基于高頻電磁閥的粉末推進劑質量流率控制規(guī)律研究①

胡 穎，鄧 哲，任全彬，李 悅

(1. 西北工業(yè)大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072；2. 中國航天科技集團有限公司四院四十一所，西安 710025；3. 西安近代化學研究所，西安 710065；4. 中國航天科技集團有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

新型粉末發(fā)動機以粉末顆粒為推進劑，具有結構簡單、環(huán)境適應性強的優(yōu)點；同時又具備推力可調、多次啟動關機的功能。目前，新型粉末發(fā)動機普遍處于概念研究階段，根據(jù)不同的使用需求，已經(jīng)開展研究工作的粉末發(fā)動機主要有Al/AP粉末火箭發(fā)動機[1-2]、PE/AP粉末火箭發(fā)動機[3]、Al/LOX粉末火箭發(fā)動機[4]、Al/N2O粉末火箭發(fā)動機[5]、Mg/CO2粉末火箭發(fā)動機[6-9]及粉末燃料沖壓發(fā)動機[10-12]等。

(1)

式中mp為粉末裝填質量；L為粉箱長度；活塞速率v由驅動氣填充驅動腔的速率決定。

圖1 供粉儲箱工作原理圖

目前，關于粉末發(fā)動機的研究中僅有Al/AP粉末火箭發(fā)動機及Mg/CO2粉末火箭發(fā)動機實現(xiàn)了發(fā)動機的推力調節(jié)功能。其中，粉末火箭發(fā)動機的推力調節(jié)方案為通過流量控制閥來改變驅動氣流量和流化氣流量，進而改變粉末推進劑的質量流率，實現(xiàn)發(fā)動機的推力調節(jié)[13]；而Mg/CO2粉末火箭發(fā)動機則是在改變驅動氣流量的基礎上，結合粉末儲箱出口通流面積進行切換的方法實現(xiàn)發(fā)動機的推力調節(jié)[14]。可看出，采用圖1所述粉末推進劑供給裝置的粉末發(fā)動機，其推力調節(jié)功能的實現(xiàn)本質上依賴于驅動氣體流量的調節(jié)。

當前研究中，采用的氣體流量調節(jié)方法為流量控制閥調節(jié)或通流面積有級調節(jié)，前者可實現(xiàn)氣體流量的連續(xù)無極調節(jié)，但是結構質量大，難以滿足發(fā)動機輕質化要求；后者雖然具有較小的結構質量，但不能實現(xiàn)連續(xù)無極調節(jié)。考慮到高頻電磁閥可在短時間內實現(xiàn)連續(xù)多脈沖工作的特性，且具有結構簡單、消極質量輕的特點。因此，本文基于圖1所示氣壓驅動活塞、氣流夾帶流化的粉末推進劑供給方案，結合高頻電磁閥，提出一種粉末推進劑質量流率控制方法，進一步通過實驗研究電磁閥工作頻率、占空比等參數(shù)對推進劑流量調節(jié)特性的影響規(guī)律，為粉末發(fā)動機推力調節(jié)方案設計提供參考。

1 粉末推進劑質量流率調節(jié)實驗系統(tǒng)

1.1 高頻電磁閥

高頻電磁閥的開關特性決定了其流量調節(jié)特性，本文采用的高頻電磁閥為直動開關閥。高頻電磁閥的開啟與關閉對應于電信號的電位高低，如圖2所示。當電壓信號為恒定高電位的情況下，電磁閥的打開時間最長，打開幅度最大，流量達到最大值，此時的流量對應發(fā)動機工作時的最大推力狀態(tài)；當輸入電磁閥的方波電壓信號中的低電位時，其通流流量小于最大流量。單位時間內高頻電磁閥的多次開閉，會導致通流流量低于常開狀態(tài)，這時的流量可對應于發(fā)動機的小推力狀態(tài)。因此，只要測定出電磁閥在不同狀態(tài)下的流量特性，粉末發(fā)動機的推力連續(xù)調節(jié)功能就可初步實現(xiàn)。

圖2 電磁閥輸入信號

定義變量占空比λ：

(2)

占空比λ的含義為一個方波信號周期內，波峰信號時間占整個方波周期時間的比例，理論上占空比一樣的情況下，電磁閥開關頻率的改變并不會影響閥門的通流流量。然而，實際情況中電磁開關的打開與關閉是需要時間的，無法做到方波脈沖信號中高低電位的瞬時轉換，所以在相同的占空比條件下，改變高頻電磁閥的開關頻率對驅動氣流量調節(jié)具有一定影響。因此，本文將實驗研究給定工況下，不同電磁閥工作頻率、占空比對粉末推進劑質量流率調節(jié)特性的影響規(guī)律。

1.2 驅動氣體流量調節(jié)實驗系統(tǒng)

