孫　亮，白少卿，羅大亮

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

脈沖爆震發(fā)動機旋轉(zhuǎn)閥技術(shù)研究

孫亮，白少卿，羅大亮

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

為解決脈沖爆震發(fā)動機高頻穩(wěn)定連續(xù)燃燒推進劑間歇式供應(yīng)難題，開展了旋轉(zhuǎn)閥技術(shù)研究。通過采用伺服電機驅(qū)動二階凸輪特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，將電機軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為控制閥芯的直線開關(guān)運動，并放大電機旋轉(zhuǎn)頻率特性，實現(xiàn)最大200 Hz的高頻控制。突破了高頻響應(yīng)、長壽命驅(qū)動和氧氣安全性保障關(guān)鍵技術(shù)，完成旋轉(zhuǎn)閥鑒定試驗和脈沖爆震發(fā)動機地面點火試車考核。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電磁閥相比，旋轉(zhuǎn)閥能夠有效提高響應(yīng)頻率，實現(xiàn)了爆震波的穩(wěn)定連續(xù)輸出，滿足工程應(yīng)用要求。

脈沖爆震發(fā)動機；旋轉(zhuǎn)閥；高頻控制

0　引言

脈沖爆震發(fā)動機(Pulse detonation engine，PDE)是一種利用周期性爆震波產(chǎn)生的高溫高壓燃氣來產(chǎn)生推力的非穩(wěn)態(tài)動力裝置，是當前新概念推進技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，其潛在的優(yōu)越性能得到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)發(fā)動機不同的是：PDE是基于爆震燃燒基礎(chǔ)上的間歇性工作的動力裝置，因此如何在爆震管內(nèi)迅速、可靠地產(chǎn)生爆震波是PDE設(shè)計中的核心問題，同時也是決定PDE性能好壞的核心要素，高頻響應(yīng)旋轉(zhuǎn)閥是解決此核心問題的重要途徑。為滿足系統(tǒng)高頻控制要求，控制閥設(shè)計時采用電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)、二階凸輪特殊機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)化為閥芯直線開關(guān)運動、齒輪變速器放大機構(gòu)轉(zhuǎn)換、驅(qū)動器程序控制調(diào)節(jié)等設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)閥2～200 Hz高頻控制功能。該閥已完成地面熱試車考核。

1　研究現(xiàn)狀

在脈沖爆震發(fā)動機的工作過程中，存在如何實現(xiàn)高頻周期性進氣的問題。美國的Helman在模擬飛行狀態(tài)的脈沖爆震發(fā)動機模型中采用的油、氣閥門都是電磁閥，但電磁閥存在頻率過低、需外加快響應(yīng)驅(qū)動電源等缺陷。還有一類閥門——氣動閥能用于脈沖爆震發(fā)動機。氣動閥在沖壓發(fā)動機和脈動發(fā)動機上有過不少應(yīng)用，典型的如Kentifield，Bertin，Wislicenus等氣動閥。這幾種氣動閥在結(jié)構(gòu)上有所不同，但其氣動原理是一樣的。國內(nèi)外有關(guān)研究人員已在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)出一些氣動閥應(yīng)用于PDE，如Srnirnov等的錐形氣動閥，Ashasov和 Penyazkov等帶90°拐彎結(jié)構(gòu)的復(fù)合式氣動閥，Levin等的阻流器式氣動閥，Brophy等組合了錐形與Kentifield的氣動閥及范育新、王家驊等的旋流器式氣動閥。除此之外，國內(nèi)外還開發(fā)了旋轉(zhuǎn)閥應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動機。旋轉(zhuǎn)閥利用旋轉(zhuǎn)周期性打開和關(guān)閉介質(zhì)通路或者爆震管，較好地解決了頻率和開關(guān)質(zhì)量問題，是PDE研究的另一項核心課題。旋轉(zhuǎn)閥的優(yōu)點在于進氣時流阻小、關(guān)閉時密封性好，特別是響應(yīng)頻率較高，可以達到200 Hz量級，因此在已研制PDE樣機中得到廣泛應(yīng)用，如普惠公司研制的五管旋轉(zhuǎn)閥式PDE樣機，在模擬高空12 000 m條件下實現(xiàn)了最高工作頻率120 Hz的穩(wěn)定工作。

