電磁氣動閥四機集成設計

趙春云，張石燕，焦金成

（上海空間推進研究所，上海201112）

0 引言

電磁氣動閥是某空間飛行器推進分系統的重要組件之一，主要用于控制軌控發動機的啟動和關閉。隨著空間推進技術的不斷發展，系統對電磁氣動閥產品研制要求不斷提高，其中主要表現在以下幾個方面：1）產品工作介質易燃、易爆并有腐蝕性，因此對可靠性及安全性要求高；2）體積小、重量輕；3）在大流量條件下要求快響應（負載6 MPa及額定水流量610 g/s條件下，開啟及關閉響應特性分別為不大于6 ms和8ms）。由于產品的特殊要求，傳統電磁閥不能滿足體積小及響應快的要求。某空間飛行器一套系統需要4臺電磁氣動閥，要求每臺產品能夠分別獨立、快速、可靠地控制一臺雙組元發動機開啟及關閉。由于整個系統受空間尺寸及重量的限制，故考慮研制一種新型電磁氣動閥四機集成結構，以滿足系統要求。

根據空間飛行器及其工作特點，新型電磁氣動閥四機集成結構必須具有以下特點：

1） 每臺產品能夠分別獨立、快速、可靠地控制對應雙組元發動機開啟及關閉；

2） 將4臺電磁氣動閥集成在一起，形成電磁氣動閥四機集成結構，此結構設計不但要節省空間、減輕重量，同時要簡化4臺產品之間的連接管路，降低產品的泄漏風險，提高產品的可靠性；

3） 每臺電磁氣動閥四機集成結構再與4臺推力室集成起來，形成4臺發動機的四機集成，在結構設計中必須兼顧推力室的安裝；

4） 電磁氣動閥四機集成結構殼體上同時集成氧化劑貯箱和燃料貯箱的安裝結構及密封結構，使貯箱不需要另外的安裝支架、連接管路及密封設計；

5） 在上述與4臺推力室及2個獨立貯箱的安裝中，不需要另外的連接管路或連接管路盡量少，以實現減重及提高可靠性的雙重功效。

1 新型電磁氣動閥四機集成結構的方案

1.1 方案的設計要點

1.1.1 流量大、響應迅速

任務指標為：入口負載6 MPa及額定水流量610 g/s條件下，產品開啟和關閉響應時間分別為不大于6 ms及8 ms。要滿足流量大，就需要相應的開啟能力，如采用直動式方案，閥門線圈和銜鐵都要相應增大，進而體積和重量都會增加。為了解決上述問題，滿足系統開啟/關閉快響應的要求，需要采用先導式電磁氣動方案，用一個小的導閥來控制氣源的通斷，由于氣體的充填和排出速度都較快，在極短的時間內，控制氣體通過推動膜片、進而控制氧化劑和燃料路的啟動或關閉，從而實現對雙組元推進劑的快速控制。

1.1.2 采用四機集成實現減小體積及減輕重量

一套系統需要4臺電磁氣動閥，要求每臺產品能夠獨立、快速、可靠地控制一臺雙組元發動機開啟及關閉。可以通過采用氣動先導控制以及集成化設計技術，實現產品的減小體積和減輕重量的目的。即利用集成模塊，將4臺電磁氣動閥集成在一起，將氣、液路流道統一設計，實現控制氣源、氧化劑和燃料的集中供應，通過對4臺導閥的獨立操作完成對每一組氧化劑和燃料通斷的快速控制。

1.2 方案實現

先導式電磁氣動閥由電磁閥導閥和氣動閥兩部分組成。在產品通電前，電磁閥和氣動閥均處于關閉狀態，系統分別通過對應流道將控制氣、氧化劑和燃料分別充填到氣、液路閥芯組件前。通電后，電磁導閥銜鐵推出，通過氣頂桿推動氣路閥芯組件使氣路導通，氣體經氣路閥芯組件進入氣動閥的氣腔，分別推動氧化劑路及燃料路的頂桿向左或向右運動，最終實現雙組元液路導通。

斷電后，電磁導閥電磁力消失，在氣路彈簧及氣體負載的作用下，氣路閥芯組件回縮到關位，使氣路斷開，氣體經由排氣孔排出，氣腔內泄壓；氧化劑路及燃料路頂桿在液路彈簧及液體負載的作用下運動到關閉位置，實現雙組元液路的關閉。

1.3 關鍵技術

1.3.1 先導式電磁氣動控制技術

某空間飛行器系統需要能分別快速控制4臺雙組元發動機開啟及關閉的閥門。產品的設計采用先導式電磁氣動控制技術，通過重量40 g、電磁吸力大于20 N的氣路導閥，給液路主閥提供1 060 N的開啟力，完成對雙組元發動機氧化劑路和燃料路控制，實現快速響應的功能。先導式電磁氣動閥開啟/關閉工作原理見圖1。

1.3.2 四機集成技術

將4臺電磁氣動閥進行集成化設計，形成電磁氣動閥四機集成結構。在該設計方案中，利用殼體內部空間加工氣體和液體流道；在集成殼體外部不僅為4臺推力室預留安裝位置和對接接口，同時還要為氧化劑貯箱、燃料貯箱提供對接接口和密封結構。采用此設計方案，將氣路和液路流道、推力室與閥門對接接口、貯箱安裝接口及所需要密封結構集于一體，省去了與氧化劑、燃料貯箱之間的連接管路和其自身的安裝支架。

