一種間接作用式常開(kāi)電爆閥

張曉東，陳 健，唐妹芳，馬海濤

（上海空間推進(jìn)研究所，上海201112）

0 引言

電爆閥是液體火箭推進(jìn)分系統(tǒng)的重要組件之一，因?yàn)槠湟淮涡怨ぷ鞯奶攸c(diǎn)，整閥可以設(shè)計(jì)的很輕巧，這使得電爆閥比同等功用的其他種類(lèi)閥門(mén)要輕，并且在動(dòng)作前后可以得到良好的密封效果。由于電爆閥具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于系統(tǒng)管路中。

隨著宇航推進(jìn)分系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)電爆閥的產(chǎn)品研制要求不斷提升，其中最主要的方面體現(xiàn)在：①系統(tǒng)工作條件惡劣，在較高的壓力下工作，并且工作介質(zhì)通常是易燃、易爆或者是腐蝕性介質(zhì)，要求電爆閥具有高安全性和可靠性；②系統(tǒng)工作介質(zhì)流量大,要求電爆閥是具備大通徑的產(chǎn)品。

因此，傳統(tǒng)的電爆閥結(jié)構(gòu)能否適應(yīng)新系統(tǒng)的要求，能否有更為合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于新系統(tǒng)是電爆閥研制面臨的課題。

1 新型電爆閥的需求提出

某空間飛行器要求在系統(tǒng)管路中使用一種大通徑的閥門(mén)，能在閥門(mén)動(dòng)作前保證易燃推進(jìn)劑管路開(kāi)啟，動(dòng)作后有效關(guān)閉推進(jìn)劑管路。由于整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，所以要求該閥門(mén)不但質(zhì)量要輕，也不能引出多余管路等，可實(shí)現(xiàn)此種功能的自鎖閥由于質(zhì)量大，先導(dǎo)閥由于管路復(fù)雜等限制不能適用，故考慮研制一種常開(kāi)電爆閥，以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

根據(jù)空間飛行器以及其工作環(huán)境的特點(diǎn)，新型電爆閥必須具有如下特點(diǎn)：①滿(mǎn)足在易燃易爆的液體推進(jìn)劑中可靠工作；②具有較大的通徑，流阻小；③具有良好的電爆前、后密封性。

常開(kāi)電爆閥一般分為直接作用式和間接作用式兩類(lèi)。直接作用式電爆閥依靠電爆燃?xì)庵苯油苿?dòng)閥芯截?cái)嗔鞯溃y芯越大，所需要的電爆能量越大。直接作用式電爆閥一般為閘板式和柱塞式兩種結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)的限制，閘板式結(jié)構(gòu)多用于小通徑閥門(mén)，柱塞式結(jié)構(gòu)多用于中、小通徑的閥門(mén)。

由于柱塞式電爆閥結(jié)構(gòu)加工裝配較為方便，故常開(kāi)電爆閥的研制方案首先考慮了直接作用柱塞式常開(kāi)電爆閥，但在經(jīng)過(guò)摸底試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，柱塞式常開(kāi)電爆閥工作時(shí)，會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生很大的水擊，并且柱塞在關(guān)閉時(shí)刻的硬密封會(huì)產(chǎn)生撞擊摩擦，如撞擊摩擦產(chǎn)生足夠高的溫度，在易燃易爆推進(jìn)劑中會(huì)發(fā)生爆炸，存在安全隱患。

因此，需研制一種結(jié)構(gòu)輕巧、大口徑并且適用于易燃易爆推進(jìn)劑液路工作的新結(jié)構(gòu)常開(kāi)電爆閥。

2 新型電爆閥方案

2.1 方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)前期的研制經(jīng)驗(yàn)，新結(jié)構(gòu)的常開(kāi)電爆閥需要滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)要求：①工作介質(zhì)為易燃易爆介質(zhì)，應(yīng)避免火藥燃?xì)馀c介質(zhì)有接觸；②應(yīng)避免閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)管路出現(xiàn)較大的水擊；③應(yīng)避免金屬零件互相強(qiáng)烈撞擊和摩擦出現(xiàn)。

2.2 方案的借鑒

先期的試驗(yàn)說(shuō)明直接作用式結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，須研制一種間接作用式方案閥門(mén)。國(guó)內(nèi)外資料公開(kāi)的間接作用式結(jié)構(gòu)方案，多采用的是電爆燃?xì)獍武N(xiāo)結(jié)構(gòu)，即利用電爆燃?xì)鈱⒍ㄎ婚y芯的銷(xiāo)子拔出，此類(lèi)拔銷(xiāo)裝置如圖1所示。

圖1 燃?xì)獍武N(xiāo)裝置Fig.1 Pull pin device for gas

此類(lèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：閥門(mén)可以滿(mǎn)足大通徑的要求。動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生水擊較小，避免了撞擊摩擦；但也具有一些缺點(diǎn)，如：燃?xì)馀c推進(jìn)劑的隔離僅是通過(guò)設(shè)置在銷(xiāo)子上的幾道密封圈隔離；銷(xiāo)子前后端要存在面積差；需要設(shè)置固定銷(xiāo)子切破部位或彈簧，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，如閥門(mén)工作之前萬(wàn)一管路有較強(qiáng)水擊壓力，超過(guò)銷(xiāo)子初始位置的限位力，會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)提前動(dòng)作關(guān)閉。但其拔銷(xiāo)解鎖的機(jī)構(gòu)原理可以作為新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的借鑒。