2　技術(shù)方案

脈沖爆震發(fā)動機控制用高頻旋轉(zhuǎn)閥主要由伺服電機、相位反饋編碼器、轉(zhuǎn)換齒輪、放大齒輪、二階凸輪、驅(qū)動鋼球、旋轉(zhuǎn)閥體、氧路閥、燃路閥、氮氣閥、離心噴嘴和轉(zhuǎn)接支架等組成，材料均按照相關(guān)標準要求選用與氧氣相容的牌號。采用單個電機軸同時驅(qū)動三路閥芯實現(xiàn)啟閉控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中氧氣路和煤油路為同相位，氮氣路與其錯開90°，二階凸輪實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)一周，三路各自旋轉(zhuǎn)兩周的頻率放大功能，實現(xiàn)高頻驅(qū)動。旋轉(zhuǎn)閥的主要技術(shù)指標要求見表1。

表1　旋轉(zhuǎn)閥主要技術(shù)指標Tab.1　Primary specifications of rotary valve

脈沖爆震發(fā)動機旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下特點：

1）旋轉(zhuǎn)閥采用空冷交流伺服電機帶動凸輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動滾珠滾動，并產(chǎn)生各路閥芯開度變化，使各閥芯能夠打開和關(guān)閉。電機可以實現(xiàn)凸輪相位的準確控制和位置反饋，并提供點火信號，也可以實現(xiàn)額定工作頻率以下的連續(xù)調(diào)節(jié)。

2）旋轉(zhuǎn)凸輪采用二階凸輪驅(qū)動機構(gòu)，每路閥芯在電機轉(zhuǎn)動一周時間內(nèi)打開和關(guān)閉工作各2次，其工作響應(yīng)頻率是電機驅(qū)動頻率的2倍。氧氣閥、煤油閥均由凸輪1同時驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)打開90°工作區(qū)域后再旋轉(zhuǎn)關(guān)閉90°區(qū)域。氧氣閥和煤油閥處于相同的相位，具有相同的打開與關(guān)閉動態(tài)特性；氮氣閥在氧氣閥和煤油閥工作120°相位后由凸輪2驅(qū)動開啟，并工作旋轉(zhuǎn)30°區(qū)域時間。

閥芯工作狀態(tài)與凸輪的相對位置關(guān)系見圖2。

圖1　旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)原理及其在脈沖爆震發(fā)動機系統(tǒng)中的實物安裝Fig.1　Structure and principle of rotary valve,and picture of pulse detonation engine system

圖2　閥芯開啟/關(guān)閉狀態(tài)與凸輪位置相對關(guān)系Fig.2　Relative relation of valve core on/off state and cam position

3） 三路控制閥芯采用相同的技術(shù)方案，見圖3，將不同介質(zhì)工作流量要求不同的閥芯結(jié)構(gòu)按最大流量和通用化思想設(shè)計為統(tǒng)一狀態(tài)，并通過調(diào)整墊片進行大小流量匹配裝配。閥芯閥座選用菌狀密封型式，閥芯密封材料選擇氟塑料，保證快速關(guān)閉時具有良好的密封性能，同時兼顧介質(zhì)相容性及結(jié)構(gòu)強度性能，以滿足高頻長時可靠工作要求。

圖3　三路通用閥芯結(jié)構(gòu)Fig.3　Three-channel commonly-used structure of valve core

4） 結(jié)構(gòu)方案中的不同介質(zhì)路閥芯的工作相對相位可以通過更換不同相位控制的凸輪零件實現(xiàn)。凸輪采用高強度材料，并在工作表面進行特殊金屬材料涂覆，滿足1 000 h以上的長壽命工作要求。

5） 旋轉(zhuǎn)閥上還集成設(shè)計了推進劑霧化裝置——旋流式氣－液同軸噴注器，見圖4，為推力產(chǎn)品氣-液工作介質(zhì)常用的噴注單元形式，并在其霧化性能試驗方面進行過大量的研究工作；按照該噴注器的設(shè)計規(guī)范進行詳細的設(shè)計計算，可以滿足良好摻混與霧化的要求。

圖4　推進劑摻混霧化噴注器Fig.4　Mixture and atomization injector for propellant

6）電機的設(shè)計與選用

電機選擇原則：以一個周期內(nèi)凸輪頂開閥芯瞬間的力所需的全行程最大功率（摩擦力矩）作為電機的輸出轉(zhuǎn)矩，進行電機額定力矩選擇。所需電機扭矩計算結(jié)果見表2。

表2　旋轉(zhuǎn)閥凸輪驅(qū)動特性計算Tab.2 Calculation of cam driving features of rotary valve

