基于高頻電磁閥的粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率控制規(guī)律研究①

胡 穎，鄧 哲，任全彬，李 悅

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，西安 710025；3. 西安近代化學(xué)研究所，西安 710065；4. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

新型粉末發(fā)動(dòng)機(jī)以粉末顆粒為推進(jìn)劑，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又具備推力可調(diào)、多次啟動(dòng)關(guān)機(jī)的功能。目前，新型粉末發(fā)動(dòng)機(jī)普遍處于概念研究階段，根據(jù)不同的使用需求，已經(jīng)開(kāi)展研究工作的粉末發(fā)動(dòng)機(jī)主要有Al/AP粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]、PE/AP粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[3]、Al/LOX粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[4]、Al/N2O粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[5]、Mg/CO2粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[6-9]及粉末燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[10-12]等。

(1)

式中mp為粉末裝填質(zhì)量；L為粉箱長(zhǎng)度；活塞速率v由驅(qū)動(dòng)氣填充驅(qū)動(dòng)腔的速率決定。

圖1 供粉儲(chǔ)箱工作原理圖

目前，關(guān)于粉末發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中僅有Al/AP粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及Mg/CO2粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)功能。其中，粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)方案為通過(guò)流量控制閥來(lái)改變驅(qū)動(dòng)氣流量和流化氣流量，進(jìn)而改變粉末推進(jìn)劑的質(zhì)量流率，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)[13]；而Mg/CO2粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則是在改變驅(qū)動(dòng)氣流量的基礎(chǔ)上，結(jié)合粉末儲(chǔ)箱出口通流面積進(jìn)行切換的方法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)[14]。可看出，采用圖1所述粉末推進(jìn)劑供給裝置的粉末發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上依賴于驅(qū)動(dòng)氣體流量的調(diào)節(jié)。

當(dāng)前研究中，采用的氣體流量調(diào)節(jié)方法為流量控制閥調(diào)節(jié)或通流面積有級(jí)調(diào)節(jié)，前者可實(shí)現(xiàn)氣體流量的連續(xù)無(wú)極調(diào)節(jié)，但是結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，難以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)化要求；后者雖然具有較小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)極調(diào)節(jié)。考慮到高頻電磁閥可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)多脈沖工作的特性，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、消極質(zhì)量輕的特點(diǎn)。因此，本文基于圖1所示氣壓驅(qū)動(dòng)活塞、氣流夾帶流化的粉末推進(jìn)劑供給方案，結(jié)合高頻電磁閥，提出一種粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率控制方法，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究電磁閥工作頻率、占空比等參數(shù)對(duì)推進(jìn)劑流量調(diào)節(jié)特性的影響規(guī)律，為粉末發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 高頻電磁閥

高頻電磁閥的開(kāi)關(guān)特性決定了其流量調(diào)節(jié)特性，本文采用的高頻電磁閥為直動(dòng)開(kāi)關(guān)閥。高頻電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉對(duì)應(yīng)于電信號(hào)的電位高低，如圖2所示。當(dāng)電壓信號(hào)為恒定高電位的情況下，電磁閥的打開(kāi)時(shí)間最長(zhǎng)，打開(kāi)幅度最大，流量達(dá)到最大值，此時(shí)的流量對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的最大推力狀態(tài)；當(dāng)輸入電磁閥的方波電壓信號(hào)中的低電位時(shí)，其通流流量小于最大流量。單位時(shí)間內(nèi)高頻電磁閥的多次開(kāi)閉，會(huì)導(dǎo)致通流流量低于常開(kāi)狀態(tài)，這時(shí)的流量可對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的小推力狀態(tài)。因此，只要測(cè)定出電磁閥在不同狀態(tài)下的流量特性，粉末發(fā)動(dòng)機(jī)的推力連續(xù)調(diào)節(jié)功能就可初步實(shí)現(xiàn)。

圖2 電磁閥輸入信號(hào)

定義變量占空比λ：

(2)

