RU2794397C1 - Система установки моментов времени открытия и закрытия клапанов для жидкостных ракет - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к установке моментов открытия и закрытия клапанов и средствам управления. Жидкостный ракетный двигатель согласно одному из примеров включает в себя камеру сгорания, резервуар жидкого топлива, соединенный с камерой сгорания посредством топливной линии и первого клапана, резервуар окислителя, соединенный с камерой сгорания посредством окислительной линии и второго клапана, контроллер клапана, выполненный с возможностью выдачи управляющего тока клапана на первый клапан, причем контроллер клапана хранит инструкции для определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса клапана на основании профиля тока и профиля напряжения одного срабатывания первого клапана, а также с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса. Изобретение обеспечивает повышение точности минимального бита импульса клапана во время работы жидкостного ракетного двигателя. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение в общем относится к управлению клапанами, а более конкретно - к установке моментов времени открытия и закрытия клапанов и средствам управления для уменьшения длительности минимального бита импульса в жидкотопливной ракете.

Уровень техники

[0002] В ракетах на жидком топливе, а также других подобных системах используют клапаны и средства управления клапанами для управления потоком топлива в камеру сгорания, тем самым контролируя тягу, создаваемую камерой сгорания. Во время работы клапана наименьший период времени, в течение которого клапан поддерживается открытым, называется минимальным битом импульса (MIB, от англ. minimum impulse bit), при этом минимальный бит импульса диктует уровень детализации управления, которое может быть применено к потоку жидкости через клапан и, таким образом, уровень детализации средств управления тягой жидкотопливного ракетного двигателя.

[0003] Время минимального бита импульса любого заданного клапана может изменяться из-за отклонений в ответных реакциях открытия и закрытия клапана. Это отклонение зависит от большого количества факторов, включая возраст клапана, износ клапана, условия окружающей среды, в которой работает клапан, и тому подобное. Чтобы компенсировать отклонения и обеспечить последовательные предсказуемые средства управления, дискретные срабатывания клапана обычно выполняются чуть дольше, чем фактический минимальный бит импульса клапана.

Раскрытие сущности изобретения

[0004] В одном из примеров контроллер клапана включает в себя по меньшей мере один вход датчика тока, по меньшей мере один вход датчика напряжения, процессор и память, причем процессор подключен по меньшей мере к одному входу датчика тока и по меньшей мере к одному входу датчика напряжения, при этом контроллер клапана выполнен с возможностью определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса клапана на основании профиля тока и профиля напряжения одного срабатывания клапана, причем контроллер клапана выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса.

[0005] В другом примере раскрытого выше контроллера клапана фактический минимальный бит импульса коррелирован по меньшей мере с одним внешним фактором, при этом контроллер клапана выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса и по меньшей мере одного внешнего фактора.

[0006] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов внешним фактором является по меньшей мере одно из давления в двигателе и напряжения аккумуляторной батареи.

[0007] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов контроллер клапана выполнен с возможностью определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса по первоначальному срабатыванию клапана.

[0008] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов контроллер клапана дополнительно выполнен с возможностью периодического определения обновленного минимального бита импульса клапана.

[0009] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов контроллер клапана дополнительно выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном на основании последнего определенного обновленного минимального бита импульса клапана.

[0010] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов минимальный бит импульса частично обусловлен начальным временем открытия клапана, причем начальное время открытия клапана определяется как спад в возрастании профиля тока.

[0011] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов минимальный бит импульса частично обусловлен временем полного закрытия клапана, причем время полного закрытия клапана определяется как время между скачком напряжения и приведением к нулю управляющего тока клапана посредством контроллера клапана.

[0012] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов минимальный бит импульса частично обусловлен начальным временем открытия клапана, причем начальное время открытия клапана определяется как спад в возрастании профиля тока.

[0013] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов каждый из по меньшей мере одного датчика тока и по меньшей мере одного датчика напряжения подключены, с возможностью измерения, к линии передачи управляющих сигналов клапана.

