新型軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)采用往復(fù)活塞泵對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行增壓輸送，可提高空間液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)性能，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。通過AMESim 軟件建立軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)活塞泵模型，對(duì)該模型的建立過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并且進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。結(jié)果表明，受氣體壓縮性的影響，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)存在停頓現(xiàn)象，適當(dāng)調(diào)整液缸內(nèi)彈簧的彈性系數(shù)和液缸、氣缸直徑可以在保持流量不變的前提下有效提高輸出流量的穩(wěn)定性。

　　軌/姿控推進(jìn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類航天器和導(dǎo)彈武器，其主要作用是為航天器飛行過程中變軌和姿態(tài)控制提供控制力和控制力矩。現(xiàn)有的擠壓式推進(jìn)劑輸送方式需要采用高壓貯箱和氣瓶，已無法滿足新型航天器安裝空間小、質(zhì)量輕的要求。美國的勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室，研究利用小型的往復(fù)活塞泵對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行增壓輸送，可獲得高于入口10～15倍的壓力，使得推進(jìn)劑可低壓存儲(chǔ)，有效地減輕了系統(tǒng)質(zhì)量。

　　針對(duì)通過反復(fù)的樣品試制和試驗(yàn)來分析軌/姿控推進(jìn)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的方法，提出基于AMESim仿真平臺(tái)，建立軌/姿控推進(jìn)系統(tǒng)用往復(fù)式活塞泵模型，并對(duì)往復(fù)泵工作過程進(jìn)行數(shù)值仿真，得到往復(fù)泵出口流量特性及活塞運(yùn)動(dòng)過程對(duì)其性能的影響，可有效降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。

1、往復(fù)泵的工作原理與建模

　　1.1、往復(fù)活塞泵的原理

　　作為自增壓式軌/姿控推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，往復(fù)式活塞泵的原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示。往復(fù)泵主要由A，B，C，D　4組對(duì)稱分布的增壓缸、換向閥、行程閥和管路組成，其中液缸內(nèi)安裝有彈簧組件。當(dāng)系統(tǒng)向往復(fù)泵持續(xù)供應(yīng)燃?xì)鈺r(shí)，若燃?xì)馔苿?dòng)活塞A，C向里運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入排液沖程，輸出高壓推進(jìn)劑，此時(shí)行程閥C向換向閥B，D輸入控制氣，使氣缸B，D排氣，在泵入口推進(jìn)劑自身壓力下進(jìn)行推進(jìn)劑充填。

　　當(dāng)活塞C運(yùn)動(dòng)一段行程后，行程閥C切斷控制氣輸出，換向閥B，D換位，氣缸B，D充氣，活塞B，D向里運(yùn)動(dòng)，同時(shí)行程閥B向換向閥A，C輸入控制氣，使氣缸A，C排氣，進(jìn)入充液沖程。4個(gè)腔推進(jìn)劑兩兩交替泄出和充填，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的推進(jìn)劑供應(yīng)。

圖1　往復(fù)泵原理及結(jié)構(gòu)

　　1.2、往復(fù)活塞泵建模

　　1.2.1、液、氣缸的數(shù)學(xué)模型

　　由往復(fù)泵工作原理可知，理論上液缸和氣缸之間沒有物質(zhì)的交換，若考慮可壓縮性，液、氣缸均可按活塞缸建立數(shù)學(xué)模型，其中液缸腔體內(nèi)置一彈簧。以下為流量壓強(qiáng)方程及受力方程。a.流量壓強(qiáng)方程。忽略活塞處密封的泄露，可以得到如下一組方程，液缸流入V 腔的流量為：

Qz=vA

　　Qz為活塞腔的流量；v為活塞運(yùn)動(dòng)速度；A 為V腔活塞有效面積。氣動(dòng)分析中，經(jīng)常將氣流所通過的氣動(dòng)元件抽象成一個(gè)收縮噴嘴或節(jié)流小孔來計(jì)算。氣缸流入流出V 腔的流量為：

　　q為氣體通過小孔的流量；S 為小孔有效截面積；T 為小孔上游氣體的溫度；pu為小孔上游的氣體壓強(qiáng)；pd為小孔下游的氣體壓強(qiáng)；R 為氣體常數(shù)；k為絕熱指數(shù)。

結(jié)束語

　　分析往復(fù)式活塞泵原理及結(jié)構(gòu)，利用AMESim軟件建立往復(fù)泵模型，并模擬不同彈簧剛度對(duì)泵的性能的影響。由仿真結(jié)果可知，氣體的壓縮性是影響活塞協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的主要因素，通過向液缸設(shè)置彈簧并適當(dāng)調(diào)整彈簧剛度能夠有效地提高系統(tǒng)性能，增加輸出流量的穩(wěn)定性。若適當(dāng)增加液缸、氣缸的直徑，可在提高流量穩(wěn)定性的同時(shí)保持輸出流量不變。