一种固体姿轨控发动机燃气阀及其控制方法

文档序号:843870 发布日期:2021-04-02 浏览:14次 >En<

阅读说明:本技术 一种固体姿轨控发动机燃气阀及其控制方法 (Solid attitude and orbit control engine gas valve and control method thereof ) 是由 林德福 孙昕 王辉 王江 王伟 宋韬 莫雳 张福彪 王亚宁 李涛 纪毅 王雨辰 于 2020-12-15 设计创作,主要内容包括:本发明提供了一种固体姿轨控发动机燃气阀及其控制方法,该燃气阀利用飞行器固体火箭发动机的燃烧室产生的部分燃气,通过本燃气阀,控制其从飞行器的侧面喷出,利用燃气喷出产生的侧向力从而调整飞行器的飞行姿态,该结构构造简单,有效的减小了飞行器的消极质量。(The invention provides a solid attitude orbit control engine gas valve and a control method thereof, the gas valve utilizes partial gas generated by a combustion chamber of an aircraft solid rocket engine, the gas valve is controlled to be sprayed out from the side surface of an aircraft, and the lateral force generated by the sprayed gas is utilized to adjust the flight attitude of the aircraft.)

一种固体姿轨控发动机燃气阀及其控制方法

技术领域

本发明属于飞行器领域,特别涉及一种固体姿轨控发动机燃气阀及其控制方法。

背景技术

对于固体火箭的姿轨控,目前比较常用的方法就是给予弹体一个偏离轴向的外力来对火箭的弹道和姿态进行修正,比较常用的方法有两种,其一是控制喷管的摆动来改变推力的方向,其二是外带气瓶,通过气瓶产生的反向推力来给飞行器施加一个侧向力以达到改变飞行器飞行姿态的目的。摆动喷管对工艺的要求很高,且对喷管连接处的热防护有较高要求,成本也较高;外带气瓶虽然结构比较简单,但是气瓶本身属于消极质量,而且火箭发动机工作时对气瓶的安全性有较高要求,所以还是不完善的。

本发明的目的在于提供一种装置及其控制方法,使得固体火箭发动机的姿态与弹道修正由发动机燃烧室内产生的燃气控制,简化了发动机的结构,同时减小了火箭本身的消极质量,也提高了控制的响应速度。

发明内容

基于上述技术背景,为解决上述问题,本发明人进行了锐意进取,设计出一种固体姿轨控发动机燃气阀,该燃气阀利用飞行器固体火箭发动机的燃烧室产生的部分燃气,通过本燃气阀,控制其从飞行器的侧面喷出,利用燃气喷出产生的侧向力从而调整飞行器的飞行姿态,该结构制造工艺简单,有效的减小了消极质量,从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供一种1.一种固体姿轨控发动机燃气阀,其特征在于,所述固体姿轨控发动机燃气阀固接于飞行器固体火箭发动机的燃烧室下方;所述燃气阀包括阀体1、燃气控制管路2和侧喷管燃气管道3;

所述燃气控制管路2用于控制燃气从侧喷管燃气管道3的侧喷口喷出,所述燃气控制管路2包括过滤网21、控制燃气供给管路22、电磁阀23、燃气控制片控制管路和燃气控制片25;

所述侧喷管燃气管道3用于将所述燃烧室产生的燃气从飞行器的侧向喷出。

其中,所述过滤网21用于过滤燃烧室流入所述燃气控制管路2的燃气,所述过滤网21固定在燃气控制管路2与燃烧室之间的连接处,所述过滤网21完全覆盖燃气控制管路2入口;

所述燃气供给管路22上端与燃烧室壳体底部的姿轨控燃气出口相连,下端与电磁阀23相连;

所述燃气供给管路22包括燃气供给管路a221与燃气供给管路b222;

所述电磁阀23包括阀芯231、阀芯腔232、线圈、线圈盖234;

所述燃气片控制管路包括开启控制管路241、关闭控制管路242和滑动管道243;

其中,所述电磁阀23通过给设置于阀芯231两端的不同线圈通电产生磁力,进而吸引阀芯移动;

所述阀芯腔232用于安装阀芯231,所述阀芯腔232包括阀芯腔上部2321、阀芯腔中部2322和阀芯腔下部2323,所述阀芯腔上部2321、阀芯腔中部2322和阀芯腔下部2323均为圆柱体空腔,且互相连通,所述阀芯腔上部2321与阀芯腔下部2323的内径尺寸相同,所述阀芯腔上部内径尺寸大于阀芯腔中部的内径尺寸2322;