[0014] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов линия передачи управляющих сигналов клапана с возможностью управления подключена к клапану жидкотопливного ракетного двигателя.

[0015] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов клапан жидкотопливного ракетного двигателя выполнен с возможностью по меньшей мере частичного управления потоком жидкого топлива из топливного резервуара в камеру сгорания.

[0016] Один примерный способ определения минимального бита импульса клапана включает в себя отслеживание профиля тока и профиля напряжения управляющего сигнала клапана, определение начального времени открытия клапана как начало спада в нарастании тока, и определение времени полного закрытия клапана по скачку напряжения управляющего сигнала клапана, а также определение минимального бита импульса клапана как период времени от начального времени открытия клапана до времени полного закрытия клапана.

[0017] Другой пример приведенного выше способа включает в себя коррелирование минимального бита импульса клапана по меньшей мере с одним внешним фактором окружающей среды.

[0018] В другом примере любого из вышеуказанных способов по меньшей мере один внешний фактор окружающей среды включает в себя по меньшей мере одно из давления в двигателе и напряжения аккумуляторной батареи.

[0019] Другой пример любого из вышеперечисленных способов включает в себя периодическое повторение способа и обновление определяемого минимального бита импульса клапана при каждом повторении.

[0020] Жидкотопливный ракетный двигатель в соответствии с одним из примеров включает в себя камеру сгорания, резервуар жидкого топлива, соединенный с камерой сгорания посредством топливной линии и первого клапана, резервуар окислителя, соединенный с камерой сгорания посредством окислительной линии и второго клапана, контроллер клапана, выполненный с возможностью выдачи управляющего тока клапана на первый клапан, причем контроллер клапана хранит инструкции для определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса клапана на основании профиля тока и профиля напряжения одного срабатывания первого клапана, а также с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса.

[0021] Другой пример вышеописанного жидкотопливного ракетного двигателя включает в себя по меньшей мере один датчик тока, выполненный с возможностью измерения профиля тока управляющего тока клапана, и по меньшей мере один датчик напряжения, выполненный с возможностью измерения профиля напряжения управляющего тока клапана.

[0022] Эти и другие признаки настоящего изобретения могут быть лучше всего поняты из нижеследующего описания и чертежей, краткое описание которых следует ниже.

Краткое описание чертежей

[0023] На фиг.1 показан очень схематический пример жидкотопливного двигателя.

[0024] На фиг.2 схематично показана примерная система управления клапанами для применения в жидкотопливном ракетном двигателе по фиг.1.

[0025] На фиг.3 схематично показана схема установки моментов времени открытия и закрытия клапанов для системы управления клапанами 2.

[0026] На фиг.4 схематично показан процесс работы клапана с использованием экспериментальных данных установки моментов времени открытия и закрытия клапанов для определения минимального бита импульса конкретного клапана.

Осуществление изобретения

[0027] На фиг.1 схематично показан очень схематический пример жидкотопливного ракетного двигателя 10. Системы и средства управления двигателя 10, не связанные с настоящим изобретением, опущены и/или упрощены для целей объяснения, при этом практический жидкотопливный ракетный двигатель, реализующий концепции, раскрытые в настоящем документе, может включать в себя любое количество дополнительных конфигураций и систем, которые были бы необходимы для реализации практического примера. Жидкотопливный ракетный двигатель 10 включает в себя резервуар 20 жидкого топлива, резервуар окислителя 30 и камеру 40 сгорания. Резервуар 20 жидкого топлива соединен с камерой 40 сгорания посредством топливной линии 22, при этом потоком жидкого топлива в камеру 40 сгорания управляют с помощью клапана 24 для текучей среды. Аналогично, резервуар 30 окислителя соединен с камерой 40 сгорания посредством линии 32 подачи текучей среды, при этом потоком окислителя в камеру 40 сгорания управляют с помощью клапана 34 для текучей среды. Управление каждым из клапанов 24, 34 осуществляется посредством контроллера 50.

