阀门控制腔放气时间的建模与仿真分析

胡长喜，鲍锦华，张成印，徐姗姗，孙 侃



阀门控制腔放气时间的建模与仿真分析

胡长喜，鲍锦华，张成印，徐姗姗，孙 侃

（北京航天动力研究所，北京，100076）

为获得阀门控制腔放气时间的动态特性，建立了液体火箭发动机阀门控制腔放气时间的动态仿真模型，采用AMESim仿真技术进行仿真，仿真结果与试验结果相符。采用所建立的模型分析各种因素对阀门控制腔放气时间的影响，为后期阀门控制腔放气系统的优化奠定了基础。

阀门控制腔；放气时间；仿真；AMESim

0 引 言

在液体火箭发动机系统中，阀门是推进剂供应系统的重要组成部分，阀门的动作响应时间直接影响发动机的性能。液路阀门的动作通常有2种方式：a）阀门的打开和关闭都由阀门控制腔充放气完成，由于控制气作用于控制腔的作用力较大，阀门的打开和关闭时间较短；b）阀门的打开由阀门控制腔充气完成，阀门的关闭由弹簧及推进剂的压力来完成，阀门的打开时间较短，由于控制腔内控制气的作用力阻碍阀门关闭，关闭时间受阀门控制腔放气时间的影响较大。

本文针对一般液体火箭发动机所用的阀门控制腔放气系统进行了阀门控制腔放气过程动态特性的仿真研究。以AMESim作为设计平台建立阀门控制腔放气系统仿真模型，在建立的仿真模型上进行动态仿真，研究各种参数对阀门控制腔放气时间的影响，提出了减小阀门控制腔放气时间的改进方向[1,2]。

1 阀门控制腔放气系统及研制中出现的问题

1.1 阀门控制腔放气系统原理

阀门控制腔放气系统原理如图1所示。阀门控制腔放气系统主要由阀门控制腔、放气管道、电磁阀、阀门盒、排气单向阀等组成。当被控阀门收到关闭指令时，阀门控制腔和放气管道内的气体通过电磁阀的排气孔向阀门盒内放气，当阀门盒内气体压力大于排气单向阀的打开压力时，排气单向阀打开，将阀门盒内气体排到大气，随着气体排出，阀门控制腔内的气体进入阀门盒，阀门控制腔压力下降。

图1 阀门控制腔放气系统原理

1.2 研制中出现的问题

在研制初期，发动机阀门关闭时间较长，经分析，阀门关闭时间除了和阀门产品自身性能有关外，还与阀门控制腔放气时间有关。推进剂为常温时，阀门控制腔放气时间试验结果如图2所示。由图2可知，阀门控制腔压力从7 MPa降至0.125 MPa的时间为1 s。

图2 阀门控制腔放气时间试验曲线（常温推进剂）

推进剂为低温时，阀门控制腔放气时间试验结果如图3所示。由图3可知，阀门控制腔压力从7 MPa下降到0.125 MPa的时间为1.5 s。阀门控制腔放气时间较长是导致阀门关闭时间较长的一个重要因素。

图3 阀门控制腔放气时间试验曲线（低温推进剂）

2 仿真模型

2.1 建立仿真模型

根据阀门控制腔放气系统的结构原理建立的AMESim仿真模型如图4所示。根据阀门控制腔放气系统的具体物理结构、工作原理等从AMESim中的气压、信号模型库选择合理的子模型[3,4]。

图4 阀门控制腔放气系统仿真模型

2.2 放气管道模型选择

为了简化阀门控制腔放气系统的AMESim模型，选用集中参数管道模型。管道内流体的运动可以单独或同时考虑3种流体现象：压缩性、阻性、惯性。AMESim管道模型中会影响仿真时管道模型选择的3个量是[5~8]：

