基于高頻電磁閥的粉末推進劑質量流率控制規律研究①

胡 穎，鄧 哲，任全彬，李 悅

(1. 西北工業大學 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

新型粉末發動機以粉末顆粒為推進劑，具有結構簡單、環境適應性強的優點；同時又具備推力可調、多次啟動關機的功能。目前，新型粉末發動機普遍處于概念研究階段，根據不同的使用需求，已經開展研究工作的粉末發動機主要有Al/AP粉末火箭發動機[1-2]、PE/AP粉末火箭發動機[3]、Al/LOX粉末火箭發動機[4]、Al/N2O粉末火箭發動機[5]、Mg/CO2粉末火箭發動機[6-9]及粉末燃料沖壓發動機[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，關于粉末發動機的研究中僅有Al/AP粉末火箭發動機及Mg/CO2粉末火箭發動機實現了發動機的推力調節功能。其中，粉末火箭發動機的推力調節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，實現發動機的推力調節[13]；而Mg/CO2粉末火箭發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發動機的推力調節[14]。可看出，采用圖1所述粉末推進劑供給裝置的粉末發動機，其推力調節功能的實現本質上依賴于驅動氣體流量的調節。

當前研究中，采用的氣體流量調節方法為流量控制閥調節或通流面積有級調節，前者可實現氣體流量的連續無極調節，但是結構質量大，難以滿足發動機輕質化要求；后者雖然具有較小的結構質量，但不能實現連續無極調節。考慮到高頻電磁閥可在短時間內實現連續多脈沖工作的特性，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、占空比等參數對推進劑流量調節特性的影響規律，為粉末發動機推力調節方案設計提供參考。

1 粉末推進劑質量流率調節實驗系統

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，此時的流量對應發動機工作時的最大推力狀態；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，這時的流量可對應于發動機的小推力狀態。因此，只要測定出電磁閥在不同狀態下的流量特性，粉末發動機的推力連續調節功能就可初步實現。

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特性的影響規律。

1.2 驅動氣體流量調節實驗系統

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

圖3 粉末推進劑質量流率調節實驗系統

2 試驗結果與分析

2.1 頻率特性研究

為保證實驗參數的一致性，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趨于平穩。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現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能力的影響，取活塞前壓強已經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定性產生影響，而調節頻率為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據，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閥在改變占空比情況下的粉末推進劑質量流率調節能力。可看出，占空比的提高可顯著增大脈沖流量調節閥的流量，但占空比越接近于1時，調節能力越來越小，占空比較小時，其調節能力比較強。在背壓0.42、0.83 MPa情況下，活塞位移速率調節比分別為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、占空比等參數對粉末推進劑質量流率調節特性的影響規律。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。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，可實現粉末推進劑質量流率的調節。占空比越大，調節能力越來越小。背壓0.42、0.83 MPa情況下，活塞位移速率調節比分別為2.79、2.68。