基于高频电磁阀的粉末推进剂质量流率控制规律研究①

胡 颖，邓 哲，任全彬，李 悦

(1. 西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072；2. 中国航天科技集团有限公司四院四十一所，西安 710025；3. 西安近代化学研究所，西安 710065；4. 中国航天科技集团有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

新型粉末发动机以粉末颗粒为推进剂，具有结构简单、环境适应性强的优点；同时又具备推力可调、多次启动关机的功能。目前，新型粉末发动机普遍处于概念研究阶段，根据不同的使用需求，已经开展研究工作的粉末发动机主要有Al/AP粉末火箭发动机[1-2]、PE/AP粉末火箭发动机[3]、Al/LOX粉末火箭发动机[4]、Al/N2O粉末火箭发动机[5]、Mg/CO2粉末火箭发动机[6-9]及粉末燃料冲压发动机[10-12]等。

(1)

式中mp为粉末装填质量；L为粉箱长度；活塞速率v由驱动气填充驱动腔的速率决定。

图1 供粉储箱工作原理图

目前，关于粉末发动机的研究中仅有Al/AP粉末火箭发动机及Mg/CO2粉末火箭发动机实现了发动机的推力调节功能。其中，粉末火箭发动机的推力调节方案为通过流量控制阀来改变驱动气流量和流化气流量，进而改变粉末推进剂的质量流率，实现发动机的推力调节[13]；而Mg/CO2粉末火箭发动机则是在改变驱动气流量的基础上，结合粉末储箱出口通流面积进行切换的方法实现发动机的推力调节[14]。可看出，采用图1所述粉末推进剂供给装置的粉末发动机，其推力调节功能的实现本质上依赖于驱动气体流量的调节。

当前研究中，采用的气体流量调节方法为流量控制阀调节或通流面积有级调节，前者可实现气体流量的连续无极调节，但是结构质量大，难以满足发动机轻质化要求；后者虽然具有较小的结构质量，但不能实现连续无极调节。考虑到高频电磁阀可在短时间内实现连续多脉冲工作的特性，且具有结构简单、消极质量轻的特点。因此，本文基于图1所示气压驱动活塞、气流夹带流化的粉末推进剂供给方案，结合高频电磁阀，提出一种粉末推进剂质量流率控制方法，进一步通过实验研究电磁阀工作频率、占空比等参数对推进剂流量调节特性的影响规律，为粉末发动机推力调节方案设计提供参考。

1 粉末推进剂质量流率调节实验系统

1.1 高频电磁阀

高频电磁阀的开关特性决定了其流量调节特性，本文采用的高频电磁阀为直动开关阀。高频电磁阀的开启与关闭对应于电信号的电位高低，如图2所示。当电压信号为恒定高电位的情况下，电磁阀的打开时间最长，打开幅度最大，流量达到最大值，此时的流量对应发动机工作时的最大推力状态；当输入电磁阀的方波电压信号中的低电位时，其通流流量小于最大流量。单位时间内高频电磁阀的多次开闭，会导致通流流量低于常开状态，这时的流量可对应于发动机的小推力状态。因此，只要测定出电磁阀在不同状态下的流量特性，粉末发动机的推力连续调节功能就可初步实现。

图2 电磁阀输入信号

定义变量占空比λ：

(2)

占空比λ的含义为一个方波信号周期内，波峰信号时间占整个方波周期时间的比例，理论上占空比一样的情况下，电磁阀开关频率的改变并不会影响阀门的通流流量。然而，实际情况中电磁开关的打开与关闭是需要时间的，无法做到方波脉冲信号中高低电位的瞬时转换，所以在相同的占空比条件下，改变高频电磁阀的开关频率对驱动气流量调节具有一定影响。因此，本文将实验研究给定工况下，不同电磁阀工作频率、占空比对粉末推进剂质量流率调节特性的影响规律。

1.2 驱动气体流量调节实验系统

图3为采用上述高频电磁阀搭建的驱动气体流量调节实验系统原理图，主要由高频电磁阀、粉末推进剂供给系统、电源、测试和控制系统组成。

图3 粉末推进剂质量流率调节实验系统

2 试验结果与分析

2.1 频率特性研究

为保证实验参数的一致性，在进行频率特性研究时，所有实验工况的占空比都设置为0.5，电磁阀电源电压设置为30 V，驱动气总压、流化气流量也都保持一致。由于燃烧室背压会对活塞位移产生影响，实验中给定燃烧室背压0.6 MPa，实验工况如表1所示。

图4为上述工况的实验结果曲线。其中，pa为活塞后压强，即驱动气体一侧；pf为活塞前压强，即流化气体一侧；S为活塞位移曲线，其对时间的微分可用于表征粉末推进剂瞬时质量流率(式(1))。

