变推力发动机流量调节装置及在轨保护方法
阅读说明：本技术 变推力发动机流量调节装置及在轨保护方法 (Variable thrust engine flow regulating device and on-orbit protection method ) 是由 韩泉东 潘一力 王浩 李群广 刘锋 李和军 魏青 钟雪莹 兰晓辉 王可立 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种变推力发动机流量调节装置及在轨保护方法,包括针锥、流量调节装置壳体、步进电机、旋转限位结构、最大位置到位开关、最小位置到位开关、滚珠丝杠以及控制器,针锥和流量调节装置壳体配合形成流动通道,控制器控制步进电机转动,通过滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转换为直线运动,带动针锥沿轴线方向运动,进而改变流通截面积以实现调节流量。本发明将针锥停放在距离最大极限位置1000步位置,可确保在轨飞行过程中针锥不会损坏最大到位开关和最小到位开关,也不会碰触到流量调节装置的外壳导致针锥型面或壳体内型面受损,可避开流场不稳定的汽蚀过渡区,发动机可以在该位置直接点火,且推力满足要求。(The invention provides a variable thrust engine flow regulating device and an on-orbit protection method, which comprise a needle cone, a flow regulating device shell, a stepping motor, a rotation limiting structure, a maximum position in-place switch, a minimum position in-place switch, a ball screw and a controller, wherein the needle cone and the flow regulating device shell are matched to form a flow channel, the controller controls the stepping motor to rotate, the rotation motion of the stepping motor is converted into linear motion through the ball screw, the needle cone is driven to move along the axial direction, and the flow cross section is further changed to realize flow regulation. The needle cone is parked at the position which is 1000 steps away from the maximum limit position, the maximum in-place switch and the minimum in-place switch cannot be damaged by the needle cone in the rail flight process, the surface of the needle cone or the surface of the inner shell cannot be damaged due to the fact that the needle cone touches the shell of the flow regulating device, a cavitation transition area with an unstable flow field can be avoided, the engine can directly ignite at the position, and the thrust meets the requirement.)
技术领域
本发明涉及航天器推进技术领域，具体地，涉及一种变推力发动机流量调节装置及在轨保护方法。
背景技术