[0028] Внутри камеры 40 сгорания жидкое топливо и окислитель смешиваются и воспламеняются, а полученные продукты сгорания выталкиваются через сопло 42, создавая тягу. Величиной создаваемой тяги управляют посредством количества жидкого топлива, впрыскиваемого в камеру 40 сгорания. Из-за изменяющихся условий, таких как износ и условия окружающей среды, а также производственных отклонений от клапана к клапану, минимальный бит импульса клапана 24 может включать в себя отклонения и попадать в пределы допустимого диапазона. Для того, чтобы обеспечить максимально возможное дискретное управление, отклонения нужно минимизировать.

[0029] С учетом фиг.1, рассмотрим фиг.2, где схематически показана конфигурация 100 клапана, включающая в себя клапан 110 с электрическим управлением, который обеспечивает прохождение текучей среды 120 через клапан 110, когда клапан 110 открыт, и препятствует прохождению текучей среды 120, когда клапан 110 закрыт.Клапаном 110 управляют посредством токового сигнала 130. Токовый сигнал 130 исходит от формирователя 142 тока, являющегося частью контроллера 140. Датчик 132 напряжения и датчик 134 тока выполнены с возможностью отслеживания напряжения и тока (соответственно) токового сигнала 130, поступающего в клапан 110. Выходной сигнал датчика от каждого датчика 132, 134 подается на процессор 144 в контроллере 140.

[0030] Во время работы клапана 110 управляющий сигнал 130 получает команду на высокий уровень тока для начального открытия клапана 110, а затем снижается до более низкого «поддерживающего» уровня для поддержания клапана 110 в открытом положении в течение достаточного времени, чтобы пропустить текучую среду через клапан 110. По истечении заданного периода времени токовый сигнал 130 доходит до нуля, и клапан 110 может закрыться. Общая продолжительность времени от начального открытия до полного закрытия является минимальным битом импульса.

[0031] С учетом фиг.1 и фиг.2, рассмотрим фиг.3 где показан профиль 210 тока (i) и профиль 220 напряжения (v) одного иллюстративного минимального бита импульса в зависимости от времени (t). Профиль 210 тока и профиль 220 напряжения начинаются при t=0 (точка 201), при этом контроллер инициирует управляющий сигнал открытия в виде постоянного подъема тока до точки 202. В точке 202 профиля тока клапан начинает открываться, и происходит спад 203 тока. Промежуток времени между началом выдачи контроллером тока открытия и началом открытия клапана называется переменным временем 213 открытия. Минимальный бит импульса (MIB) - это период времени от момента, когда клапан 24, 34 будет полностью открыт (точка 205), до момента, когда клапан 24, 34 будет полностью закрыт (точка 209).

[0032] Штриховая линия 204 представляет собой непрерывное возрастание тока при отсутствии открытия клапана. Спад тока прекращается в точке 205, которая представляет собой «полностью открытое» положение клапана. Затем профиль тока продолжает возрастать до максимального тока 206 управляющего сигнала открытого клапана, который удерживается в течение заданного периода времени. По истечении заданного периода времени контроллер понижает управляющий ток от уровня управления открытием (в точке 206) до уровня управления поддержкой в точке 207. Управляющий ток поддержки остается стабильным до тех пор, пока контроллер не определит, что клапан нужно закрыть в точке 208 (t=1). После определения по закрытию, контроллер приводит ток к нулю, в результате чего клапан закрывается. Клапан будет полностью закрыт в точке 209 (t=2).

[0033] Поскольку клапан будет закрыт полностью с некоторой задержкой после доведения до нуля управляющего тока, контроллер отслеживает сигнал датчика напряжения, а также сигнал датчика тока. Когда клапан будет полностью закрыт, при t=2, происходит скачок 221 напряжения. Дополнительное время 211 после получения клапаном команды на закрытие и до того, как клапан будет полностью закрыт, влияет на время минимального бита, является причиной отклонений во времени минимального бита и называется переменным временем 211 закрытия.