所述阀芯231用于控制开启或关闭燃气供给管路22,所述阀芯231包括中部堵头2313,所述中部堵头2313为圆柱体,圆柱体上端垂直设有上连接杆2314,在下端垂直设有下连接杆2315,上连接杆2314末端设有上活塞2311,下连接杆2315末端设有下活塞2312,所述阀芯231可被通电线圈吸引;

所述中部堵头2313外径与阀芯腔中部2322内径尺寸一致,通过将所述中部堵头2313安装于阀芯腔中部2322中,使得所述阀芯腔232分为互不连通的上下两段;

所述线圈用于在通电后吸引阀芯231,所述线圈包括上线圈2331和下线圈2332,所述上线圈2331设置于电磁阀23上部,所述下线圈2332设置于电磁阀23下部;

所述线圈盖234为空心圆柱状壳体,所述线圈盖234上方设有通孔;所述线圈盖234包括上线圈盖2341和下线圈盖2342,所述上线圈盖2341设置在所述上线圈2331外侧,所述下线圈盖2342设置在下线圈2332外。

其中,所述滑动管道243设置在所述开启控制管路241和关闭控制管路242的连接处;

所述开启控制管路241一端与电磁阀23的阀芯腔232相连,另一端与滑动管道243的左侧相连,所述关闭控制管路242一端与电磁阀23的阀芯腔232相连,另一端与滑动管道243的右侧相连;

所述滑动管道243垂直于侧喷管燃气管道3;

所述开启控制管路241一端与电磁阀23的阀芯腔232相连,另一端与滑动管道243的左侧相连,所述关闭控制管路242一端与电磁阀23的阀芯腔232相连,另一端与滑动管道243的右侧相连;

在所述滑动管道243内部设置有能够左右滑动的燃气控制片25;

所述滑动管道243设有滑槽,使燃气控制片在滑动管道中,在左右方向上往复运动。

其中,所述燃气控制片25用于控制侧喷管燃气管道3开启或关闭;

所述燃气控制片25呈长板状,板上设置有控制片孔251,所述控制片长度大于2倍所述通孔直径,燃气控制片25上下设有凸起的滑动部件252,所述控制片两端都垂直设置有圆盘253,所述圆盘253直径与滑动管道243内径一致;

通过将所述燃气控制片25安装入滑动管道243中,将所述滑动管道243分隔成位于左侧的开启空腔2431和位于右侧的关闭空腔2432。

其中,所述侧喷管燃气管道3通过设置在飞行器侧方的侧喷管31将所述燃烧室产生的燃气喷出;所述侧喷管31的端部从阀体1中伸出。

其中,所述燃气阀设置有多个,绕着飞行器的轴向方向均匀分布,优选地,燃气阀数量设置为8个。

其中,在所述燃烧室底部设置有主喷管41和环绕在所述主喷管41周围的多个姿轨控燃气喷口42,

每个燃气阀上方都连接有一个姿轨控燃气喷口42。

其中,在所述阀中部设有圆柱形空洞,圆柱形轴线与固体火箭发动机燃烧室底部主喷管41的轴线重合。

本发明还提供一种固体姿轨控发动机燃气阀的控制方法,该方法包括:

在收到开启侧喷管3的指令后,电磁阀23的上线圈2331通电工作,下线圈2332关闭,带动阀芯231向上移动,此时中部堵头2313堵住燃气供给管道a221,下活塞2312封堵阀芯腔下部,阀芯腔上部与阀芯腔中部连通,使得燃烧室中的燃气经过姿轨控燃气喷口42进入到燃气供给管路b222,再依次经过阀芯腔232和开启控制管路241,最终流入开启空腔2431,推动燃气控制片25向右移动,燃气控制片25上的控制片孔251与侧喷管燃气管路3相通,使燃气从侧喷管31喷出,同时燃气控制片25推动关闭腔室2432的气体,使其流入关闭控制管路242经过阀芯腔232的上段,并从电磁阀23的上线圈盖2341上的孔洞排出至阀体1外部;

在未收到开侧喷管3的指令或收到关闭侧喷管的指令时,电磁阀23的下线圈2332通电工作,带动阀芯231向下移动,此时中部堵头2313堵住燃气供给管道b222,上活塞2311封堵阀芯腔上部2321,阀芯腔下部2323与阀芯腔中部2322连通,使得燃烧室中的燃气经过姿轨控燃气喷口42进入到燃气供给管路a221,再依次经过阀芯腔232的上段和关闭控制管路242,最终流入关闭空腔2432,推动燃气控制片25,使燃气控制片25向左移动,并堵住侧喷管燃气管道3,同时压迫开启空腔2431内的气体,使其流入开启控制管路241,途径阀芯腔232的下段,并从电磁阀23的下线圈盖2342上的通孔排出至阀体1外部。