航天器地外天体软着陆通常采用变推力液体火箭发动机(简称变推力发动机)以提高着陆精度和着陆可靠性，并降低着陆速度。采用变推力火箭发动机代替多台恒定推力发动机也是未来地外天体软着陆的发展趋势。
变推力发动机在变推力时需要调节流量，由流量调节装置实现。流量调节装置的功能是通过改变推进剂的流通面积或流动压差来实现流量调节。可调汽蚀文氏管是一种常见的流量调节装置，其设计方法已相对成熟。根据不同的调节锥作用力来源，流量调节装置有不同的结构形式，公知的有液压作动式和直线电机作动式，其行程通常采用限位块进行限位。对于流量调节器在轨长期不工作时流量调节器的保护方法未见公开报道。
通常，变推力发动机在轨飞行过程中，要经历振动冲击环境后再工作，且随后发动机启动时需要在最大推力工况启动。若针锥末端接触最大到位开关或最小到位开关，则经受恶劣力学环境时容易损坏到位开关。若针锥与流量调节装置壳体的间隙过小，则经受恶劣力学环境时容易损坏针锥型面或流量调节装置壳体内型面，进而引起流量调节装置节流特性恶化甚至发生故障。
采用流量调节装置的液体火箭发动机飞行案例较少，对于飞行过程中存贮期间流量调节装置针锥位置设置未见公开报道。
目前常规的做法是：方案A，将针锥停留在最大极限位置(即针锥末端接触最大到位开关)以方便后续启动点火；方案B，将流量调节装置的针锥停留在最大极限位置与最小极限位置之间的位置，有可能在汽蚀过渡区或汽蚀区。实际上，对于方案A，针锥末端长期和到位开关接触，在经受振动冲击时，易引起二者接触碰撞而引起到位开关工作时输出异常。对于方案B，该位置可能为汽蚀过渡区或汽蚀区，直接启动点火时可能流量不稳定，易引起发动机燃烧不稳定，极端情况下会损坏发动机(特定允许的考核过的针锥停留位置除外)，因此点火前必须将针锥设置到最大极限位置或特定允许的位置。虽然可通过加严质量控制降低故障发生概率，但无法保证针锥在点火前一定能调节到期望位置，因此，方案B在可靠性、安全性要求特别高的场合不建议使用。
专利文献CN105863882B(申请号：CN201610270582.4)公开了一种适用于高浓度过氧化氢变推力固液火箭发动机的流量定位可调直流喷注器，包括头盖、喷注器壳体、阀芯、上盖、入口接头。所述头盖顶部安装入口接头；固定于头盖内腔中，与头盖间具有间隙；喷注器壳体外壁上设有推进剂入口，底端开有推进剂出口；喷注器壳体顶部还安装有上盖。阀芯设置于喷注器壳体内腔中；由入口接头进入头盖内腔中的推进剂，经推进剂入口进入喷注器壳体内腔，通过弹簧和气液压差驱动阀芯动作，阀芯与推进剂出口分离，推进剂喷出。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变推力发动机流量调节装置及在轨保护方法。
根据本发明提供的变推力发动机流量调节装置，包括针锥、流量调节装置壳体、步进电机、旋转限位结构、最大位置到位开关、最小位置到位开关、滚珠丝杠和控制器；
所述针锥的带锥段部分插入流量调节装置壳体内与流量调节装置壳体配合形成推进剂流通通道；
所述旋转限位结构与针锥连接，限制针锥旋转；
所述针锥与滚珠丝杠接触的部分有外螺纹，针锥与滚珠丝杠为螺纹连接；
所述针锥的末端有两块挡板，针锥往最大位置方向运动时其中一个挡板接触到最大位置到位开关，针锥往最小位置方向运动时另一挡板会接触到最小位置到位开关；
所述步进电机的转动由控制器控制和驱动；
所述步进电机的转子和滚珠丝杠的外套固定连接，当步进电机的转子转动时，转子带动滚珠丝杠的外套转动，滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转变为直线运动，滚珠丝杠带动针锥沿轴线方向在最大极限位置和最小极限位置之间运动，进而改变推进剂流通面积以实现推进剂流量调节。
优选的，采用最大位置到位开关和最小位置到位开关对针锥的位置进行输出；
针锥接触到最大位置到位开关或最小位置到位开关后自动停止运动；
针锥接触到最大位置到位开关时推进剂流通面积最大，针锥接触到最小位置到位开关时推进剂流通面积最小。
优选的，所述针锥在最大极限位置时，推进剂流过流量调节装置时不发生汽蚀，针锥在往最小极限方向运动过程中经过汽蚀过渡区，随后继续往最小极限位置运动时进入汽蚀区。
根据本发明提供的变推力发动机流量调节装置在轨保护方法，包括如下步骤：
步骤1，步进电机绕组加电；
步骤2，将流量调节装置的针锥往最大极限位置运动，直到最大位置到位信号接通；
步骤3，将流量调节装置的针锥往最小极限位置方向运动1000步；
