阅读说明：本技术 一种等流量固体姿控推力装置及设计方法 (Equal-flow solid attitude control thrust device and design method ) 是由 赵启扬 余明敏 周子翔 丁杰 胡胜云 胡保朝 王善金 张周周 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种等流量固体姿控推力装置及设计方法,涉及固体姿控动力系统技术领域,该装置包括控制阀和推力器,控制阀包括：阀体,其包括一个进气口和两个对称设置的出气口,每个出气口与一个推力器对接且连通；阀芯,其设有两个,阀芯可调节推力器内节流部位的开度；阀芯具有随开度变化而使经过节流部位的气体流量呈线性变化的型面；执行器,其输出端的两端分别与两个阀芯连接,输出端用于带动两个阀芯同步移动。本发明提供的固体姿控推力装置,可减少多级节流带来的流量调节的非线性影响；两个阀芯在联动切换过程中,两个节流部位的总气体流量不变,达到等流量切换的目的,获得良好的推力品质,确保工作时间满足使用需要。(The invention discloses an equal-flow solid attitude control thrust device and a design method, and relates to the technical field of solid attitude control power systems, the device comprises a control valve and a thruster, and the control valve comprises: the valve body comprises an air inlet and two symmetrically arranged air outlets, and each air outlet is butted and communicated with one thruster; the two valve cores are arranged, and the opening degree of a throttling part in the thruster can be adjusted by the valve cores; the valve core is provided with a profile which makes the gas flow passing through the throttling part linearly change along with the change of the opening degree; and two ends of the output end of the actuator are respectively connected with the two valve cores, and the output end is used for driving the two valve cores to synchronously move. The solid attitude control thrust device provided by the invention can reduce the nonlinear influence of flow regulation caused by multi-stage throttling; in the linkage switching process of the two valve cores, the total gas flow of the two throttling parts is unchanged, the purpose of equal flow switching is achieved, good thrust quality is obtained, and the working time is ensured to meet the use requirement.)

一种等流量固体姿控推力装置及设计方法

技术领域

本发明涉及固体姿控动力系统技术，具体涉及一种等流量固体姿控推力装置及设计方法。

背景技术

飞行器姿控动力系统对推力品质、工作时间有严格的要求。固体姿控燃发器采用固体推进剂，其推力、压强、工作时间、燃速和推力器喷等效管喉径存在强耦合关系。

现有的姿控动力系统，其电磁阀由电磁铁、阀体和进出口接口等组成，燃气由电磁阀进入推力器需要经过2次节流，燃发器的压强变化较大，影响系统的安全性，以及燃发器的推力品质和工作时间。特别是在2个推力器相互切换过程中，由于等效喉径的变化直接导致压强、燃速发生变化，造成整个系统内弹道特性的改变，进而导致推力品质和工作时间不能满足使用需求，以及燃烧不稳定情况的产生。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种等流量固体姿控推力装置及设计方法，在两个阀芯联动切换过程中，实现两个节流部位的总气体流量不变。

本发明第一方面提供一种等流量固体姿控推力装置，其包括控制阀和推力器，上述控制阀包括：

阀体，其包括一个进气口和两个对称设置的出气口，每个出气口与一个推力器对接且连通；

阀芯，其设有两个，相对设置于阀体内部，上述阀芯可调节推力器内节流部位的开度；上述阀芯具有随开度变化而使经过上述节流部位的气体流量呈线性变化的型面；

执行器，其输出端的两端分别与两个阀芯连接，且两个阀芯位于同一直线，输出端用于带动两个阀芯同步移动；

当其中一个节流部位的开度增大，另一个节流部位的开度减小时，进入两个推力器的气体总流量保持不变。

基于第一方面，在可能的实施例中，进气口连通两个进气管道，每个进气管道连接一个出气口，两个出气口位于同一直线，上述进气口垂直于两个出气口所在直线。

基于第一方面，在可能的实施例中，推力器的内型面依次分为收敛段、喉部和扩张段，上述节流部位位于上述收敛段。

本发明第二方面提供一种基于上述等流量固体姿控推力装置的设计方法，其包括：

基于直线流量特性，根据推力器的内型面，设计单个阀芯的理论型面曲线；

通过上述理论型面曲线得到上述阀芯的理论型面，并对上述理论型面与推力器建立三维CFD模型，计算节流部位在不同开度下的实际流量；

对比不同开度的理论流量和实际流量，当二者不同时，修正理论型面曲线，直至上述节流部位的开度与实际流量之间具有线性关系，输出此时型面曲线对应的型面作为阀芯型面。

基于第二方面，在可能的实施例中，设计单个阀芯的理论型面曲线，具体包括：

根据直线流量特性，确定上述节流部位的流量与节流面积的关系，进而确定上述节流部位的节流面积与开度的关系；

根据上述节流部位的节流面积与阀芯型面曲线型面点的关系，绘制上述阀芯在不同开度下的等截面曲线；上述等截面曲线被定义为：当前开度下，对于等截面曲线上具有任一对称设置的两点M和M′，节流部位型线上具有分别对应M和M′距离最小的两点为N和N′，M、M′、N和N′形成的流通截面面积均等于当前开度下的节流面积；