根據(jù)表中所需電機輸出轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果，經(jīng)過對比分析，選擇某公司生產(chǎn)的80系列空冷交流伺服電機。該電機的額定轉(zhuǎn)矩為2.5 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為7.5 N·m；額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，最高轉(zhuǎn)速為3 600 rpm；額定功率為0.75 kW。電機可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的任意設(shè)定，通過相位編碼器能夠進行轉(zhuǎn)角位置設(shè)定和位置反饋，該反饋信號可以作為下一周期的點火控制信號。

3　關(guān)鍵技術(shù)及攻關(guān)

旋轉(zhuǎn)閥設(shè)計時采用伺服電機驅(qū)動、二階凸輪轉(zhuǎn)換、滾動鋼球承接、三路閥芯分別高頻率啟閉的結(jié)構(gòu)方案，具有結(jié)構(gòu)新穎、驅(qū)動頻率高、相位可調(diào)、頻率可控、相位可輸出的特點。研制過程中突破了高頻響應(yīng)控制、長壽命可靠驅(qū)動、氧氣使用安全性等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1高頻響應(yīng)控制設(shè)計

設(shè)計要求旋轉(zhuǎn)閥控制頻率不小于60 Hz，且國際上已完成80 Hz的驗證試驗，而現(xiàn)有傳統(tǒng)大流量電動氣閥最快響應(yīng)頻率僅達到30 Hz。要滿足60 Hz以上的控制無法采用傳統(tǒng)的電磁閥或電動氣閥結(jié)構(gòu)方案，必須創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計。

設(shè)計時選用了電機驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)方案，通過滾動鋼球?qū)㈦姍C的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為常規(guī)閥芯的啟閉直線運動，并通過二階凸輪機構(gòu)將高頻電機的驅(qū)動頻率（60 Hz）進行放大，使電機轉(zhuǎn)動一圈，凸輪高低行程變化2次，從而使得閥芯可以開關(guān)2次，將電機頻率放大一倍，實現(xiàn)了200 Hz以上的高頻響應(yīng)設(shè)計，同時也可再通過變速器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更快頻響的控制設(shè)計。

3.2長壽命可靠驅(qū)動設(shè)計

針對發(fā)動機試驗要求旋轉(zhuǎn)閥滿足1 000 h以上旋轉(zhuǎn)工作壽命要求，分析其關(guān)鍵設(shè)計點為凸輪機構(gòu)與滾動鋼球之間的耐磨性。為此，設(shè)計過程中采取了以下途徑及措施：

1） 在凸輪外表面和與之配合的閥體內(nèi)孔面上均進行鍍鉻化學(xué)表面處理，增強其耐磨性。鍍鉻主要是提高凸輪及其配合面的表面硬度和耐磨性能，以延長凸輪的使用壽命。鍍鉻層硬度達到Hv800～1 100，抗磨料磨損性能好，熔點高達1 770℃，可改善耐熔磨損性能。在正常同等條件下，鍍鉻后零件的使用壽命可提高10～50倍。做好凸輪及配合零件導(dǎo)向面的鍍鉻能夠很好地滿足工作壽命要求。

2）設(shè)計合理的凸輪高低行程過渡面。采用流線圓弧結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效減少運動阻力，提高凸輪旋轉(zhuǎn)運動的靈活性，也消除了由于過渡不順暢導(dǎo)致磨損，降低壽命問題。

3） 表面有效潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計。在凸輪與閥體內(nèi)腔及鋼球配合面處，設(shè)計留有一定容腔的結(jié)構(gòu)，用于貯存和保留滿足長時間工作必需的潤滑油，并在裝配中嚴格控制和檢查。

3.3安全性設(shè)計

由于旋轉(zhuǎn)閥工作介質(zhì)為氧氣、煤油和氮氣，存在氧氣使用安全性的問題，針對該安全性問題設(shè)計時采取了如下措施：

1）選擇滿足壓力和流速安全性要求的材料。根據(jù)設(shè)計要求，氧氣工作壓力最大為4 MPa，滿足大于0.6 MPa且小于10 MPa的范圍，根據(jù)GB16912-1997《氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，其相關(guān)結(jié)構(gòu)材料可以選用奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計中均選用了不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料，并熱處理成奧氏體狀態(tài)。