步骤4，步进电机绕组断电。
优选的，所述步骤3中流量调节装置的针锥在轨存贮时位于距离最大极限位置1000步的位置，在该位置时推进剂流过流量调节装置时不会发生汽蚀，发动机点火时产生的推力与针锥位于最大极限位置时点火产生的推力相同。
优选的，所述步骤4中步进电机绕组断电后，针锥在步进电机的自保持力下实现位置保持。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的变推力发动机流量调节装置结构简单、易于加工制造；
2、本发明可确保在轨飞行过程中针锥不接触到位开关，经受恶劣力学环境时，流量调节装置针锥不会碰触到最大到位开关和最小到位开关，防止到位开关损坏；
3、本发明可确保在轨飞行过程中经受恶劣力学环境时，流量调节装置针锥不会碰触到流量调节装置壳体，防止针锥型面或流量调节装置壳体内型面受损；
4、如果点火前未能将针锥运动到最大极限位置，则可以在该位置直接点火，产生的推力与最大极限位置时相当，在允许范围内。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所提供的变推力发动机流量调节装置示意图。
图2为本发明所提供的流量调节装置之针锥在轨存贮位置在针锥可运动全程中的位置示意。
图3为本发明所提供的流量调节装置之针锥在轨保护方法具体实施的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
如图1所示，本发明提供的变推力发动机流量调节装置，由针锥1、流量调节装置壳体2、步进电机3、旋转限位结构4、最大位置到位开关5、最小位置到位开关6、滚珠丝杠7以及控制器组成。针锥1和流量调节装置壳体2配合形成一个可调汽蚀文氏管，推进剂从针锥1和流量调节装置壳体2配合形成的间隙流过。控制器则根据变推力需求和到位开关信号，计算出步进电机3每个控制周期的转动方向和转动步数，控制和驱动步进电机3转动。滚珠丝杠7将步进电机3的旋转运动转变为直线运动，带动针锥1沿轴线方向直线运动，进而改变推进剂流通截面面积以实现推进剂流量调节。
所述旋转限位结构4与针锥1连接，限制针锥1旋转；
所述针锥1与滚珠丝杠7接触的部分有外螺纹，针锥1与滚珠丝杠7为螺纹连接；
所述针锥1的末端有两块挡板，针锥1往最大位置方向运动时其中一个挡板接触到最大位置到位开关5，针锥往最小位置方向运动时另一挡板会接触到最小位置到位开关6；
所述步进电机3的转子和滚珠丝杠7的外套固定连接，当步进电机3的转子转动时，转子带动滚珠丝杠7的外套转动，滚珠丝杠7将步进电机3的旋转运动转变为直线运动，滚珠丝杠7带动针锥1沿轴线方向在最大极限位置和最小极限位置之间运动，进而改变推进剂流通面积以实现推进剂流量调节。
优选的，采用最大位置到位开关5和最小位置到位开关6对针锥1的位置进行输出；
针锥1接触到最大位置到位开关5或最小位置到位开关6后自动停止运动；
针锥1接触到最大位置到位开关5时推进剂流通面积最大，针锥1接触到最小位置到位开关6时推进剂流通面积最小。
如图2所示，流量调节装置的针锥可在最大极限位置和最小极限位置之间往复运动。流量调节装置的针锥1在最大极限位置时，推进剂流过流量调节装置时不发生汽蚀，发动机点火时产生的推力最大。针锥1在往最小极限方向运动过程中，会经过汽蚀过渡区。随后针锥1继续往最小极限位置运动时，进入汽蚀区。汽蚀过渡区内流场不稳定，应尽快通过，否则可能烧毁发动机。当针锥位于最小极限位置时，发动机点火时产生的推力最小。在汽蚀区内，发动机可以连续变推力工作。
如图3，变推力发动机流量调节装置在轨保护方法，包括如下步骤：
步骤1，步进电机绕组加电；
步骤2，将流量调节装置的针锥往最大极限位置运动，直到最大位置到位信号接通；
步骤3，将流量调节装置的针锥往最小极限位置方向运动1000步；
步骤4，步进电机绕组断电。
本发明一种变推力发动机流量调节装置及在轨保护方法，已成功应用于某型号推进系统地面试验中。
本发明所述的流量调节装置之针锥在轨存贮时，位于距离最大极限位置1000位置，这里所述的1000步位置指距离最大位置到位开关以及过渡汽蚀区有一定安全距离的位置，并非绝对1000步位置。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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