[0034] Отслеживая напряжение и ток, контроллер может определить время с момента, когда клапаном управляют для его закрытия, до момента, когда клапан будет фактически закрыт, при этом время минимального бита клапана определяется как период времени, в течение которого контроллер обеспечивал открытие клапана плюс переменное время 211, 213.

[0035] Существующие системы используют контроллер с предварительной установкой по времени, а переменное время приводит к изменениям минимального бита импульса. С учетом фиг.1-3, рассмотрим фиг.4, где схематически показан примерный способ 300 для определения точной минимальной продолжительности бита импульса для данного клапана 110. Сначала клапан 110 собирают, устанавливают и осуществляют первый цикл открытия/закрытия на шаге 310 «Инициализация клапана». Во время цикла открытия/закрытия контроллер сохраняет профили 210, 220 тока и напряжения (как показано на фиг.3).

[0036] После сохранения в памяти контроллера, профиль 210 тока и профиль 220 напряжения анализируют для определения параметров на шаге 320 «Определение переменных параметров». В одном из примеров переменными параметрами являются переменное время 211 закрытия и переменное время 213 открытия. После определения переменные времена сохраняют в памяти контроллера, и контроллер определяет время минимального бита импульса на шаге 330 «Определение минимального бита импульса (MIB)».

[0037] Минимальный бит импульса - это промежуток времени с момента, когда клапан начинает открываться, до момента, когда клапан становится полностью закрытым, и это время от начального команды на включение в точке 201 до команды на выключение в точке 208, плюс переменное время 211 закрытия, минус переменная времени 213. После определения минимальный бит импульса сохраняют на шаге 340 «Сохранение М1 В», а последовательность управления настраивают с учетом фактического минимального бита импульса конкретного клапана.

[0038] В некоторых примерах минимальный бит импульса, генерируемый в результате вышеуказанного процесса, оценивается как точный при всех условиях для конкретного клапана и может использоваться во время работы жидкотопливного ракетного двигателя. В альтернативных примерах, таких как те, где имеется дополнительная способность управления, минимальный бит импульса можно пересчитывать на протяжении всей работы жидкотопливного двигателя с дальнейшими срабатываниями клапана с использованием самого последнего определяемого минимального бита импульса.

[0039] В еще одном примере минимальный бит импульса может быть определен при множестве условий, таких как давление в двигателе и напряжение аккумуляторной батареи, и т.п. В таком примере в контроллере выполняют корреляцию определяемых минимальных битов импульсов с окружающими или другими условиями, которые присутствовали при определении минимального бита импульса. Последующие срабатывания клапана 110 используют минимальный бит импульса, соответствующий текущим обнаруженным условиям клапана, и могут обеспечить более точную установку моментов времени открытия и закрытия клапана с меньшими отклонениями.

[0040] Хотя раскрытое выше относится к минимальному биту импульса жидкотопливного ракетного двигателя, следует понимать, что раскрытые в настоящем документе системы установки моментов времени открытия и закрытия клапана могут быть применены к любой системе управления клапанами для текучей среды и не ограничиваются применением жидкотопливных ракетных двигателей.

[0041] Также подразумевается, что любая из вышеописанных идей может использоваться отдельно или в сочетании с любым или всеми другими вышеописанными идеями. Хотя был раскрыт один из вариантов осуществления настоящего изобретения, специалист в данной области техники поймет, что определенные модификации входят в объем настоящего изобретения. По этой причине необходимо изучить нижеследующую формулу изобретения, чтобы определить истинный объем и содержание этого изобретения.