本发明提供的一种固体姿轨控发动机燃气阀具有以下优势:

(1)本发明结构简单,成本低;

(2)本发明直接利用燃烧室内的气体,无需外带气瓶,质量更轻,减小了火箭的消极质量;

(3)发明通过电磁阀控制小部分燃气推动控制阀门,进而控制较多的燃气侧向喷出,其控制效率极高,且用电量小;

(4)控制响应迅速,提高了对飞行器姿态控制的精度。

附图说明

图1示出本发明所述燃烧室底部结构示意图;

图2示出本发明所述一种固体姿轨控发动机燃气阀总结构示意图;

图3示出本发明所述燃气阀的燃气控制管路中控制燃气供给管路结构示意图;

图4示出本发明所述燃气阀的电磁阀的结构示意图;

图5示出本发明所述燃气阀的电磁阀的阀芯腔结构示意图;

图6示出本发明所述燃气阀的电磁阀的阀芯的结构示意图;

图7示出本发明所述燃气阀的电磁阀的线圈盖的结构示意图;

图8示出本发明所述燃气控制片的通孔与所述侧喷管燃气管道连通时的结构示意图;

图9示出本发明所述燃气阀的燃气控制片关闭侧喷管燃气管道时的结构示意图;

图10示出本发明所述燃气阀的燃气控制片的结构示意图;

图11示出本发明所述燃气阀的侧喷管燃气管道的结构示意图。

附图标号说明

1-阀体;

2-燃气控制管路;

21-过滤网;

22-控制燃气供给管路;

221-燃气供给管路a;222-燃气供给管路b;

23-电磁阀;

231-阀芯;2311-上活塞;2312-下活塞;2313-中部堵头;

2314-上连接杆;2315-下连接杆;

232-阀芯腔;

2321-阀芯腔上部;2322-阀芯腔中部;2323-阀芯腔下部;

2331-上线圈;2332-下线圈;

234-线圈盖;2341-上线圈盖;2342-下线圈盖;

241-开启控制管路;242-关闭控制管路;243-滑动管道;

2431-开启空腔;2432-关闭空腔;

25-燃气控制片;251-控制片孔;252-滑动部件;253-圆盘;

3-侧喷管燃气管道;31-侧喷管;

41-主喷口;42-姿轨控燃气喷口。

具体实施方式

下面将对本发明进行详细说明,本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面,但是除非特别指出,不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的固体姿轨控发动机燃气阀,所述燃气阀设置在固体火箭发动机燃烧室下方;

所述固体火箭发动机燃烧室的底部结构如图1所示,包括主喷口41和姿轨控燃气喷口42;所述主喷口41用于将燃烧室燃烧产生的气体经主喷口41喷出,利用产生的反作用力推动飞行器前进,所述主喷口41设置在燃烧室底部中心;所述姿轨控燃气喷口42用于向所述固体姿轨控发动机燃气阀供给燃气,所述姿轨控燃气喷口42绕燃烧室轴线布置,所述姿轨控燃气喷口为突出于燃烧室底部平面的中空结构。所述固体姿轨控发动机燃气阀主要结构,如图2所示,包括阀体1、燃气控制管路2和侧喷管燃气管道3。

所述阀体1与燃烧室底部结构之间固接,优选地,使用螺栓连接,所述阀体1设置有螺栓安装孔;

所述燃气控制管路2和侧喷管燃气管道3均设置于阀体1中,这样可以将所述燃气控制管路2和侧喷管燃气管道3与阀体1有机的结合在一起,提高阀体强度,缩小燃气阀体积。

所述燃气控制管路2还包括电磁阀23和燃气控制片25,

当所述飞行器需要进行姿轨控时,电磁阀23接收飞行器指令,所述电磁阀23通过控制燃气控制管路2中燃气的流经渠道,来控制燃气控制片25的移动,

所述燃气控制片25垂直于侧喷管燃气管道设置并将侧喷管燃气管道分为两部分,所述燃气控制片25设有控制片孔,当所述控制片孔与侧喷管燃气管道相通时,侧喷管燃气管道两部分互相连通,进而将燃烧室产生的部分燃气从侧喷管燃气管道3设置于阀体1侧面的侧喷口31喷出。

更具体的,所述阀体轴线位置设有圆柱形空洞,圆柱形轴线与固体火箭发动机燃烧室底部主喷管41的轴线重合,用于使燃烧室的大部分燃气经燃烧室底部结构设置的主喷口41喷出,为飞行器提供前进动力。

