一种姿控系统流量调节机构、自适应调节装置及调节方法与流程

1.本发明涉及姿控系统流量及混合比控制技术领域，具体涉及一种姿控系统流量调节机构、自适应调节装置及调节方法。


背景技术：

2.火箭上面级姿态控制大部分是由双组元姿控动力系统完成。双组元姿控动力系统包含推进剂供应部分、管路部分和推力器部分。其中推进剂供应部分以一定比例r1携带两种推进剂(氧化剂、燃料)，而推力器部分则以一定比例r2消耗推进剂。如r1与r2完全相等，则实际可用推进剂量最大；如r1与r2不等，则可能出现某种推进剂先消耗完，另一种推进剂还存在剩余，此时推力器已无法按照既定设计产生所需推力，即姿控系统已失去功能。
3.实际使用时，推进剂供应部分的氧化剂、燃料携带量m1和比例r1，可以由地面加注系统精确控制。而推力器部分推进剂消耗量m2和比例r2，则同时受上游供应系统、管路流阻、管路分支、推力器自身流阻、系统使用工况(长程、脉冲、大流量小流量切换等)影响，关连因素多，且由于部分产品为一次性使用产品，无法通过测试获取真实推进剂下的姿控系统流阻特性，导致m2、r2必然与m1、r1存在一定偏差。
4.由于姿控动力系统使用环境恶劣、调节要求精度高、响应快、流量变化范围广等特点，内置流量计等方案早已被证实无法实现。当前解决此问题的主流方案如下：通过工艺一致性控制推进剂供应贮箱流阻特性，使其散差在某一范围内；在管路部分、推力器部分设置流阻调节孔板，使用水模拟真实推进剂，通过液流试验获取当前产品流阻特性，再通过固定孔板调节至某固定流阻，使其在一定范围内实现流量控制。
5.由于供应部分散差无法消除，水试特性与推进剂特性存在差异，仅依靠经验系数存在一定风险，且系统使用工况(长程、脉冲、大流量小流量切换等)变化也会导致流量偏差。以上诸多因素决定推进剂消耗m2、r2与推进剂供应m1、r1存在偏差。
6.假设推进剂需求量m2为530kg，设计混合比1.65(氧化剂330kg，燃料200kg)，调节混合比r1为(1.65
±
0.1)。则为保证推进剂需求量满足要求，则推进剂加注量m1需达到562kg，混合比r1为1.65，比实际需求增加32kg重量，由此带来系统结构增重、运载能力损耗等，同时，此方案存在不可测试风险。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种姿控系统流量调节机构、自适应调节装置及调节方法，能够解决现有技术中上游供应部分散差无法消除，水试特性与推进剂特性存在差异，仅依靠经验系数存在一定风险，且使用工况变化也会导致流量偏差的问题。
8.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
9.本发明提供一种姿控系统流量调节机构，包括：
10.依次连通的第一管道、调节管道和第二管道，所述第一管道靠近所述调节管道一
侧内设有椭圆形的第一出口，所述调节管道与所述第一管道的连通处设有与所述第一出口形状相同的调节入口；
11.作动器，其与所述调节管道连接，用于驱动所述调节管道转动，以调整所述调节入口与第一出口的相对位置。
12.在一些可选的方案中，所述第一管道的过流通道包括依次连通的圆形通道段和渐缩段，所述渐缩段一端与所述圆形通道段连接，另一端平滑渐缩至第一出口；
13.所述第二管道的过流通道为与所述圆形通道段直径相同的圆形流道；
14.调节管道的过流通道为渐扩孔，所述渐扩孔从调节入口平滑渐扩至所述圆形流道。
15.在一些可选的方案中，所述调节管道包括套设在所述第一管道端部的第一连接端，以及套设在所述第二管道端部的第二连接端，并且所述第一管道与第一连接端之间设有第一轴承，所述第二管道与第二连接端之间设有第二轴承。
16.在一些可选的方案中，所述第一连接端内设有第一台阶槽，所述第一台阶槽包括第一圆台槽和第二圆台槽，第一圆台槽的内径小于第二圆台槽的内径，所述第一圆台槽套设在所述第一管道上，所述第一轴承设在所述第二圆台槽与第一管道之间。
17.在一些可选的方案中，所述第一圆台槽与所述第一管道之间设有两道第一密封环。
