火箭閥門動作量化檢測方案設計及試驗驗證

孫海亮 崔景芝 周浩洋 范書群 張連萬 王躍平

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

1 引 言

閥門是運載火箭動力系統關鍵單機，用于推進劑的加注泄出、貯箱排氣、承壓安全、貯箱增測壓等。隨著我國宇航技術的發展，對閥門動作檢測也提出了更高要求[1]，如何實現閥門動作的量化檢測，這對閥門研制提出了極大挑戰。

閥芯和閥座密封副是閥門關鍵結構，只有當閥芯密封面與閥座密封面緊密結合在一起，使介質不能通過密封結合面間的細微管道，才能保證密封副的密封性。閥門密封性能受到密封副結構尺寸、表面粗糙度、工作壓力和溫度等多種因素共同影響。對常溫和低溫下不同密封比壓的低溫閥門密封結構進行了啟閉密封特性試驗[2]，得出密封比壓與閥門漏率的關系。在液氮溫區(77K)研究閥座漏率與密封比壓和工作壓力的關系[3,4]，分析了采用不同軟密封材料時閥座密封性能對壓力和溫度的穩定性。

目前廣泛應用的智能閥門定位器[5]是一種過程控制精密儀表。智能閥門定位器通過位置傳感器檢測閥位的具體值，通過A/D轉換后反饋給CPU，參與控制運算；位置傳感器的反饋精度及穩定性直接關系到最終的控制效果。HVP型智能閥門定位器，在控制系統中，調節器、定位器、執行器和變送器等構成了一個閉環控制網絡，實現對閥門的精確控制和定位[6]。全電子式智能閥門定位器，采用比例式壓電閥作為I/P轉換和氣動放大部件，硬件電路設計突出超低功耗理念，整體布局采用優化設計，降低了硬件電路的電流總消耗[7]。一種新型閥門智能控制的電動執行器，將步進電機與DSP控制應用于智能可調節閥門執行器，結合外圍電路形成了對步進電機的閉環有效控制[8]。智能閥門定位器可以檢測閥門在打開情況下的閥位，并通過反饋實現對閥位的精確控制。但是，智能閥門定位器無法實現閥門在關閉情況下的位置檢測。

在閥門動作檢測方面，一種新型閥門執行機構中的檢測模塊，主要進行閥門位置檢測和行程檢測。閥門位置檢測采用高精度導電塑料電位器，在電位器兩端加5V直流電，在電機轉動時，傳動裝置帶動電位器滑動，改變電位器的電阻值，使其觸點輸出(0～5)V的電壓，對應閥門的開度[9]。閥門定位器的閥位檢測模塊的作用是將閥門位置實時地送入定位器中的微處理器，主要由閥位反饋連桿機構、閥位檢測傳感器與閥位檢測電路組成；閥位檢測傳感器采用高精度特色電位器[10]。

目前，運載火箭在總裝測試及出廠測試過程中對閥門進行狀態檢查時，僅能通過氣泡檢漏法實現閥門漏率的離線檢測，并且需要提前對貯箱進行充壓，檢測過程復雜、耗時很長、成本高。此外，在運載火箭飛行試驗前極短時間內，連接器才與閥門脫拔；且連接器脫拔后無法檢測閥門狀態，存在推進劑泄漏風險，嚴重時甚至會影響運載火箭飛行成敗。某型加注閥門裝配位置信號器，用來判斷閥門是否關閉；閥芯落座后閥門關閉，位置信號器發出到位信號。該加注閥門僅能判斷閥門是否關閉到位，不能判斷閥門的關閉程度。因此，亟需開展閥門狀態在線檢測方法的研究。為彌補智能閥門定位器和現有型號用閥門位置檢測方法的不足，進而實現閥門動作的精確檢測，本文將研究閥門在承壓工況下閥芯動作位置、閥門漏率以及密封比壓之間的關系。

2 動作可檢測閥門檢測方案

運載火箭用閥門普遍采用金屬閥座與非金屬閥芯的密封結構形式，其中非金屬主要為橡膠或高分子聚合物等。傳感器能夠感受被測量參量的物理特性(溫度、壓力等)，并將它們轉化為相應的電壓或電流信號輸出。應變傳感器能夠直觀反映被測試驗件的應變和位移，適合用于閥門動作精確測量。應變傳感器測量試驗系統包括氣室、應變片、閥芯和閥座等，如圖1所示。在閥芯非金屬圓柱面粘貼應變傳感器，測量加載密封過程中閥芯非金屬的應變，并通過仿真計算獲得閥座處的應力分布及密封比壓，從而獲得閥座處的應力分布及密封比壓，通過入口的漏率測量(采用氦質譜檢漏)，得到密封比壓與應力之間的對應關系。

圖1 應變傳感器測量方案Fig.1 Measurement scheme of strain sensors

3 工藝件摸底試驗

動作精確可檢測工藝件結構如圖2所示。將應變傳感器粘貼在閥芯非金屬圓盤外側面(靠近閥座密封處)，閥芯非金屬工藝件直徑為Φ35mm，厚度為3.5mm，測點如圖3所示。在閥芯非金屬部位施加不同載荷來模擬不同的壓力，引發應變傳感器發生形變，應變傳感器電阻值隨之變化，通過測量電阻值的變化，經過換算可以得到閥座非金屬部位的應變。