所述燃气控制管路2用于控制燃气从侧喷管燃气管道3的侧喷口喷出,所述燃气控制管路2包括过滤网21、控制燃气供给管路22、电磁阀23、燃气控制片控制管路和燃气控制片25。

所述过滤网21用于过滤燃烧室流入所述燃气控制管路的燃气,所述过滤网21固定在燃气控制管路2与燃烧室连接处,所述过滤网21完全覆盖燃气控制管路2入口,如图3所示;

所述燃气供给管路22,上端与燃烧室壳体底部的姿轨控燃气出口相连,下端与电磁阀23相连;

进一步的,所述燃气供给管路22包括两条,分别为燃气供给管路a221与燃气供给管路b222,并与电磁阀23相连。

所述电磁阀23,如图4所示,包括阀芯231、阀芯腔232、线圈、线圈盖234、导线和外接电机;

所述电磁阀23通过给设置于阀芯两端的不同线圈通电产生磁力,进而吸引阀芯231移动;

所述阀芯腔232,如图5所示,所述阀芯腔232用于安装阀芯231并使其沿阀芯腔232直线滑动,所述阀芯腔232包括阀芯腔上部2321、阀芯腔中部2322和阀芯腔下部2323,所述阀芯腔上部2321、阀芯腔中部2322和阀芯腔下部2323均为圆柱体空腔结构且位于同一轴线并互相连通,所述阀芯腔上部2321与阀芯腔下部2323的直径相同,所述阀芯腔上部直径大于阀芯腔中部2322。

所述阀芯231,如图6所示,设置于阀芯腔232中,所述阀芯231通过移动至不同位置,控制开启或关闭燃气供给管路a221以及燃气供给管路b222;所述阀芯231包括中部堵头2313、上连接杆2314、下连接杆2315、上活塞2311和下活塞2312;

所述中部堵头2313为圆柱体,圆柱体上端垂直设有上连接杆2314,在下端垂直设有下连接杆2315,上连接杆2314末端设有上活塞2311,下连接杆2315末端设有下活塞2312,所述阀芯231可被通电线圈吸引;

所述中部堵头2313的外径与阀芯腔中部2322的内径一致,所述中部堵头2313安装于阀芯腔中部2322中,通过与阀芯腔中部2322腔体配合,将所述阀芯腔232分为上下两段,且互不连通;

所述阀芯231的活塞直径略小于阀芯腔上部2321的内径,并且大于阀芯腔中部2322的内径;阀芯231的活塞有两个,分别为上活塞和下活塞,当所述阀芯231向下运动时,所述上活塞停止于阀芯腔上部2321的底端,将所述阀芯腔上部2321封闭,并控制阀芯231停止于燃气供给管路a221的出口,此时下活塞位于阀芯腔下部2323中,所述阀芯腔下部2323与阀芯腔中部2322连通;

所述阀芯腔232两端分别设有线圈,所述线圈用于在通电后吸引阀芯231移动,所述线圈由金属导丝缠绕而成,所述线圈包括上线圈2331和下线圈2332,所述上线圈2331设置于电磁阀23上部,所述下线圈2332设置于电磁阀23下部。

所述线圈盖234,如图7所示,为一空心圆柱状壳体,所述线圈盖234上方设有一通孔,所述通孔一方面用于将导线引出,另一方面起到排气作用;所述线圈盖234上方还设有两沉孔,便于使用工具进行装配;所述线圈盖234包括上线圈盖2341和下线圈盖2342,所述上线圈盖2341设置在所述上线圈2331外侧,所述下线圈盖2342设置在下线圈2332外,所述线圈盖234通过螺纹与阀体1连接;

所述导线用于连接线圈和外部发电机;

所述外部发电机用于给线圈供电;

在与燃烧室壳体连接的阀体1的起固定作用的实心部分上设有通孔,所述通孔用于将导线导出并与外部发电机相连。

所述燃气片控制管路包括开启控制管路241、关闭控制管路242和滑动管道243,如图4、图8和图9所示;

在所述开启控制管路241和关闭控制管路242的连接处设置有滑动管道243;

所述开启控制管路241一端与电磁阀23的阀芯腔232相连,另一端与滑动管道243的左侧相连,所述关闭控制管路242一端与电磁阀23的阀芯腔232相连,另一端与滑动管道243的右侧相连;

所述滑动管道243,如图8所示,所述滑动管道243用于安装燃气控制片25并供燃气控制片25左右滑动;