占空比λ的含義為一個(gè)方波信號(hào)周期內(nèi)，波峰信號(hào)時(shí)間占整個(gè)方波周期時(shí)間的比例，理論上占空比一樣的情況下，電磁閥開(kāi)關(guān)頻率的改變并不會(huì)影響閥門(mén)的通流流量。然而，實(shí)際情況中電磁開(kāi)關(guān)的打開(kāi)與關(guān)閉是需要時(shí)間的，無(wú)法做到方波脈沖信號(hào)中高低電位的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換，所以在相同的占空比條件下，改變高頻電磁閥的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)氣流量調(diào)節(jié)具有一定影響。因此，本文將實(shí)驗(yàn)研究給定工況下，不同電磁閥工作頻率、占空比對(duì)粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率調(diào)節(jié)特性的影響規(guī)律。

1.2 驅(qū)動(dòng)氣體流量調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3為采用上述高頻電磁閥搭建的驅(qū)動(dòng)氣體流量調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，主要由高頻電磁閥、粉末推進(jìn)劑供給系統(tǒng)、電源、測(cè)試和控制系統(tǒng)組成。

圖3 粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 頻率特性研究

為保證實(shí)驗(yàn)參數(shù)的一致性，在進(jìn)行頻率特性研究時(shí)，所有實(shí)驗(yàn)工況的占空比都設(shè)置為0.5，電磁閥電源電壓設(shè)置為30 V，驅(qū)動(dòng)氣總壓、流化氣流量也都保持一致。由于燃燒室背壓會(huì)對(duì)活塞位移產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)中給定燃燒室背壓0.6 MPa，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

圖4為上述工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。其中，pa為活塞后壓強(qiáng)，即驅(qū)動(dòng)氣體一側(cè)；pf為活塞前壓強(qiáng)，即流化氣體一側(cè)；S為活塞位移曲線，其對(duì)時(shí)間的微分可用于表征粉末推進(jìn)劑瞬時(shí)質(zhì)量流率(式(1))。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

由圖4可看出，在頻率1、3 Hz的情況下(A-1、A-2)活塞后壓強(qiáng)在脈沖流量調(diào)節(jié)閥作用下脈動(dòng)顯著，最大振幅分別為35%和16%，此時(shí)位移曲線也受到影響。隨著電磁閥頻率的進(jìn)一步提高，工況A-3中活塞后壓強(qiáng)和活塞位移曲線的變化過(guò)程已經(jīng)趨于平穩(wěn)。與活塞后壓強(qiáng)的建立過(guò)程不同，實(shí)驗(yàn)中活塞前壓強(qiáng)緩慢上升，這是因?yàn)榱骰瘹鈺?huì)由粉末儲(chǔ)箱出口流出，而驅(qū)動(dòng)氣則流動(dòng)進(jìn)入密閉空間，因此活塞前壓強(qiáng)的建立需要一定的充氣時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中A-6號(hào)工況的活塞位移量為零，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高頻電磁閥的頻率響應(yīng)極限在22 Hz左右，而A-6號(hào)工況設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率為25 Hz，過(guò)高的頻率導(dǎo)致電磁閥無(wú)法響應(yīng)，最終出現(xiàn)氣流截止。

為定量分析不同電磁閥工作頻率對(duì)粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率調(diào)節(jié)能力的影響，取活塞前壓強(qiáng)已經(jīng)建立到目標(biāo)壓強(qiáng)的時(shí)刻來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的活塞位移，將其微分后得到各工況下活塞位移速率與電磁閥頻率的關(guān)系，如圖5所示。可看出，開(kāi)關(guān)頻率變大，可減小通氣流量，這是因?yàn)殡姶砰y閥體的開(kāi)關(guān)是需要一定時(shí)間的，高頻率開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致閥體開(kāi)關(guān)過(guò)程所需時(shí)間的不斷累加，最終使通氣流量越來(lái)越少。在0.6 MPa背壓的情況下，活塞最大位移速度為7.79 mm/s，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)頻率為5 Hz，是開(kāi)關(guān)頻率15 Hz時(shí)活塞速度的1.98倍。