(a)閥芯 (b)閥座圖2 工藝件結構尺寸Fig.2 Structure size of the simulation

圖3 閥芯非金屬工藝件及測點位置Fig.3 Nonmetal simulation and the measurement position

試驗過程中，為了消除環境溫度對試驗的影響，在另一塊非金屬板上粘貼應變傳感器作為溫度補償。在材料試驗機上對閥座施加100N、200N和300N等不同的壓力，檢測應變傳感器的響應，結果如表1所示。由于應變傳感器和閥芯非金屬工藝件連接性能不好，在試驗過程中1號、2號和3號測點應變片脫落，僅4號測點有效。工藝件應變測量結果表明應變傳感器可以敏銳感知閥芯非金屬應變。

表1 工藝件應變測量結果Tab.1 Measurement result of the simulation

4 驗證試驗

4.1 試驗件設計方案

為驗證閥門動作精確可檢測方案的可行性，以常溫加注活門為基礎，設計閥門試驗件原理圖如圖4所示。首先在閥芯非金屬側面粘貼應變傳感器，將傳感器引線從閥芯骨架上小孔引出，并對小孔灌膠保證密封性能。采用滾邊收口工藝將閥芯非金屬壓入閥芯骨架，保證閥芯非金屬和閥芯骨架之間不形成泄漏通道。

1-殼體;2-閥芯;3-導向盤;4-彈簧;5-引線;6-接線端口圖4 動作精確可檢測閥門試驗件結構原理圖Fig.4 Diagram of the experiment for quantitative petection of valve action

4.2 試驗件加工裝配

閥芯滾邊收口后對應變片引線進行固定，閥芯狀態如圖5所示。在殼體上打孔，將傳感器引線從孔內穿出，并在殼體打孔處進行涂膠密封，裝配后整閥試驗件狀態如圖6所示。

圖5 活閥滾邊收口后狀態Fig.5 Reducing by rouing of valve plug

圖6 整閥裝配后狀態Fig.6 Valve after assembling

4.3 試驗系統

動作可檢測閥門試驗系統如圖7所示，由氣源(氦氣)、配氣臺、過濾器、試驗件、應變測試儀和氦質譜檢漏儀等組成。試驗過程中，由閥門出口通入氦氣，壓力范圍0～0.7MPa，活閥非金屬應變由應變測試儀測量，閥門漏率由氦質譜檢漏儀測量。通過逐漸增加出口壓力，得出閥門壓力-應變-漏率之間的關系。

圖7 動作可檢測閥門試驗系統Fig.7 Experiment of quantitative detection for valve action

4.4 試驗結果

活閥上共粘貼4片應變傳感器，滾邊收口時損壞1片，整閥裝配時損壞1片，實際試驗時可用應變片為2片，其中測點1和測點2在圓周上距離180°。測點1和測點2檢測出的應變與承壓之間的關系如圖8所示，可以看出活閥非金屬應變和閥門出口氣體壓力基本成比例變化；閥門出口壓力增大，閥門漏率隨之增大。應變傳感器測量系統可有效檢測閥門受到外力作用(氣體壓力和彈簧壓力等)引起的活閥動作變化。

圖8 應變與閥門壓力關系Fig.8 Relation of valve stress and strain

建立傳感器應變與閥門漏率數據之間的關系曲線，如圖9所示。其中，橫坐標為傳感器應變，縱坐標為閥門漏率。根據橫坐標傳感器應變，即可得出該數據對應的閥門漏率，實現閥門動作的精確檢測。

圖9 閥門漏率檢測結果Fig.9 Detection result of valve leakage

4.5 討論與展望

根據上述試驗結果及傳感器性能指標，本文設計的結構可實現常規推進劑火箭用閥門(工作溫度為233K～323K)的動作量化檢測。目前，新型運載火箭使用低溫無污染推進劑，低溫閥門(工作溫度為90K)動作檢測及狀態在線檢測對閥門研究工作提出了新的要求，主要涉及到低溫工況下信號采集和安全可靠的數據傳輸等技術。后續，擬研究適用于低溫工況下的傳感器技術，實現低溫閥門動作信號的有效采集。

此外，本試驗采用數據線將采集到的閥門動作信號傳輸至數采設備，數據線阻礙閥門有效動作，并且數據線本身以及數據線和傳感器的連接存在損壞的風險，影響信號有效傳輸。后續，擬利用無線傳感技術將采集信號傳輸至數采設備，避免由于數據線損傷造成采集信號丟失，提高數據傳輸的有效性和可靠性。

5 結束語

本文設計了一種動作可量化檢測閥門結構，在閥門加工過程中將應變傳感器預埋在閥芯非金屬中，通過引線將傳感器數據導出至數據采集設備。通過工藝件摸底試驗和閥門驗證試驗，結果表明應變傳感器可以實現閥門閥芯位置的精確檢測，并且應變傳感器的應變值定量反映了閥門出口的承壓狀態和閥門漏率。