获取上述等截面曲线的包络线，作为上述阀芯的理论型面曲线。

基于第二方面，在可能的实施例中，获取等截面曲线的包络线具体包括：

将各个等截面曲线按其对应的开度进行平移，取所有曲线纵坐标最大值的点集合作为包络线。

基于第二方面，在可能的实施例中，修正理论型面曲线，具体包括：

当实际流量大于理论流量时，将此时开度所对应的型面点沿阀芯轴向且朝推力器的方向移动；

当实际流量小于理论流量时，将此时开度所对应的型面点沿阀芯轴向且远离推力器的方向移动。

基于第二方面，在可能的实施例中，每次迭代时，上述型面点移动量为理论流量与实际流量差值的20％。

基于第二方面，在可能的实施例中，各个开度下的理论流量，根据上述节流部位的流量与节流面积的关系、以及节流面积与开度的关系计算得到。

基于第二方面，在可能的实施例中，还包括，以推力器轴线上远离阀芯的一点为原点，以推力器的轴线为Y轴，建立直角坐标系，所述节流部位的节流面积与的型面点的关系式为：

其中，A_l为节流部位的节流面积，X_C为型面点C横坐标，X_D为节流部位型线上与点C距离最小的点D的横坐标，θ为C和D的连线与X轴的夹角。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的固体姿控推力装置，将两个推力器与阀体结合，每个阀芯与一个推力器均形成一个节流部位，以减少多级节流带来的流量调节的非线性影响；阀芯具有随开度变化而使经过节流部位的气体流量呈线性变化的型面，两个阀芯在联动切换过程中，一边推力器增加的流量即为另一边推力器减少的流量，两个节流部位的总气体流量不变，达到等流量切换的目的，进而保持了燃发器压强温度，获得了良好的推力品质，确保了工作时间满足使用需要，增加了系统的安全性。

(2)本发明提供的固体姿控推力装置，通过执行器的输出端分别与两个阀芯连接，实现两个阀芯的同步移动，结构简单，且可靠性高；气体输送时，单个阀芯运动过程处于承受气压力的状态，两个阀芯同步向左或向右运动可以使气压力相互平衡，减少控制力的输出。

(3)本发明提供的设计方法，根据推力器的内型面，设计单个阀芯的理论型面曲线，并通过建立三维CFD模型仿真对理论型面曲线进行优化修正，建立了流量与开度的线性关系，实现了固体姿控推力器从全关闭到全开的推力线性调节特性，避免了由于推力器中的气体是高速可压缩气体，节流面积与流量不是线性关系的情况。

附图说明

图1是本发明实施例中固体姿控推力装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的设计方法的流程图；

图3是本发明实施例中流量特性曲线；

图4是本发明实施例中截面ABCD的示意图。

图中：1-推力器，11-收敛段，12-喉部，13-扩张段，2-阀体，21-进气口，22-出气口，3-阀芯、4-执行器的输出端。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明提供一种固体姿控推力装置的实施例，其包括控制阀和推力器1，推力器1设有两个。控制阀包括阀体2和阀芯3和执行器。

上述阀体2包括一个进气口21和两个对称设置的出气口22。两个出气口22分别设置在阀体2的左右两侧，每个出气口22与一个推力器1对接且连通。两个推力器1的结构完全一致，且分别构成阀体2的左右两个出口，并共用入口通道。进一步地，阀体2的进气口21与固体姿控燃发器的出口连接，燃气从进气口21进入阀体2，然后从出气口22进入推力器1。

上述阀芯3设有两个，两个阀芯3相对设置于上述阀体2内部，上述阀芯3可调节上述推力器1内节流部位的开度，以及移动至覆盖该节流部位，通过控制节流部位的截面以控制气体流量。上述阀芯3具有随开度变化而使经过上述节流部位的气体流量呈线性变化的型面，即该型面是以获取直线流量特性的方式进行设计。

上述执行器可选为伺服机构，执行器输出端4的两端分别与两个阀芯3连接，且两个阀芯3位于同一直线，输出端4用于带动两个阀芯3左右直线运动，实现两个阀芯3的同步移动，不仅结构简单，且可靠性高。当其中一个节流部位的开度增大，另一个节流部位的开度减小时，进入两个推力器1的气体总流量保持不变。

