閥門控制腔放氣時間的建模與仿真分析

胡長喜，鮑錦華，張成印，徐姍姍，孫 侃

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閥門控制腔放氣時間的建模與仿真分析

胡長喜，鮑錦華，張成印，徐姍姍，孫 侃

（北京航天動力研究所，北京，100076）

為獲得閥門控制腔放氣時間的動態特性，建立了液體火箭發動機閥門控制腔放氣時間的動態仿真模型，采用AMESim仿真技術進行仿真，仿真結果與試驗結果相符。采用所建立的模型分析各種因素對閥門控制腔放氣時間的影響，為后期閥門控制腔放氣系統的優化奠定了基礎。

閥門控制腔；放氣時間；仿真；AMESim

0 引 言

在液體火箭發動機系統中，閥門是推進劑供應系統的重要組成部分，閥門的動作響應時間直接影響發動機的性能。液路閥門的動作通常有2種方式：a）閥門的打開和關閉都由閥門控制腔充放氣完成，由于控制氣作用于控制腔的作用力較大，閥門的打開和關閉時間較短；b）閥門的打開由閥門控制腔充氣完成，閥門的關閉由彈簧及推進劑的壓力來完成，閥門的打開時間較短，由于控制腔內控制氣的作用力阻礙閥門關閉，關閉時間受閥門控制腔放氣時間的影響較大。

本文針對一般液體火箭發動機所用的閥門控制腔放氣系統進行了閥門控制腔放氣過程動態特性的仿真研究。以AMESim作為設計平臺建立閥門控制腔放氣系統仿真模型，在建立的仿真模型上進行動態仿真，研究各種參數對閥門控制腔放氣時間的影響?，提出了減小閥門控制腔放氣時間的改進方向[1,2]。

1 閥門控制腔放氣系統及研制中出現的問題

1.1 閥門控制腔放氣系統原理

閥門控制腔放氣系統原理如圖1所示。閥門控制腔放氣系統主要由閥門控制腔、放氣管道、電磁閥、閥門盒、排氣單向閥等組成。當被控閥門收到關閉指令時，閥門控制腔和放氣管道內的氣體通過電磁閥的排氣孔向閥門盒內放氣，當閥門盒內氣體壓力大于排氣單向閥的打開壓力時，排氣單向閥打開，將閥門盒內氣體排到大氣，隨著氣體排出，閥門控制腔內的氣體進入閥門盒，閥門控制腔壓力下降。

圖1 閥門控制腔放氣系統原理

1.2 研制中出現的問題

在研制初期，發動機閥門關閉時間較長，經分析，閥門關閉時間除了和閥門產品自身性能有關外，還與閥門控制腔放氣時間有關。推進劑為常溫時，閥門控制腔放氣時間試驗結果如圖2所示。由圖2可知，閥門控制腔壓力從7 MPa降至0.125 MPa的時間為1 s。

圖2 閥門控制腔放氣時間試驗曲線（常溫推進劑）

推進劑為低溫時，閥門控制腔放氣時間試驗結果如圖3所示。由圖3可知，閥門控制腔壓力從7 MPa下降到0.125 MPa的時間為1.5 s。閥門控制腔放氣時間較長是導致閥門關閉時間較長的一個重要因素。

圖3 閥門控制腔放氣時間試驗曲線（低溫推進劑）

2 仿真模型

2.1 建立仿真模型

根據閥門控制腔放氣系統的結構原理建立的AMESim仿真模型如圖4所示。根據閥門控制腔放氣系統的具體物理結構、工作原理等從AMESim中的氣壓、信號模型庫選擇合理的子模型[3,4]。

圖4 閥門控制腔放氣系統仿真模型

2.2 放氣管道模型選擇

為了簡化閥門控制腔放氣系統的AMESim模型，選用集中參數管道模型。管道內流體的運動可以單獨或同時考慮3種流體現象：壓縮性、阻性、慣性。AMESim管道模型中會影響仿真時管道模型選擇的3個量是[5~8]：

綜上所述，閥門控制腔放氣管道內要同時考慮 3種流體現象，所以選用集中參數管道子模型PNL004（C-IR）。

2.3 仿真模型參數

模型中各個子模型的名稱、模擬的對象及具體參數如表1所示。

表1 仿真模型參數

2.4 仿真結果

將閥門控制腔放氣系統試驗的實際參數（見表1）輸入到仿真模型中，設仿真時間為2 s，采樣時間為0.001 s。在仿真時，假定閥門控制腔內氣體溫度約等于推進劑溫度。

圖5 閥門控制腔放氣時間仿真曲線（常溫推進劑）

閥門盒內氣體壓力變化仿真曲線如圖6所示。由圖6可知，當閥門盒內氣體壓力大于排氣單向閥的打開壓力（0.125 MPa）時，排氣單向閥打開，將閥門盒內氣體排到大氣，與實際情況一致，進一步驗證了仿真模型的合理性。