圖1 電磁氣動閥開啟/關閉工作原理圖Fig.1 Block diagrams for functional principles of opening and closing the pneumatic solenoid valve

通過四機集成結構形成多個分支流道，對推進劑進行流量再分配，確保推進劑快速供應，實現了電磁氣動閥四機集成的快速響應。經過對流道的反復優化，最終確定雙組元電磁氣動閥四機集成結構氣、液路流道模型如圖2所示。

圖2 氣、液路流道模型Fig.2 Model of gas and liquid flow passage

整個集成結構殼體中集成了1套氣路及2套液路的立體供應系統，簡便、可靠的完成了4路閥門控制氣體及八路液路集成供應系統。

由于四機集成技術的應用，使電磁氣動閥四機集成結構的殼體不但具有安裝和支撐功能，還具有流道分配功能。

1.3.3 電火花加工技術應用

氣路由1路總的氣路進口，通過設計2條直徑1.5 mm、深80 mm的十字交叉孔，實現將總的氣源分配到4路控制氣的進口，該Φ1.5 mm深孔采用電火花方法完成。

液體分別由上、下兩路進口進入，如圖2所示。在每路液路進口底部設計有4個長8 mm、寬5 mm的方孔，將總進口液體分配到對應液路閥芯組件進口，由于受結構尺寸限制，上述方孔也采用電火花技術加工。

2 仿真計算

2.1 先導電磁閥電磁場仿真

根據設計需要，產品的氣路入口負載作用力為9.8 N，為了保證產品可靠開啟，先導電磁閥的開啟力需要20 N，為此，產品投產前對新設計的先導電磁閥進行了通電30 V電磁場仿真，電磁場仿真見圖3，產品測試結果見表1。

圖3 先導電磁閥電磁場仿真Fig.3 Result of electromagnetic field simulation of guide solenoid valve

表1 產品測試結果Tab.1 Testing result of products

仿真結果為：磁路的最大磁感應強度為1.4 T，電磁吸力30.95 N；產品實測值：電磁吸力25.48～26.46 N。仿真結果真實有效，新設計產品滿足使用要求。

2.2 電磁氣動閥四機集成結構液路流阻仿真

電磁氣動閥四機集成結構的流道存在多處直角彎道、閥芯組件的小孔截流和閥口截流，這會造成流阻損失。系統要求在入口負載6 MPa及額定水流量610 g/s條件下流阻不大于1.2 MPa，為了驗證設計結構在流阻方面能否滿足任務要求，在設計初期就對產品流道進行反復優化設計和流阻仿真。

經過反復優化，最終確定了雙組元四機流道模型。利用Pre/E繪制流道模型，然后利用CFdesign軟件進行流阻計算。氧化劑路入口壓力6 MPa、當量水流量為610 g/s；燃料路入口壓力6 MPa、當量水流量為473 g/s。

針對現有技術的不足，提供了一種基于企業培訓體系下的專業人才培養的質量分析板，具備更加方便清理的優點，解決了現有專業人才培養用質量分析板大多采用白板和白板筆，當使用一定時間后，由于白板上的字痕未擦干凈而留下的污漬，難以清洗，影響美觀和使用的問題。

經過仿真，氧化劑路流阻仿真結果為0.96 MPa，燃料路流阻仿真結果為0.58 MPa。產品實測值：氧化劑路流阻實測值范圍為0.88～1.07 MPa，燃料路流阻實測值范圍為0.54～0.65 MPa。從仿真和產品實測值可以看出，氧化劑路流阻和燃料路流阻實測值和仿真結果基本一致，達到了設計預期，完全滿足任務要求。

3 試驗

3.1 電磁氣動閥四機集成結構試驗

針對電磁氣動閥四機集成結構進行了流阻、動作裕度、響應特性及密封性試驗，得到其主要性能參數，見表2。可以看出，先導式電磁氣動閥指標完全滿足任務指標要求。

表2 電磁氣動閥四機集成結構主要性能參數匯總表Tab.2 Main performance parameters for integrated structure of four pneumatic solenoid valves

3.2 發動機系統試驗

為進一步驗證電磁氣動閥的實際性能以及與推力室聯合工作情況，進行了發動機單機熱試車。在試驗中，為考核發動機的穩態及脈沖工作能力，進行了多種形式的脈沖考核。發動機穩態試車性能曲線見圖4，脈沖性能曲線見圖5，脈沖試驗火焰脈沖節奏清晰、穩定、火焰明亮。

圖4 發動機穩態試車曲線Fig.4 Typical curves of engine in steady state

圖5 脈沖工作曲線Fig.5 Working curves of engine in pulse state

通過試車結果可以看出，電磁氣動閥四機集成設計完全滿足任務需求。該電磁氣動閥四機集成結構現已順利通過了飛行試驗考核。

4 結論

通過電磁氣動閥四機集成結構設計，得到以下結論：

2） 利用集成化設計，不但實現了電磁氣動閥四機集成結構與氧化劑貯箱、燃料貯箱及4臺推力室的無管路、無附加支架的連接安裝，而且保證了4路氣體及8路液體的無管路集中供應。

3）電磁氣動閥四機集成設計實現了體積小、重量輕的目的。

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