当执行器输出端4驱动左右阀芯3同步相向运动时，实现推力器1的同时开启；当执行器输出端4驱动左右阀芯3同步反向运动时，实现推力器的同时关闭；当执行器输出端4驱动左右阀芯3同步向左或向右运动时，实现推力器1的等流量切换。

以两个阀芯同步向左或向右运动时，对流场流量限制的虚拟截面等效圆形后的直径为等效喉径，等效喉径的大小直接影响流量的大小。上述阀芯3在两个推力器1切换时，可实现等效喉径一致，两个阀芯3受气压力平衡，减少控制力的输出，降低控制系统复杂度，提升可靠性。

本实施例的固体姿控推力装置，将两个推力器1与阀体2结合，每个阀芯3与一个推力器1均形成一个节流部位，以减少多级节流带来的流量调节的非线性影响；另外，将控制推力器1开闭的两个阀芯3结合同步动作，且阀芯3还具有随开度变化而使经过节流部位的气体流量呈线性变化的型面，两个阀芯3在联动切换过程中，一边推力器1增加的流量即为另一边推力器1减少的流量，两个节流部位的总气体流量不变，达到等流量切换的目的，进而保持了燃发器压强温度，获得了良好的推力品质，确保了工作时间满足使用需要，增加了系统的安全性。

优选地，进气口21连通两个进气管道，每个进气管道连接一个出气口22，两个出气口21位于同一直线，上述进气口21垂直于两个出气口22所在直线。

在上述实施例的基础上，本实施例中，推力器1为拉法尔喷管结构，推力器的内型面依次分为收敛段11、喉部12和扩张段13。其中，喉部12和扩张段13与常规的拉法尔喷管结构一致，而上述节流部位位于收敛段11。

本实施例的固体姿控推力装置可应用于固体燃气的分配，是实现固体姿控动力系统脉冲推力控制的重要部分，其通过阀芯3的移动，调整阀芯3与推力器1的节流面积，改变推力器1推力，进而改变固体姿控系统的推力特性。然而，由于燃气为高温流速气体，具有可压缩性，马赫数接近于1。按照一般液体阀芯型面设计方法，将流量与开度关系转换为截面与开度的关系并不适用于高温流速气体，因此，需要专门对高温流速气体的流量与开度关系进行修正。

本发明还提供一种上述等流量固体姿控推力装置的设计方法的实施例，该设计方法包括：

S1.基于直线流量特性，根据推力器1的内型面，设计单个阀芯3的理论型面曲线。

S2.通过上述理论型面曲线得到上述阀芯3的理论型面，并对上述理论型面与推力器1建立三维CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)模型，计算节流部位在不同开度下的实际流量。

其中，阀芯的型面曲线与阀芯轴线组成截面为阀芯截面，阀芯型面曲线绕阀芯轴线旋转即可得到阀芯型面。

S3.对比不同开度的理论流量和实际流量，当二者不同时，修正理论型面曲线，直至节流部位的开度与实际流量之间具有线性关系，输出此时型面曲线对应的型面作为阀芯3型面。最终得到阀芯型面即为实际产品生产的依据。

流量特性是指工作介质流过阀门的相对流量与相对位移之间的关系，常见的流量特性有直线、等百分比、快开和快关等。为了使两个推力器1在切换过程中总流量保持不变，单边阀门需要具有直线流量特性，即阀门的流量与开度是线性的。

基于直线流量特性，上述单侧节流部位的流量与阀芯3的相对位移成直线关系。因此，单侧节流部位的流量与阀芯3相对位移间的积分表达式为：

其中，L_a为左侧阀芯直线位移，L_b为右侧阀芯直线位移，L_max为阀芯的最大直线位移，Q_a为左侧节流部位的流量，Q_b为侧节流部位的流量，K和C均为常数。

本实施例的两个阀芯3同步向左或向右运动时，L_b＝L_max-L_a，因此可以得到推力装置总流量的特性积分表达式为：Q_s＝Q_a+Q_b。进而得到：Q_s＝K+C。其中，Q_s为两个节流部位的总流量。

由上式可知，基于直线流量特性，K、C均为常数，可使整个系统在两个阀芯同步向左或向右运动时，总流量保持不变，即总流量为定值。即，当单侧阀芯实现直线流量特性后，整个推力装置具有等流量特性。

当推力装置实现等流量特性后，燃烧室压强可近似不变，同时推力器出口压力不变，因此，单侧阀门的前后压差ΔP为常数，阀体流阻系数ξ也保持不变，那么流量主要与节流面积有关，假设它们之间成正比，显然有，在某一开度时：