18.在一些可选的方案中，所述第一管道的外壁设有突起，所述第二圆台槽的端面抵持在所述突起上，所述第一管道的端部抵持在所述第一圆台槽的底部。
19.在一些可选的方案中，所述第二连接端内设有第二台阶槽，所述第二台阶槽包括第三圆台槽和第四圆台槽，第三圆台槽的内径小于第四圆台槽的内径，所述第三圆台槽套设在所述第二管道上，所述第二轴承设在所述第四圆台槽与第二管道之间。
20.在一些可选的方案中，所述第三圆台槽与所述第二管道之间设有第二密封环。
21.另一方面，本发明还提供一种姿控系统流量自适应调节装置，包括：
22.两个上述的姿控系统流量调节机构，分别设置在两条管路上；
23.两个压差传感器，分别用于检测两个姿控系统流量调节机构入口与出口之间的压差；
24.控制器，其用于获取两个压差传感器的压差数据，并控制作动器驱动调节管道转动，以调整所述调节入口与第一出口的相对位置。
25.还有一方面，本发明还提供一种姿控系统流量自适应调节方法，利用上述的姿控系统流量自适应调节装置实施，包括以下步骤：
26.标定姿控系统流量调节机构关于调节入口与第一出口相对位置的压差和流量关系；
27.根据姿控系统流量调节机构上游的初始供应压强、以及下游的额定压强和所需流量，结合调节入口与第一出口相对位置的压差和流量关系，设定第一出口与调节入口的初始相对位置，并实时调节第一出口与调节入口使用时的相对位置。
28.与现有技术相比，本发明的优点在于：在使用该姿控系统流量自适应调节机构，若需要调节流过装置的流通流量时，通过作动器驱动调节管道转动以调整调节入口与第一出口的相对位置，由于第一出口和调节入口均为椭圆形结构，第一出口和调节入口在重合和
正交状态之间变化，管路流通面积即会发生变化，实现流量调节功能。第一出口和调节入口重合时，流通面积最大，推进剂流量最大，第一出口和调节入口正交时，流通面积最小，推进剂流量最小。流量调节过程作动器驱动调节管道转动角的度范围为0
°
～90
°
，以此调整整个机构的流通流量，采用两个椭圆形口正交或者重合的方式来调节流量，可实现对流量的小范围调节，并且调节时不会引起大范围的压力变化波动。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例中姿控系统流量调节机构的结构示意图；
31.图2为本发明实施例中姿控系统流量调节机构的三维示意图；
32.图3为本发明实施例中姿控系统流量调节机构的流通面积变化示意图；
33.图4为本发明实施例中第一管道的示意图；
34.图5为本发明实施例中调节管道的示意图。
35.图中：1、第一管道；11、圆形通道段；12、渐缩段；13、突起；2、第二管道；3、调节管道；4、作动器；5、第一轴承；6、第一密封环；7、第二轴承；8、第二密封环。
具体实施方式
36.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
38.如图1至图3所示，本发明提供一种姿控系统流量自适应调节机构，包括：第一管道1、第二管道2、调节管道3和作动器4。
39.第一管道1、调节管道3和第二管道2依次连通，第一管道1靠近调节管道3一侧内设有椭圆形的第一出口，调节管道3与第一管道1的连通处设有与第一出口形状相同的调节入口；作动器4与调节管道3连接，用于驱动调节管道3转动，以调整调节入口与第一出口的相对位置。
40.在使用该姿控系统流量自适应调节机构，若需要调节流过装置的流通流量时，通过作动器4驱动调节管道3转动以调整调节入口与第一出口的相对位置，由于第一出口和调节入口均为椭圆形结构，第一出口和调节入口在重合和正交状态之间变化，管路流通面积即会发生变化，实现流量调节功能。第一出口和调节入口重合时，流通面积最大，推进剂流量最大，第一出口和调节入口正交时，流通面积最小，推进剂流量最小。流量调节过程作动器4驱动调节管道3转动角的度范围为0
°
～90
°
，这样就可以调整整个机构的流通流量了，采用两个椭圆形口正交或者重合的方式来调节流量，可实现对流量的小范围调节，并且调节时不会引起大范围的压力变化波动。