所述滑动管道243垂直于侧喷管燃气管道3设置,利用燃气控制片25处于不同位置使侧喷管燃气管道3开启或关闭;

所述滑动管道243,如图9所示,还包括滑槽,使燃气控制片在滑动管道243中在左右方向上沿直线运动,所述滑动管道243总长大于燃气控制片25和控制片上孔径的总长,所述滑动管道243还设有限位块,使燃气控制片始终垂直于所述侧喷管燃气管道3,并且使燃气控制片25的通孔与所述侧喷管燃气管道3相通即图8中的状态,或将所述侧喷管燃气管道3封闭即图9中的状态。

所述燃气控制片25,如图10所示,所述燃气控制片25呈长板状,板上设置有控制片孔251,所述控制片长度大于2倍所述通孔直径,燃气控制片25上下设有凸起的滑动部件252,所述控制片两端都垂直设置有圆盘253。控制片孔251与侧喷管燃气管道3重合或者部分重合时,能够允许侧喷管燃气管道3向外喷发燃气,在控制片孔251随着燃气控制片25滑动,而与侧喷管燃气管道3不再重合时,所述燃气控制片2即可封堵侧喷管燃气管道3,使之不在向外喷发燃气。

所述滑动部件252与滑动管道243的滑槽相匹配,所述圆盘253直径与滑动管道243内径一致;所述燃气控制片25安装于滑动管道243中,如图9所示,所述燃气控制片25安装入滑动管道243后,所述燃气控制片25左侧与滑动管道243左侧内壁之间形成开启空腔2431,所述燃气控制片25右侧与滑动管道243右侧内壁之间形成关闭空腔2432。

所述侧喷管燃气管道3用于将所述燃烧室产生的燃气从飞行器的侧向喷出,所述侧喷管燃气管道3一端通过阀体1上设置的开口与燃烧室底部结构的姿轨控燃气喷口42相连,另一端设有侧喷管31,通过侧喷管31与外界相连,如图11所示;

优选的,所述侧喷管31的端部从阀体1中伸出。

在一种优选的实施方式中,在制备该述阀体1时,在所述阀体1内加工出孔洞作为燃气控制管路2和侧喷管燃气管道3。

在进一步优选的实施方式中,如图2所示,所述燃气阀设置有多个,绕着飞行器的轴向方向均匀分布,进一步的,燃气阀数量设置为8个;

当所述燃气阀设置有多个时,通过多个燃气阀同时工作产生的对飞行器施加侧向力合力,更好的对飞行器进行姿轨控调整。

在更进一步的实施方式中,如图2所示,所述阀体1与燃烧室的接口设置为环形并进行分区,使燃气分别流入不同的所述固体姿轨控发动机燃气阀。

本发明还提供一种固体姿轨控发动机燃气阀的控制方法,该方法中的固体姿轨控发动机如上文所述,该方法包括:

在收到开启侧喷管3的指令后,电磁阀23的上线圈2331通电工作,下线圈2332关闭,带动阀芯231向上移动,中部堵头2313堵住燃气供给管道a221,下活塞2312封堵阀芯腔下部,阀芯腔上部与阀芯腔中部连通,使得燃烧室中的燃气经过姿轨控燃气喷口42进入到燃气供给管路b222,再依次经过阀芯腔232和开启控制管路241,最终流入开启空腔2431,推动燃气控制片25向右移动,燃气控制片25上的通孔2521与侧喷管燃气管路3相通,使燃气从侧喷管31喷出,同时燃气控制片25推动关闭腔室2432的气体,使其流入关闭控制管路242经过阀芯腔232的上段,并从电磁阀23的上线圈盖2341上的孔洞排出至阀体1外部。

在未收到开侧喷管3的指令或收到关闭侧喷管的指令时,电磁阀23的下线圈2332通电工作,带动阀芯231向下移动,中部堵头2313堵住燃气供给管道b222,上活塞2311封堵阀芯腔上部2321,阀芯腔下部2323与阀芯腔中部2322连通,使得燃烧室中的燃气经过姿轨控燃气喷口42进入到燃气供给管路a221,再依次经过阀芯腔232和关闭控制管路242,最终流入关闭空腔2432,推动燃气控制片25,使燃气控制片25向左移动,并堵住侧喷管燃气管道3,同时压迫开启空腔2431内的气体,使其流入开启控制管路241,途径阀芯腔232的下段,并从电磁阀23的下线圈盖2342上的孔洞排出至阀体1外部;

本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,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发明的限制。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明,不过这些实施方式仅是范例性的,仅起到说明性的作用。在此基础上,可以对本发明进行多种替换和改进,这些均落入本发明的保护范围内。

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