综上所述，阀门控制腔放气管道内要同时考虑 3种流体现象，所以选用集中参数管道子模型PNL004（C-IR）。

2.3 仿真模型参数

模型中各个子模型的名称、模拟的对象及具体参数如表1所示。

表1 仿真模型参数

2.4 仿真结果

将阀门控制腔放气系统试验的实际参数（见表1）输入到仿真模型中，设仿真时间为2 s，采样时间为0.001 s。在仿真时，假定阀门控制腔内气体温度约等于推进剂温度。

图5 阀门控制腔放气时间仿真曲线（常温推进剂）

阀门盒内气体压力变化仿真曲线如图6所示。由图6可知，当阀门盒内气体压力大于排气单向阀的打开压力（0.125 MPa）时，排气单向阀打开，将阀门盒内气体排到大气，与实际情况一致，进一步验证了仿真模型的合理性。

图6 阀门盒内气体压力变化仿真曲线（常温推进剂）

图7 阀门控制腔放气时间仿真曲线（低温推进剂）

由图7可知，阀门控制腔压力从7 MPa下降到0.125 MPa所用时间为1.45 s，仿真值和试验值非常接近。

阀门盒内气体压力变化仿真曲线如图8所示，仿真结果与实际情况一致，说明仿真模型的合理性。

图8 阀门盒内气体压力变化仿真曲线（低温推进剂）

3 各参数对阀门控制腔放气时间的影响

3.1 放气管道直径的影响

图9 放气管道直径的影响

3.2 放气管道长度的影响

图10 放气管道长度的影响

由图10可知，放气管道长度对阀门控制腔放气时间影响较大，放气管道长度越小，阀门控制腔放气时间越短。因此，在实际设计中应尽量减小放气管道长度。

3.3 控制气气体类型的影响

液体火箭发动机系统中，阀门控制腔内控制气通常为氦气、氮气或空气。阀门控制腔内气体温度取=104 K，控制腔气体类型分别为氦气、氮气和空气，输入仿真模型中，其它参数不变（见表1），仿真结果如图11所示。由图11可知，控制气气体类型对阀门控制腔放气时间影响较大，控制气为氦气时，阀门控制腔放气时间明显减小；控制气为氮气和空气时，阀门控制腔放气时间差异很小。因此，在实际设计中应尽量选择氦气作为控制气。

图11 控制气气体类型的影响

3.4 推进剂温度的影响

仿真时，假定阀门控制腔内气体温度约等于推进剂温度。将阀门控制腔内气体温度分别取=273 K、104 K、200 K，输入仿真模型中，其它参数不变 （见表1），仿真结果如图12所示。由图12可知，推进剂温度对阀门控制腔放气时间影响较大，温度越低，阀门控制腔放气时间越长。

图12 推进剂温度的影响

4 结 论

本文针对阀门控制腔放气系统研制过程中放气时间长的问题，建立阀门控制腔放气系统仿真模型，通过试验证明了该仿真模型的有效性，同时分析各种因素对阀门控制腔放气时间的影响，找出减小放气时间的主要因素，为阀门控制腔放气系统的建模及分析提供依据，也为后期阀门控制腔放气系统的结构优化设计提供参考。从仿真结果得出如下结论：

a）放气管道直径对阀门控制腔放气时间影响较大，放气管道直径越小，阀门控制腔放气时间越短。因此，在实际设计中应尽量减小放气管道直径。

b）放气管道长度对阀门控制腔放气时间影响较大，放气管道长度越小，阀门控制腔放气时间越短。因此，在实际设计中应尽量减小放气管道长度。

c）控制气气体类型对阀门控制腔放气时间影响较大，控制气为氦气时，阀门控制腔放气时间明显减小；控制气为氮气和空气时，阀门控制腔放气时间差异很小。因此，在实际设计中应尽量选择氦气作为控制气。

d）推进剂温度对阀门控制腔放气时间影响较大，温度越低，阀门控制腔放气时间越长。

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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

载人登月921项目（060302）

胡长喜（1973-），男，高级工程师，主要研究方向为液体火箭发动机阀门设计