2.3 方案的實(shí)現(xiàn)

參考上述的拔銷(xiāo)原理，在作動(dòng)銷(xiāo)子方式上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新的常開(kāi)電爆閥結(jié)構(gòu)方案，不但動(dòng)作水擊小、無(wú)撞擊摩擦，同時(shí)也能滿(mǎn)足使燃?xì)膺h(yuǎn)離工作介質(zhì)，閥門(mén)有抗大水擊的能力。

圖2給出了這種新結(jié)構(gòu)常開(kāi)電爆閥的原理結(jié)構(gòu)圖，從原理結(jié)構(gòu)圖上分析，新結(jié)構(gòu)常開(kāi)電爆閥的特點(diǎn)在于：

1)銷(xiāo)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)彈簧定位或特定薄弱點(diǎn)設(shè)計(jì)，電爆前銷(xiāo)子由解鎖活塞鎖定，因此不存在工作前萬(wàn)一管路大水擊下的失效問(wèn)題；

2)與推進(jìn)劑接觸的銷(xiāo)子零件一端為易燃易爆工作介質(zhì)，一端為一隔離腔；電爆后電爆燃?xì)獗幻芊庠诮怄i活塞零件的上方，電爆燃?xì)膺h(yuǎn)離易燃易爆推進(jìn)劑，因此燃?xì)馀c介質(zhì)能有效隔離；

3)電爆后推進(jìn)劑介質(zhì)本身的工作壓力驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)子一端進(jìn)入解鎖活塞的中孔中，另一端脫離閥芯，閥芯隨即解鎖，在彈簧力作用下關(guān)閉，閥芯解鎖不需要電爆燃?xì)庵苯域?qū)動(dòng)銷(xiāo)子；

4)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，閥芯與閥座是“軟”對(duì)“硬”接觸，根除了易燃易爆推進(jìn)劑介質(zhì)中金屬結(jié)構(gòu)間“硬”對(duì)“硬”撞擊摩擦產(chǎn)生高溫而引起的安全隱患。

圖2 電爆閥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Pyrovalve structure

3 仿真計(jì)算

閥門(mén)流道存在直角拐彎，并且閥芯可能會(huì)阻擋部分流道，為滿(mǎn)足系統(tǒng)的適用要求，需對(duì)流阻進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)要求在額定水當(dāng)量1.9 kg/s下，流阻不能大于0.10 MPa。

圖3 流道模型Fig.3 Model of flow channel

如圖3所示，通過(guò)Pro/E三維制圖建模形成流道模型，然后利用CFdesign軟件，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，利用仿真軟件進(jìn)行流阻的計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算值不斷改進(jìn)閥芯處的結(jié)構(gòu)尺寸，最終得到滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸。

圖4為流道中心剖面的壓力分布情況。可見(jiàn)流阻最大為0.089 MPa，滿(mǎn)足不大于0.1 MPa流阻（額定流量）的需求。

根據(jù)圖4、圖5流道中心剖面的壓力和速度分布情況，可見(jiàn)推進(jìn)劑在閥芯周邊的運(yùn)速度基本為0，此處的壓力最大也基本穩(wěn)定，此處安裝的銷(xiāo)子零件將承受穩(wěn)定的液壓推力。

圖4 閥內(nèi)流道壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution in flow channel inside pyrovalve

圖5 閥內(nèi)流道速度分布圖Fig.5 Velocity distribution in flow channel inside pyrovalve

4 試驗(yàn)情況

根據(jù)新方案和理論計(jì)算確定最終尺寸生產(chǎn)出的電爆閥外貌如圖6所示。該閥門(mén)進(jìn)行了多次系統(tǒng)狀態(tài)的推進(jìn)劑電爆試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中均無(wú)異常現(xiàn)象出現(xiàn)，閥門(mén)有效關(guān)閉流道，根除了直接作用柱塞式結(jié)構(gòu)關(guān)閉時(shí)刻撞擊摩擦所導(dǎo)致的爆燃問(wèn)題。

圖7(a)為前期試制的柱塞式閥門(mén)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的水擊波動(dòng)曲線(xiàn)，圖7(b)給出了試驗(yàn)期間管路壓力的波動(dòng)曲線(xiàn)。可見(jiàn)新結(jié)構(gòu)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的水擊小很多。

圖6 閥門(mén)外形圖Fig.6 Photo of pyrovalve

圖7 水擊壓力曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.7 Contrast of water hammer pressure curves

對(duì)試驗(yàn)后的產(chǎn)品進(jìn)行密封性檢查，密封性能達(dá)到了系統(tǒng)要求壓力下的1×10－6Pa·m3/s量級(jí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為系統(tǒng)級(jí)閥門(mén)組件，電爆閥的結(jié)構(gòu)和工作原理雖然簡(jiǎn)單，但其工作瞬間會(huì)涉及到火工品爆炸、電爆燃?xì)饷芊狻⒔饘偈軟_擊和變形等多方面的因素，因此，在更改工作條件后，能否繼續(xù)選用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品需要仔細(xì)分析其適應(yīng)性。

新結(jié)構(gòu)的電爆閥由于其燃?xì)馀c介質(zhì)能有效隔離，工作產(chǎn)生水擊小，關(guān)閉時(shí)刻推進(jìn)劑流道中閥芯和閥座之間不存在金屬間撞擊和摩擦，可適用于大多數(shù)的易燃易爆介質(zhì)的工作環(huán)境。

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