41.如图4和图5所示，在一些可选的实施例中，第一管道1的过流通道包括依次连通的圆形通道段11和渐缩段12，渐缩段12一端与圆形通道段11连接，另一端平滑渐缩至第一出口；第二管道2的过流通道为与圆形通道段11直径相同的圆形流道；调节管道3的过流通道为渐扩孔，渐扩孔从调节入口平滑渐扩至圆形流道。
42.在本实施例中，将第一管道1的过流通道设计长包括依次连通的圆形通道段11和渐缩段12，圆形通道段11为截面为圆形的通道，渐缩段12一端与圆形通道段11连接，另一端平滑渐缩至第一出口，即相当于漏斗状，调节管道3的过流通道为渐扩孔，渐扩孔从调节入口平滑渐扩至圆形流道，即相当于喇叭口状。渐缩段12和调节管道3的渐扩孔均采用平滑过渡的方式，可降低流阻，并降低在转动调节管道3时，整个调节机构的流道前后的压差不会变化太大，方便对流量的精确控制。
43.再次参见图1和图2所示，在一些可选的实施例中，调节管道3包括套设在第一管道1端部的第一连接端，以及套设在第二管道2端部的第二连接端，并且第一管道1与第一连接端之间设有第一轴承5，第二管道2与第二连接端之间设有第二轴承7。
44.在本实施例中，通过在第一管道1与第一连接端之间设置第一轴承5，第二管道2与第二连接端之间设置第二轴承7，即可实现调节管道3与第一管道1和第二管道2的转动连接，以实现通过调节第一出口和调节入口的相对位置，来实现对整个机构过流流量的调节。
45.在一些可选的实施例中，第一连接端内设有第一台阶槽，第一台阶槽包括第一圆台槽和第二圆台槽，第一圆台槽的内径小于第二圆台槽的内径，第一圆台槽套设在第一管道1上，第一轴承5设在第二圆台槽与第一管道1之间。
46.在本实施例中，第二圆台槽位于第一圆台槽的外侧位置，第一圆台槽套设在第一管道1上，第一管道1的端部抵持在第一圆台槽的底部，第一轴承5设置在第二圆台槽与第一管道1之间，可实现第一管道1和调节管道3转动连接，并且看可通过第一圆台槽套设在第一管道1实现第一管道1和调节管道3的密封。
47.在一些可选的实施例中，第一圆台槽与第一管道1之间设有两道第一密封环6。
48.在本实施例中，第一管道1为整个机构的入口侧，即位于上游，压强较大，所以第一圆台槽与第一管道1之间设置两道第一密封环6，可增加密封效果。本例中，在第一管道1上两道第一密封环6的设置位置处对应设置密封槽，以安装第一密封环6。
49.在一些可选的实施例中，第一管道1的外壁设有突起13，第二圆台槽的端面抵持在突起13上，第一管道1的端部抵持在第一圆台槽的底部。
50.在本实施例中，将第一管道1的端部抵持在第一圆台槽的底部，第二圆台槽的端面抵持在突起13上，可限制第一管道1和调节管道3之间的相对位置。
51.另外，作动器4安装在第一管道1的外侧，并且可卡持在第二圆台槽的外侧，可进一步限制第一管道1和调节管道3之间的相对位置。
52.在一些可选的实施例中，第二连接端内设有第二台阶槽，第二台阶槽包括第三圆台槽和第四圆台槽，第三圆台槽的内径小于第四圆台槽的内径，第三圆台槽套设在第二管道2上，第二轴承7设在第四圆台槽与第二管道2之间。
53.在本实施中，第四圆台槽位于第三圆台槽的外侧位置，第三圆台槽套设在第二管道2上，第二管道2的端部抵持在第三圆台槽的底部，第二轴承7设置在第四圆台槽与第二管道2之间，可实现第二管道2和调节管道3转动连接，并且看可通过第三圆台槽套设在第二管
道2的外侧实现第二管道2和调节管道3的密封。
54.在一些可选的实施例中，第三圆台槽与第二管道2之间设有第二密封环8。
55.在本实施例中，第二管道2为整个机构的出口侧，即位于下游，压强较小，所以第三圆台槽与第二管道2之间设置一道第二密封环8，即可实现密封。本例中，在第二管道2上第二密封环8的设置位置处对应设置密封槽，以安装第二密封环8。
56.参见图1和图2所示，另一方面，本发明还提供一种姿控系统流量自适应调节装置，包括：两个上述姿控系统流量调节机构和两个压差传感器，以及控制器。