(a) 工況A-1 (b) 工況A-2 (c) 工況A-3

(d) 工況A-4 (e) 工況A-5 (f) 工況A-6

圖5 調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率對(duì)活塞移動(dòng)速度影響

2.2 占空比特性研究

從理論分析來(lái)看，方波信號(hào)的占空比直接影響了電磁閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間。從上節(jié)的研究結(jié)果可看出，電磁閥控制頻率較低時(shí)驅(qū)動(dòng)氣脈沖擾動(dòng)過(guò)大會(huì)對(duì)活塞位移的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而調(diào)節(jié)頻率為5 Hz時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程基本平順，且具有較大通流流量。所以，在占空比研究中，所有工況的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為5 Hz，并考慮不同背壓對(duì)活塞位移的影響。工況設(shè)置如表2所示。不同占空比下各工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖6所示。

由圖6可看出，在上述所有工況下，并不存在工況A-6的驅(qū)動(dòng)氣流動(dòng)截止情況。此外，不同背壓條件下，存在一個(gè)臨界占空比，只有當(dāng)電磁閥的實(shí)際占空比大于臨界占空比時(shí)，電磁閥才會(huì)啟動(dòng)工作。其中，0.42 MPa情況下的臨界占空比為0.3，0.83 MPa情況下的臨界占空比為0.4。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

表3 不同背壓情況下活塞位移速度

取活塞前壓強(qiáng)已經(jīng)建立到目標(biāo)壓強(qiáng)時(shí)的時(shí)間來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)刻的活塞位移，將其微分處理后得到各工況下活塞位移數(shù)據(jù)，如表3所示。

(a) 工況B-1 (b) 工況B-2 (c) 工況B-3

(d) 工況B-4 (e) 工況B-5 (f) 工況B-6

(g) 工況B-7 (g) 工況B-8

(h) 工況B-9 (i) 工況B-10

圖7為各個(gè)工況活塞速度與占空比的關(guān)系，反映了脈沖流量調(diào)節(jié)閥在改變占空比情況下的粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率調(diào)節(jié)能力。可看出，占空比的提高可顯著增大脈沖流量調(diào)節(jié)閥的流量，但占空比越接近于1時(shí)，調(diào)節(jié)能力越來(lái)越小，占空比較小時(shí)，其調(diào)節(jié)能力比較強(qiáng)。在背壓0.42、0.83 MPa情況下，活塞位移速率調(diào)節(jié)比分別為2.79、2.68，而活塞位移速度最大值都處于占空比為0.8的情況下，分別為27.3、6.7 mm/s。

圖7 調(diào)節(jié)占空比對(duì)活塞速度影響

3 結(jié)論

基于氣壓驅(qū)動(dòng)活塞、氣流夾帶流化的粉末推進(jìn)劑供給方，結(jié)合高頻電磁閥，提出了一種粉末供給裝置粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率控制方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了電磁閥工作頻率、占空比等參數(shù)對(duì)粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率調(diào)節(jié)特性的影響規(guī)律。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，主要得到以下結(jié)論：

(1)可通過(guò)電磁閥工作頻率的變化進(jìn)行粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)。在0.6 MPa背壓的情況下，工作頻率5 Hz時(shí)活塞的最大位移速度為7.79 mm/s，是開(kāi)關(guān)頻率15 Hz時(shí)的1.98倍。

(2)背壓0.42 MPa情況下，電磁閥正常工作的臨界占空比為0.3，背壓0.83 MPa情況下，電磁閥正常工作的臨界占空比為0.4。

(3)通過(guò)改變電磁閥的占空比，可實(shí)現(xiàn)粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率的調(diào)節(jié)。占空比越大，調(diào)節(jié)能力越來(lái)越小。背壓0.42、0.83 MPa情況下，活塞位移速率調(diào)節(jié)比分別為2.79、2.68。