朱建國，曾維亮，董萬峰

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

隨著航天技術的發(fā)展，航天器總體對推進動力系統(tǒng)的性能指標要求也越來越高，如要求推進系統(tǒng)具有重量輕、貯箱壓力低、推力室室壓高及易多次起動等；從系統(tǒng)重量、結(jié)構(gòu)尺寸、安全性及可靠性等角度考慮，采用常規(guī)的擠壓式或泵壓式推進系統(tǒng)都難以滿足相應的指標要求。

活塞泵增壓推進系統(tǒng)是介于常規(guī)擠壓式與泵壓式推進系統(tǒng)之間的一種新型推進系統(tǒng)。與渦輪泵增壓系統(tǒng)相比，其重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠及無起動次數(shù)限制；與擠壓式系統(tǒng)相比，在40 kN推力以下，由于貯箱壓力低、推力室室壓高，且不需要高壓氣瓶等裝置，在系統(tǒng)質(zhì)量方面占有一定優(yōu)勢?；钊米鳛樵撔滦屯七M系統(tǒng)的核心部件之一，其研制工作即成為該型系統(tǒng)研制的關鍵環(huán)節(jié)。目前，世界上僅有美國[1-4]和烏克蘭[5]成功研制了液體火箭發(fā)動機活塞泵，并達到了應用階段。由于該系統(tǒng)具有高性能、輕質(zhì)化、小型化等潛在優(yōu)點，針對我國當前航天技術發(fā)展與應用需求，急需開展液體火箭發(fā)動機活塞泵的探索研究工作。

活塞泵是采用全氣動機械閉環(huán)控制來實現(xiàn)多缸連續(xù)交替動作的，其工作可靠性取決于全氣動機械閉環(huán)控制回路的可靠性。在前期探索研制中出現(xiàn)了自鎖的故障模式，即活塞泵多缸互鎖，為了分析原因、提出改進，本文將對活塞泵控制氣路進行邏輯特性分析。

1 活塞泵工作原理

活塞泵主要由液缸、止回閥、氣缸、控制閥及導管連接件等組成，如圖1所示。其工作原理如下：活塞泵工作前，在液路入口壓力的作用下，進液止回閥打開，推進劑填滿4個液缸。氣路供以高壓氣體并打開下游排液控制閥后，活塞泵便逐步循環(huán)工作。由于換向閥A和C為常開結(jié)構(gòu)，故與其相連的氣缸A和C首先進氣，高壓氣體推動活塞A和C進入排液沖程，液缸A和C排出高壓液體。同時，一部分氣體經(jīng)滑閥C進入換向閥B和D的控制腔室，使其進氣閥口關閉。當活塞A和C運動至行程端部時，滑閥C換向，換向閥B和D控制腔室內(nèi)的氣體從滑閥口排出，換向閥B和D換向，其進氣閥口打開，高壓氣體進入氣缸B和D，即而推動活塞B和D進入排液沖程。同時，一部分氣體經(jīng)滑閥D進入換向閥A和C的控制腔室，閥芯換向，進氣閥口關閉、排氣閥口打開，氣缸A和C開始排氣，當氣缸A和C中的壓力降低至一定值時，在液體進口壓力作用下進入充液回程。當活塞B和D運動至行程端部時，又會進入同樣的換向過程，如此交替工作，實現(xiàn)連續(xù)排液。

2 流體邏輯理論簡介

流體邏輯理論[6]是研究如何將流體控制元件相互連接起來以滿足給定的邏輯要求，達到自動控制各種機械結(jié)構(gòu)的目的，這就是所謂的流體邏輯設計；另外，也可以用于流體元件的功能識別[7]和驗證已設計出的流體控制系統(tǒng)方案的可行性。它的基礎理論體系來源于邏輯數(shù)學，因此流體邏輯就是利用邏輯函數(shù)有規(guī)則地表示邏輯要求的一種方法，流體邏輯問題的解決主要依賴于布爾代數(shù)。