上式中，A为单侧节流部位当下开度的节流面积，A_max为单侧节流部位开度最大时的节流面积，Q为单侧节流部位当下开度的流量，Q_max为单侧节流部位开度最大时的流量。

因此，直线流量特性的积分表达式可变为：

其中，

为常数，因此，各开度下节流面积与阀芯开度之间呈线性关系，保证了各开度下的节流面积为线性特性，则即能保证流量特性为线性。

本实施例中，以阀芯的最大位移为6mm，开度最大，节流部位处于全开状态，流量最大；以阀芯位移为0时，开度为0，节流部位处于关闭状态，流量为0。根据以上关系式可得到节流面积与阀芯位移对应的线性关系：

其中，L为阀芯直线位移，A_l为节流部位的节流面积。

上述步骤S1中，设计单个阀芯3的理论型面曲线，具体包括：

首先根据直线流量特性，确定上述节流部位的流量与节流面积的关系，进而确定上述节流部位的节流面积与开度的关系。

然后根据上述节流部位的节流面积与阀芯3型面曲线型面点的关系，绘制上述阀芯3在不同开度下的等截面曲线；上述等截面曲线被定义为：当前开度下，对于等截面曲线上具有任一对称设置的两点M和M′，节流部位型线上具有分别对应M和M′距离最小的两点为N和N′，M、M′、N和N′形成的流通截面面积均等于当前开度下的节流面积。其中，等截面曲线与节流部位型线处于同一平面内。

最后获取由等截面曲线所组成的曲线组的包络线，作为上述阀芯3的理论型面曲线。

上述获取等截面曲线的包络线具体包括：将各个等截面曲线按其对应的开度进行平移，取所有曲线纵坐标最大值的点集合作为包络线。

上述步骤S3中，修正理论型面曲线，具体包括：

比较不同开度下的实际流量与理论流量，当实际流量大于理论流量时，将此时开度所对应的型面点沿阀芯3轴向且朝推力器1的方向移动；当实际流量小于理论流量时，将此时开度所对应的型面点沿阀芯3轴向且远离推力器1的方向移动。

优选地，每次迭代时，上述型面点移动量即修正值，为理论流量与实际流量差值的20％。通过每次迭代得到的阀芯型面曲线绕阀芯轴线旋转得到阀芯型面后，再次建立三维CFD模型，并判断此时的节流部位的开度与实际流量之间是否具有线性关系。

参见图2所示，本实施例的设计流程，具体包括:

A1.基于直线流量特性，根据推力器的内型面，设计单个阀芯的理论型面曲线；

A2.通过理论型面曲线得到上述阀芯3的理论型面；

A3.对理论型面与推力器建立三维CFD模型；

A4.计算节流部位在不同开度下的实际流量；

A5.判断节流部位的开度与实际流量之间是否具有线性关系，如果是，则转向A6，如果否，则转向A7；

A6.输出型面结果作为阀芯型面。

A7.对比不同开度的理论流量和实际流量，确定需要优化的开度并进行修正；

A8.通过修正后的型面曲线得到阀芯型面，并对阀芯型面与推力器建立三维CFD模型，然后转向A4。

参见图3所示，经多轮迭代后，可得到一组近似线性流量的阀芯型面曲线，实现开度与流量的线性关系。

本实施例中，各个开度下的理论流量，根据上述节流部位的流量与节流面积的关系、以及节流面积与开度的关系计算得到。

参见图4所示，本实施例中，以推力器轴线上远离阀芯的一点为原点，以推力器的轴线为Y轴，建立直角坐标系。优选地，以推力器1的喉径的中心点为原点，推力器1轴线与阀芯3轴线重合，Y轴朝向阀芯3。

假设在某一开度下，节流面积即为截面ABCD的面积，型面曲线上的型面点C坐标为(X_c，Y_c)，点D为推力器1的节流部位上与型面点C配合的点，即节流部位型线上与点C距离最小的点，D的坐标为(X_D，Y_D)，可知。节流面积与点C的关系式为：

其中，θ为点C和D的连线与X轴的夹角，即点C和D的连线与点A和D连线的夹角。

本实施例中，任意开度下，点D的坐标相同，即节流部位上与阀芯3配合的闭合点。

本实施例的设计方法，适用于上述各推力装置，根据推力器的内型面，设计单个阀芯的理论型面曲线，并通过建立三维CFD模型仿真对理论型面曲线进行优化修正，考虑了气体可压缩性，建立了流量与开度的线性关系，实现了固体姿控推力器从全关闭到全开的推力线性调节特性，避免了由于推力器中的气体是高速可压缩气体，节流面积与流量不是线性关系的情况。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。