效率。此外，将减压器、加排阀、推进剂贮箱、流量计、控制器、电磁阀和汽蚀文氏管集成在一个控制盒内，控制盒上游入口连接高压气瓶，下游与推进剂入口连接，结构紧凑，可以减小试验占用空间，可具有结构紧凑简单、零部件数量少和空间占用率低的优点，同时也降低试验整备时间，即拿即用。

Claims (5)

1.基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置，包括汽蚀文氏管，其特征在于：汽蚀文氏管上游安装电磁阀，电磁阀连接有控制器，控制器用于控制电磁阀的开闭，电磁阀上游连接于推进剂贮箱，推进剂贮箱上游连通有高压气源。

2.如权利要求1所述的基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置，其特征在于：电磁阀和推进剂贮箱之间设有流量计。

3.如权利要求2所述的基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置，其特征在于：在高压气源和推进剂贮箱之间设有稳压装置。

4.如权利要求3所述的基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置，其特征在于：所述稳压装置、推进剂贮箱、流量计、电磁阀、控制器和汽蚀文氏管，安装在一个控制盒内。

5.利用权利要求1所述的基于文氏管和电磁阀占空比调节的流量控制装置的流量控制方法，其特征在于：流量控制装置包括汽蚀文氏管，汽蚀文氏管上游安装电磁阀，电磁阀连接有控制器，控制器用于控制电磁阀的开闭，电磁阀上游连接于推进剂贮箱，推进剂贮箱上游连通有高压气源，高压气源给推进剂贮箱提供稳定的压力；

开启高压气源，并通过稳压装置给推进剂贮箱提供稳定的压力P，电磁阀常开状态下推进剂的流量记为Q，当需要流量为Q₁时， Q₁小于Q，通过控制器调整电磁阀的开闭，使电磁阀的占空比等于Q₁/Q。