2.1 流體邏輯描述

邏輯設計和分析首先要提出預期的機器操作程序，清晰地描述在激發(fā)每個輸出之前的條件。由于涉及回路的復雜性，用來描述邏輯系統(tǒng)要求的格式可能會有些變化。然而，在各種情況下，無論哪種描述方法都必須建立輸出信號邏輯程序。對于組合邏輯回路來說，其描述格式可能要比時序型系統(tǒng)簡單的多，目前主要描述方法有：真值表、時間表（線狀圖表）、綜合工序表、原始流動表、狀態(tài)矩陣、綜合表及邏輯要求表等。

2.2 流體邏輯設計

為了形成滿足預定要求的系統(tǒng)網(wǎng)絡而選擇和連接邏輯元件的過程稱為邏輯設計。對于組合邏輯網(wǎng)絡，一般采用真值表或卡諾圖就足夠了，因為它們可以提供相對于各種輸入組合的輸出唯一描述，得出網(wǎng)絡的簡化輸出方程（范式），就可以選擇相應的邏輯元件來搭建邏輯網(wǎng)絡；而時序邏輯網(wǎng)絡，因為網(wǎng)絡中需要引入了“記憶元件”，這樣網(wǎng)絡就出現(xiàn)了“狀態(tài)”，也就引入了狀態(tài)流動、狀態(tài)等價及狀態(tài)替換等問題，故設計過程要復雜得多。目前，流體邏輯設計的主要方法有：一般解法、最小化方法（無關項的利用、求補簡化法、公因子提取法及全能邏輯元件的利用）、經(jīng)典綜合法（狀態(tài)等價、狀態(tài)替換、運動流動表、激勵表及激勵圖）及非經(jīng)典綜合法（變信號法、全信號法、狀態(tài)矩陣法、轉(zhuǎn)換表法及狀態(tài)圖法）等。

2.3 流體邏輯分析

在很多情況下，流體控制回路的設計采用直觀推理的方法，依靠設計者的經(jīng)驗來完成。但這樣做缺乏邏輯綜合的基礎，一旦流體控制回路設計出來，離開了設計者要想尋找故障、改良系統(tǒng)就可能很難下手。流體邏輯分析的目的就在于區(qū)分并研究回路的各個元件，確定元件的函數(shù)關系式和系統(tǒng)的整套關系式是否有能力滿足所描述的邏輯要求，可以驗證邏輯系統(tǒng)的正確性，也可以揭示故障的原因。

3 活塞泵控制回路邏輯特性分析

活塞泵的邏輯特性主要是研究其氣動控制回路的邏輯特性，它是實現(xiàn)活塞泵多缸協(xié)調(diào)和匹配工作的關鍵結(jié)構(gòu)。該活塞泵方案在工作中會出現(xiàn)自鎖的故障模式，而未明確其機理，故有必要應用流體邏輯理論對控制回路的邏輯特性加以分析。

3.1 邏輯描述

活塞泵氣動控制回路簡圖如圖2所示。圖中各符號均為邏輯變量，定義如下：

c和d分別為滑閥位置信號，當滑閥C或D運動至排液行程的端部并越過換向點時，c=1或d=1；否則，c=0或d=0。Kc和Kd分別為滑閥出口壓力控制信號，有壓力輸出時，Kc=1或Kd=1；否則，Kc=0或Kd=0。p為供氣壓力信號，當系統(tǒng)供氣時，p=1；否則，p=0。A，B，C及D分別為A缸、B缸、C缸及D缸的壓力信號，當缸內(nèi)有驅(qū)動壓力時，A=1或B=1或C=1或D=1；否則，A=0或B=0或C=0或D=0。

以上賦予了氣動控制回路中各變量狀態(tài)或位置含義，為了有效地描述整個回路的邏輯特點，首先建立各組件布爾表達式。

因此，可得各缸壓力信號邏輯表達式：

3.2 工作時序分析

就活塞泵控制回路本身來說屬于組合邏輯回路，但活塞泵的工作方式為各缸交替工作，具有階段性，包含了時間因素，可以用時間表來描述問題。工作時序中用二進制數(shù)“1”表示“觸發(fā)”或“有壓力信號”，可以時刻跟蹤每個組件動作狀態(tài)。這里的“時間”表示活塞泵循環(huán)的相對時間，在表格中每一列給定一個階段，每一行則給定一個特定的邏輯狀態(tài)變量。