2） 禁油設(shè)計。在設(shè)計和裝配中禁止在氧氣通路中使用潤滑油膏，并在裝配前進行嚴格清洗，裝配試驗中嚴格控制。

3） 減少運動中的摩擦磨損。在氧氣路結(jié)構(gòu)中提高設(shè)計表面的光潔度，避免銳邊結(jié)構(gòu)，確保運動中不產(chǎn)生摩擦火花現(xiàn)象。

4　旋轉(zhuǎn)閥試驗

通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，旋轉(zhuǎn)閥通過了設(shè)計鑒定試驗，完成了脈沖爆震發(fā)動機地面多次高頻脈沖點火熱試車考核，其工作性能和壽命均滿足技術(shù)指標，達到工程應(yīng)用要求。

4.1設(shè)計鑒定試驗

旋轉(zhuǎn)閥按照技術(shù)文件要求完成了全部設(shè)計鑒定試驗內(nèi)容。試驗項目包括：閥芯行程檢查、液壓強度試驗、工作壓力1.0～4.0 MPa下的氣密性檢查、流量流阻特性試驗、動作壽命試驗（動作脈沖頻率為10～200 Hz）等。

試驗中旋轉(zhuǎn)閥工作正常，產(chǎn)品性能均滿足技術(shù)文件指標要求，具體見表3。

表3　旋轉(zhuǎn)閥設(shè)計鑒定試驗結(jié)果Tab.3　Design authentication and test results of rotary valve

4.2熱試車考核情況

旋轉(zhuǎn)閥先后參加了脈沖爆震發(fā)動機試樣階段共計105次地面高頻脈沖點火試車（圖5）。采用編碼器、解碼器和計算機組成點火控制系統(tǒng)，以汽油為燃料，氧氣與氮氣的混合氣體(各占50%)為氧化劑，氮氣作為隔離氣。進行了基于旋轉(zhuǎn)閥的點火試車實驗研究，驗證了其應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動機的可行性，實現(xiàn)了工作頻率2～200 Hz的穩(wěn)定運行試車（見圖6）。在旋轉(zhuǎn)閥的高頻控制下，脈沖爆震發(fā)動機均可實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)和充分發(fā)展的爆震波輸出，爆震波速為1 750～2 800 m/s，達到了C-J波速的80%～97%。

試車中，旋轉(zhuǎn)閥工作正常，響應(yīng)頻率滿足試車控制要求。

圖5　脈沖爆震發(fā)動機試車點火現(xiàn)場照片及爆震管紅外照片F(xiàn)ig.5　Picture of fire test of pulse detonation engine and infrared photograph of detonation tube

圖6　脈沖爆震發(fā)動機試車爆震管內(nèi)壓力高頻響應(yīng)曲線Fig.6　Curves of pressure high-frequency response inside detonation tube in pulse detonation engine fire test

5　結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)閥是為新型脈沖爆震發(fā)動機技術(shù)攻關(guān)配套研制的一種閥門產(chǎn)品，用于解決脈沖爆震發(fā)動機實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、充分發(fā)展爆震波而必須進行的推進劑供應(yīng)高頻間歇式控制的難題。通過旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，順利完成了設(shè)計鑒定試驗項目，實現(xiàn)了最高頻率200 Hz的脈沖爆震點火控制效果，后續(xù)將同脈沖爆震發(fā)動機一起重點研究工程應(yīng)用課題，完成飛行演示驗證。

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（編輯：陳紅霞）

Technology research of rotary valve for pulse detonation engine

SUN Liang,BAI Shaoqing,LUO Daliang
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

In order to resolve the difficult problem of pulse detonation engine's steady and continuous burn ofthe fuel which is supplied intermittently,the technologyresearch ofrotaryvalve was developed.The motor axle's rotary motion is transformed to linear on-off motion of the valve core based on the design of a special structure in which the servo motor is adopted to drive two-order cam. The rotational frequency of the motor is enlarged by two-order cam simultaneously to realize the control of high frequency of 200 Hz.The key technology problems of high-frequency response, long-life drive and oxygen safetywere resolved.The rotaryvalve's performance test and the ground fire test at different operation frequencies were carried out.The results show that the rotary valve can improve the frequency response more efficiently in comparison with the traditional solenoid valve,and satisfy the requirement of engineering application.Steady and continuous output of the detonation wave was realized.

pulse detonation engine;rotary valve;high-frequency control

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0041-06

2016-05-30；

2016-07-05

孫亮（1978—），男，碩士，高級工程師，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機閥門設(shè)計與研發(fā)