圖6 閥門盒內氣體壓力變化仿真曲線（常溫推進劑）

圖7 閥門控制腔放氣時間仿真曲線（低溫推進劑）

由圖7可知，閥門控制腔壓力從7 MPa下降到0.125 MPa所用時間為1.45 s，仿真值和試驗值非常接近。

閥門盒內氣體壓力變化仿真曲線如圖8所示，仿真結果與實際情況一致，說明仿真模型的合理性。

圖8 閥門盒內氣體壓力變化仿真曲線（低溫推進劑）

3 各參數對閥門控制腔放氣時間的影響

3.1 放氣管道直徑的影響

圖9 放氣管道直徑的影響

3.2 放氣管道長度的影響

圖10 放氣管道長度的影響

由圖10可知，放氣管道長度對閥門控制腔放氣時間影響較大，放氣管道長度越小，閥門控制腔放氣時間越短。因此，在實際設計中應盡量減小放氣管道長度。

3.3 控制氣氣體類型的影響

液體火箭發動機系統中，閥門控制腔內控制氣通常為氦氣、氮氣或空氣。閥門控制腔內氣體溫度取=104 K，控制腔氣體類型分別為氦氣、氮氣和空氣，輸入仿真模型中，其它參數不變（見表1），仿真結果如圖11所示。由圖11可知，控制氣氣體類型對閥門控制腔放氣時間影響較大，控制氣為氦氣時，閥門控制腔放氣時間明顯減小；控制氣為氮氣和空氣時，閥門控制腔放氣時間差異很小。因此，在實際設計中應盡量選擇氦氣作為控制氣。

圖11 控制氣氣體類型的影響

3.4 推進劑溫度的影響

仿真時，假定閥門控制腔內氣體溫度約等于推進劑溫度。將閥門控制腔內氣體溫度分別取=273 K、104 K、200 K，輸入仿真模型中，其它參數不變 （見表1），仿真結果如圖12所示。由圖12可知，推進劑溫度對閥門控制腔放氣時間影響較大，溫度越低，閥門控制腔放氣時間越長。

圖12 推進劑溫度的影響

4 結 論

本文針對閥門控制腔放氣系統研制過程中放氣時間長的問題，建立閥門控制腔放氣系統仿真模型，通過試驗證明了該仿真模型的有效性，同時分析各種因素對閥門控制腔放氣時間的影響，找出減小放氣時間的主要因素，為閥門控制腔放氣系統的建模及分析提供依據，也為后期閥門控制腔放氣系統的結構優化設計提供參考。從仿真結果得出如下結論：

a）放氣管道直徑對閥門控制腔放氣時間影響較大，放氣管道直徑越小，閥門控制腔放氣時間越短。因此，在實際設計中應盡量減小放氣管道直徑。

b）放氣管道長度對閥門控制腔放氣時間影響較大，放氣管道長度越小，閥門控制腔放氣時間越短。因此，在實際設計中應盡量減小放氣管道長度。

c）控制氣氣體類型對閥門控制腔放氣時間影響較大，控制氣為氦氣時，閥門控制腔放氣時間明顯減小；控制氣為氮氣和空氣時，閥門控制腔放氣時間差異很小。因此，在實際設計中應盡量選擇氦氣作為控制氣。

d）推進劑溫度對閥門控制腔放氣時間影響較大，溫度越低，閥門控制腔放氣時間越長。

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Modeling and Simulation Analysis for Deflation Time ofValve Control Cavity

Hu Chang-xi, Bao Jin-hua, Zhang Cheng-yin, Xu Shan-shan, Sun Kan

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076)

To achieve the dynamic characteristic of deflation time of valve control cavity, a dynamic simulation model of deflation time of valve control cavity in liquid rocket engine was built. The simulation technology AMESim was adopt. The results of simulation and experimental was matched. This studies contributes to the optimization of deflation system of value control cavity.

Valve control cavity; Deflation time; Simulation; AMESim

1004-7182(2016)03-0059-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160314

V434

A

2015-04-27；

2015-06-10

載人登月921項目（060302）

胡長喜（1973-），男，高級工程師，主要研究方向為液體火箭發動機閥門設計