采用如下規(guī)則制成時間表（如表1，▲列為換向階段）：

1）假設循環(huán)的初始狀態(tài)為A和C有壓力值，即A和C缸排液；

2）按照活塞的位移狀態(tài)記下輸入信號c和d的狀態(tài)；

3）根據(jù)公式 （7）～公式 （10）確定相應的輸出；

4）重復上述步驟2）和3），循環(huán)到事先確定的初始狀態(tài)為止。

表1 活塞泵工作時序表Tab.1 Operating sequence table of piston pump

由表1可知，在2～3階段氣缸B和D同時有壓力信號，在4～1階段氣缸A和C同時有壓力信號，所以活塞泵控制回路滿足驅(qū)動活塞泵實現(xiàn)“對缸同步、鄰缸異步”工作的邏輯要求。

3.3 邏輯冒險分析

回路邏輯冒險可以定義為邏輯回路所要求的響應在兩種狀態(tài)過渡階段產(chǎn)生的非預料動作。一般來說，冒險是由實際條件不理想造成的，因為實際的動力系統(tǒng)或元件遠不是理想的，它們的響應時間是不可預料的，這種不可預料性是產(chǎn)生冒險問題的重要原因。

通常，邏輯網(wǎng)絡的冒險問題可通過卡諾圖來分析，表現(xiàn)為相鄰項間過渡的問題。圖3為活塞泵控制回路工作狀態(tài)卡諾圖，正常工作情況下，邏輯網(wǎng)絡的輸入有2種，即cd=01或cd=10，輸出在ABCD=1010和ABCD=0101 2種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。但是，若活塞D回程速度過慢，使得輸入變?yōu)閏d=11，則輸出變?yōu)锳BCD=1111，即4缸全部充滿高壓氣體，出現(xiàn)如圖4所示的自鎖故障模式，故活塞泵控制回路存在冒險問題，工作不可靠。

由以上分析可知，出現(xiàn)自鎖故障的主要原因是控制回路輸入信號c和d同時為“1”，即兩滑閥出現(xiàn)了處于相同位置的狀態(tài)，故可以采用單個滑閥來保證控制回路兩個輸入信號的互異性，使輸出僅在ABCD=1010和ABCD=0101 2種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，避免自鎖故障。

4 結(jié)束語

本文在介紹某活塞泵工作原理的基礎上，基于流體邏輯理論建立了活塞泵氣動控制回路工作時間表和工作狀態(tài)卡諾圖，通過邏輯推演分析獲得了其邏輯特性。在工作時序上，該控制回路能夠驅(qū)動活塞泵實現(xiàn)“對缸同步、鄰缸異步”的工作方式；而在回路完備性方面，雙滑閥控制方式中出現(xiàn)兩個滑閥位置狀態(tài)相同時即會導致自鎖故障發(fā)生，控制回路不能有效地克服邏輯冒險問題，這也是該活塞泵控制方式出現(xiàn)自鎖故障模式的原因，據(jù)此提出可采用單滑閥來保證控制回路兩個輸入信號的互異性，從而避免邏輯冒險問題。本文在分析、解決工程研制問題的同時，也探討了流體邏輯理論在復雜流體控制回路特性分析中的應用。

[1]WHITEHEAD J C.Bipropellant propulsion with rec iprocating pumps,AIAA 93-2121[R].USA:AIAA,1993.

[2]WHITEHEAD J C,PITTENGER L C,COLELLA N J.Design and flight testing of a reciprocating pump fed rocket,AIAA 1994-3031[R].USA:AIAA,1994.

[3]WHITEHEAD J C.Reciprocating Pump Systems for Space Propulsion,AIAA 2004-3836[R].USA:AIAA,2004.

[4]WHITEHEAD J C.Performance of a New Lightweight Reciprocating Pump,AIAA 2005-3921[R].USA:AIAA,2005.

[5]馬海濤.氣動增壓器的仿真與研究[C].中國航天第三專業(yè)信息網(wǎng)第27屆年會,航天動力技術發(fā)展與應用學術會議論文集:171-178.

[6]菲奇E C,蘇爾佳特馬扎J B.流體邏輯導論[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985.

[7]陳海泉,曲宏飛,孫玉清.基于流體邏輯理論的船用插裝閥機能研究[J].大連海事大學學報,2004,30(3):34-37.