圖3為采用上述高頻電磁閥搭建的驅動氣體流量調節(jié)實驗系統(tǒng)原理圖，主要由高頻電磁閥、粉末推進劑供給系統(tǒng)、電源、測試和控制系統(tǒng)組成。

圖3 粉末推進劑質量流率調節(jié)實驗系統(tǒng)

2 試驗結果與分析

2.1 頻率特性研究

為保證實驗參數(shù)的一致性，在進行頻率特性研究時，所有實驗工況的占空比都設置為0.5，電磁閥電源電壓設置為30 V，驅動氣總壓、流化氣流量也都保持一致。由于燃燒室背壓會對活塞位移產(chǎn)生影響，實驗中給定燃燒室背壓0.6 MPa，實驗工況如表1所示。

圖4為上述工況的實驗結果曲線。其中，pa為活塞后壓強，即驅動氣體一側；pf為活塞前壓強，即流化氣體一側；S為活塞位移曲線，其對時間的微分可用于表征粉末推進劑瞬時質量流率(式(1))。

表1 實驗工況

由圖4可看出，在頻率1、3 Hz的情況下(A-1、A-2)活塞后壓強在脈沖流量調節(jié)閥作用下脈動顯著，最大振幅分別為35%和16%，此時位移曲線也受到影響。隨著電磁閥頻率的進一步提高，工況A-3中活塞后壓強和活塞位移曲線的變化過程已經(jīng)趨于平穩(wěn)。與活塞后壓強的建立過程不同，實驗中活塞前壓強緩慢上升，這是因為流化氣會由粉末儲箱出口流出，而驅動氣則流動進入密閉空間，因此活塞前壓強的建立需要一定的充氣時間。實驗中A-6號工況的活塞位移量為零，這是因為實驗過程中發(fā)現(xiàn)高頻電磁閥的頻率響應極限在22 Hz左右，而A-6號工況設計的開關頻率為25 Hz，過高的頻率導致電磁閥無法響應，最終出現(xiàn)氣流截止。

為定量分析不同電磁閥工作頻率對粉末推進劑質量流率調節(jié)能力的影響，取活塞前壓強已經(jīng)建立到目標壓強的時刻來計算對應的活塞位移，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系，如圖5所示。可看出，開關頻率變大，可減小通氣流量，這是因為電磁閥閥體的開關是需要一定時間的，高頻率開關會導致閥體開關過程所需時間的不斷累加，最終使通氣流量越來越少。在0.6 MPa背壓的情況下，活塞最大位移速度為7.79 mm/s，對應開關頻率為5 Hz，是開關頻率15 Hz時活塞速度的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 調節(jié)開關頻率對活塞移動速度影響

2.2 占空比特性研究

從理論分析來看，方波信號的占空比直接影響了電磁閥的開關時間。從上節(jié)的研究結果可看出，電磁閥控制頻率較低時驅動氣脈沖擾動過大會對活塞位移的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而調節(jié)頻率為5 Hz時，活塞運動過程基本平順，且具有較大通流流量。所以，在占空比研究中，所有工況的開關頻率設置為5 Hz，并考慮不同背壓對活塞位移的影響。工況設置如表2所示。不同占空比下各工況的實驗結果曲線如圖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的驅動氣流動截止情況。此外，不同背壓條件下，存在一個臨界占空比，只有當電磁閥的實際占空比大于臨界占空比時，電磁閥才會啟動工作。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 實驗工況

表3 不同背壓情況下活塞位移速度

取活塞前壓強已經(jīng)建立到目標壓強時的時間來計算對應時刻的活塞位移，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為各個工況活塞速度與占空比的關系，反映了脈沖流量調節(jié)閥在改變占空比情況下的粉末推進劑質量流率調節(jié)能力。可看出，占空比的提高可顯著增大脈沖流量調節(jié)閥的流量，但占空比越接近于1時，調節(jié)能力越來越小，占空比較小時，其調節(jié)能力比較強。在背壓0.42、0.83 MPa情況下，活塞位移速率調節(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 調節(jié)占空比對活塞速度影響

3 結論

基于氣壓驅動活塞、氣流夾帶流化的粉末推進劑供給方，結合高頻電磁閥，提出了一種粉末供給裝置粉末推進劑質量流率控制方法，并通過實驗研究了電磁閥工作頻率、占空比等參數(shù)對粉末推進劑質量流率調節(jié)特性的影響規(guī)律。在本文實驗條件下，主要得到以下結論：

(1)可通過電磁閥工作頻率的變化進行粉末推進劑質量流率的調節(jié)。在0.6 MPa背壓的情況下，工作頻率5 Hz時活塞的最大位移速度為7.79 mm/s，是開關頻率15 Hz時的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)通過改變電磁閥的占空比，可實現(xiàn)粉末推進劑質量流率的調節(jié)。占空比越大，調節(jié)能力越來越小。背壓0.42、0.83 MPa情況下，活塞位移速率調節(jié)比分別為2.79、2.68。