57.两个上述姿控系统流量调节机构分别设置在两条管路上；两个压差传感器，分别用于检测两个姿控系统流量调节机构入口与出口之间的压差；控制器，其用于获取两个压差传感器的压差数据，并控制作动器4驱动调节管道3转动，以调整所述调节入口与第一出口的相对位置。
58.在本例中，两个姿控系统流量调节机构分别设置在氧化剂和燃料的输送管道上，通过获取的两个压差传感器检测两个姿控系统流量调节机构入口与出口之间的压差，姿控系统流量调节机构入口与出口之间压差与流经的流量是呈对应的关系的，即通过压差反应流量，当氧化剂或者燃料的输送管道流量不满足设定值时，或者氧化剂和燃料的输送管道流量比例不满足设定值时，作动器4控制驱动调节管道3转动，以调整所述调节入口与第一出口的相对位置来调节流量，使氧化剂和燃料的输送管道流量满足设定值，以及氧化剂和燃料的输送管道流量比例满足设定值。
59.本例中，两个压差传感器用于检测两个姿控系统流量调节机构入口与出口之间的压差，每个压差传感器用来检测一个姿控系统流量调节机构入口与出口的压力差。
60.此外，本发明还提供一种姿控系统流量自适应调节方法，利用上述的姿控系统流量自适应调节装置实施，包括以下步骤：
61.标定姿控系统流量调节机构关于调节入口与第一出口相对位置的压差和流量关系。
62.根据姿控系统流量调节机构上游的初始供应压强、以及下游的额定压强和所需流量，结合调节入口与第一出口相对位置的压差和流量关系，设定第一出口与调节入口的初始相对位置，并实时调节第一出口与调节入口使用时的相对位置。
63.本例中，两个姿控系统流量调节机构分别设置在氧化剂和燃料的输送管道上，在两个姿控系统流量调节机构的下游均设有通断电磁阀。
64.当下游的通断电磁阀开启，氧化剂或燃料流经两个姿控系统流量调节机构时，两个压差传感器分别检测两个姿控系统流量调节机构入口与出口之间的压差，并将实时数值反馈至控制器，控制器对作动器4下达指令，作动器4带动调节管道3转动，调节管道3上椭圆形的调节入口与第一管道1上椭圆形的第一出口在重合和正交状态之间变化，管路流通面积发生变化，实现流量调节功能。两个部件的椭圆形通孔重合时，流通面积最大，推进剂流量最大，椭圆形通孔正交时，流通面积最小，推进剂流量最小。流量调节过程中作动器4控制调节管道3转动角度范围为0
°
～90
°
。
65.本例中，在标定姿控系统流量调节机构关于调节入口与第一出口相对位置的压差和流量关系时，通过标定，调节管道3上椭圆形的调节入口与第一管道1上椭圆形的第一出口之间的相对角度为0
°
、30
°
、60
°
和90
°
时的过流流量和两端压差，并通过插值，形成角度、
流量和压差的对应关系。
66.另外，将第一管道1的过流通道设计长包括依次连通的圆形通道段11和渐缩段12，圆形通道段11为截面为圆形的通道，渐缩段12一端与圆形通道段11连接，另一端平滑渐缩至第一出口，即相当于漏斗状，调节管道3的过流通道为渐扩孔，渐扩孔从调节入口平滑渐扩至圆形流道，即相当于喇叭口状。第一管道1和调节管道3之间所造成的压损变化会很小，流量的变化也很小，因此，角度、流量和压差的对应关系会十分平顺，以实现精准的流量控制。
67.考虑到姿控系统自身开、关时带来的水击效应及调节高精度、高响应需求，在自适应控制器中内置剔除算法，使其能够自动剔除无用数据，拾取有效数据，同时放大压差数值，例如，在通断时姿控系统流量调节机构的入口和出口压差较大，但是时间较短，可设定控制器在检测到压差传感器反馈的压差数据在超过设定时长时，和/或者压差小于设定值时，再控制调节管道3转动角度，使该装置能够在0.2s内完成调节动作，调节精度大于2％。
68.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
69.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
70.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。