表1 实验工况

由图4可看出，在频率1、3 Hz的情况下(A-1、A-2)活塞后压强在脉冲流量调节阀作用下脉动显著，最大振幅分别为35%和16%，此时位移曲线也受到影响。随着电磁阀频率的进一步提高，工况A-3中活塞后压强和活塞位移曲线的变化过程已经趋于平稳。与活塞后压强的建立过程不同，实验中活塞前压强缓慢上升，这是因为流化气会由粉末储箱出口流出，而驱动气则流动进入密闭空间，因此活塞前压强的建立需要一定的充气时间。实验中A-6号工况的活塞位移量为零，这是因为实验过程中发现高频电磁阀的频率响应极限在22 Hz左右，而A-6号工况设计的开关频率为25 Hz，过高的频率导致电磁阀无法响应，最终出现气流截止。

为定量分析不同电磁阀工作频率对粉末推进剂质量流率调节能力的影响，取活塞前压强已经建立到目标压强的时刻来计算对应的活塞位移，将其微分后得到各工况下活塞位移速率与电磁阀频率的关系，如图5所示。可看出，开关频率变大，可减小通气流量，这是因为电磁阀阀体的开关是需要一定时间的，高频率开关会导致阀体开关过程所需时间的不断累加，最终使通气流量越来越少。在0.6 MPa背压的情况下，活塞最大位移速度为7.79 mm/s，对应开关频率为5 Hz，是开关频率15 Hz时活塞速度的1.98倍。

(a) 工况A-1 (b) 工况A-2 (c) 工况A-3

(d) 工况A-4 (e) 工况A-5 (f) 工况A-6

图5 调节开关频率对活塞移动速度影响

2.2 占空比特性研究

从理论分析来看，方波信号的占空比直接影响了电磁阀的开关时间。从上节的研究结果可看出，电磁阀控制频率较低时驱动气脉冲扰动过大会对活塞位移的稳定性产生影响，而调节频率为5 Hz时，活塞运动过程基本平顺，且具有较大通流流量。所以，在占空比研究中，所有工况的开关频率设置为5 Hz，并考虑不同背压对活塞位移的影响。工况设置如表2所示。不同占空比下各工况的实验结果曲线如图6所示。

由图6可看出，在上述所有工况下，并不存在工况A-6的驱动气流动截止情况。此外，不同背压条件下，存在一个临界占空比，只有当电磁阀的实际占空比大于临界占空比时，电磁阀才会启动工作。其中，0.42 MPa情况下的临界占空比为0.3，0.83 MPa情况下的临界占空比为0.4。

表2 实验工况

表3 不同背压情况下活塞位移速度

取活塞前压强已经建立到目标压强时的时间来计算对应时刻的活塞位移，将其微分处理后得到各工况下活塞位移数据，如表3所示。

(a) 工况B-1 (b) 工况B-2 (c) 工况B-3

(d) 工况B-4 (e) 工况B-5 (f) 工况B-6

(g) 工况B-7 (g) 工况B-8

(h) 工况B-9 (i) 工况B-10

图7为各个工况活塞速度与占空比的关系，反映了脉冲流量调节阀在改变占空比情况下的粉末推进剂质量流率调节能力。可看出，占空比的提高可显著增大脉冲流量调节阀的流量，但占空比越接近于1时，调节能力越来越小，占空比较小时，其调节能力比较强。在背压0.42、0.83 MPa情况下，活塞位移速率调节比分别为2.79、2.68，而活塞位移速度最大值都处于占空比为0.8的情况下，分别为27.3、6.7 mm/s。

图7 调节占空比对活塞速度影响

3 结论

基于气压驱动活塞、气流夹带流化的粉末推进剂供给方，结合高频电磁阀，提出了一种粉末供给装置粉末推进剂质量流率控制方法，并通过实验研究了电磁阀工作频率、占空比等参数对粉末推进剂质量流率调节特性的影响规律。在本文实验条件下，主要得到以下结论：

(1)可通过电磁阀工作频率的变化进行粉末推进剂质量流率的调节。在0.6 MPa背压的情况下，工作频率5 Hz时活塞的最大位移速度为7.79 mm/s，是开关频率15 Hz时的1.98倍。

(2)背压0.42 MPa情况下，电磁阀正常工作的临界占空比为0.3，背压0.83 MPa情况下，电磁阀正常工作的临界占空比为0.4。

(3)通过改变电磁阀的占空比，可实现粉末推进剂质量流率的调节。占空比越大，调节能力越来越小。背压0.42、0.83 MPa情况下，活塞位移速率调节比分别为2.79、2.68。