Claims (28)

1. Контроллер клапана, содержащий:

по меньшей мере один вход датчика тока;

по меньшей мере один вход датчика напряжения;

процессор и память, причем процессор подключен по меньшей мере к одному входу датчика тока и по меньшей мере к одному входу датчика напряжения, при этом контроллер клапана выполнен с возможностью определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса клапана на основании профиля тока и профиля напряжения одного срабатывания клапана, причем контроллер клапана выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса.

2. Контроллер клапана по п. 1, в котором фактический минимальный бит импульса коррелирует по меньшей мере с одним внешним фактором, при этом контроллер клапана выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса и по меньшей мере одного внешнего фактора.

3. Контроллер клапана по п. 2, в котором внешним фактором является по меньшей мере одно из давления в двигателе и напряжения аккумуляторной батареи.

4. Контроллер клапана по п. 1, в котором указанный контроллер клапана выполнен с возможностью определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса по первоначальному срабатыванию клапана.

5. Контроллер клапана по п. 1, в котором указанный контроллер клапана дополнительно выполнен с возможностью периодического определения обновленного минимального бита импульса клапана.

6. Контроллер клапана по п. 5, в котором указанный контроллер клапана дополнительно выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном на основании последнего определенного обновленного минимального бита импульса клапана.

7. Контроллер клапана по п. 1, в котором минимальный бит импульса частично обусловлен начальным временем открытия клапана, определяемым как спад в возрастании профиля тока.

8. Контроллер клапана по п. 1, в котором минимальный бит импульса частично обусловлен временем полного закрытия клапана, определяемым как время между скачком напряжения и приведением к нулю управляющего тока клапана посредством контроллера клапана.

9. Контроллер клапана по п. 8, в котором минимальный бит импульса частично обусловлен начальным временем открытия клапана, определяемым как спад в возрастании профиля тока.

10. Контроллер клапана по п. 1, в котором каждый из по меньшей мере одного датчика тока и по меньшей мере одного датчика напряжения подключены с возможностью измерения к линии передачи управляющих сигналов клапана.

11. Контроллер клапана по п. 10, в котором линия передачи управляющих сигналов клапана с возможностью управления подключена к клапану жидкостного ракетного двигателя.

12. Контроллер клапана по п. 11, в котором клапан жидкостного ракетного двигателя выполнен с возможностью по меньшей мере частичного управления потоком жидкого топлива из топливного резервуара в камеру сгорания.

13. Способ определения минимального бита импульса клапана, содержащий следующее:

отслеживают профиль тока и профиль напряжения управляющего сигнала клапана;

определяют начальное время открытия клапана как начало спада в возрастании тока и определяют время полного закрытия клапана как скачок напряжения управляющего сигнала клапана; и

определяют минимальный бит импульса клапана как период времени от начального времени открытия клапана до времени полного закрытия клапана.

14. Способ по п. 13, дополнительно содержащий коррелирование минимального бита импульса клапана по меньшей мере с одним внешним фактором окружающей среды.

15. Способ по п. 14, в котором по меньшей мере один внешний фактор окружающей среды включает в себя по меньшей мере одно из давления в двигателе и напряжения батареи.

16. Способ по п. 13, дополнительно содержащий периодическое повторение способа и обновление определяемого минимального бита импульса клапана при каждом повторении.

17. Жидкостный ракетный двигатель, содержащий:

камеру сгорания;

резервуар жидкого топлива, соединенный с камерой сгорания посредством топливной линии и первого клапана;

резервуар окислителя, соединенный с камерой сгорания посредством окислительной линии и второго клапана; и

контроллер клапана, выполненный с возможностью выдачи управляющего тока клапана на первый клапан, причем контроллер клапана хранит инструкции для определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса клапана на основании профиля тока и профиля напряжения одного срабатывания первого клапана, а также с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса.

18. Жидкостный ракетный двигатель по п. 17, дополнительно содержащий по меньшей мере один датчик тока, выполненный с возможностью измерения профиля тока управляющего тока клапана, и по меньшей мере один датчик напряжения, выполненный с возможностью измерения профиля напряжения управляющего тока клапана.

Images