張曉東，陳 健，唐妹芳，馬海濤

（上?？臻g推進研究所，上海201112）

0 引言

電爆閥是液體火箭推進分系統(tǒng)的重要組件之一，因為其一次性工作的特點，整閥可以設計的很輕巧，這使得電爆閥比同等功用的其他種類閥門要輕，并且在動作前后可以得到良好的密封效果。由于電爆閥具有體積小、重量輕、結構簡單、動作迅速等優(yōu)點，常應用于系統(tǒng)管路中。

隨著宇航推進分系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對電爆閥的產(chǎn)品研制要求不斷提升，其中最主要的方面體現(xiàn)在：①系統(tǒng)工作條件惡劣，在較高的壓力下工作，并且工作介質(zhì)通常是易燃、易爆或者是腐蝕性介質(zhì)，要求電爆閥具有高安全性和可靠性；②系統(tǒng)工作介質(zhì)流量大,要求電爆閥是具備大通徑的產(chǎn)品。

因此，傳統(tǒng)的電爆閥結構能否適應新系統(tǒng)的要求，能否有更為合理的結構應用于新系統(tǒng)是電爆閥研制面臨的課題。

1 新型電爆閥的需求提出

某空間飛行器要求在系統(tǒng)管路中使用一種大通徑的閥門，能在閥門動作前保證易燃推進劑管路開啟，動作后有效關閉推進劑管路。由于整個系統(tǒng)結構緊湊，所以要求該閥門不但質(zhì)量要輕，也不能引出多余管路等，可實現(xiàn)此種功能的自鎖閥由于質(zhì)量大，先導閥由于管路復雜等限制不能適用，故考慮研制一種常開電爆閥，以滿足系統(tǒng)要求。

根據(jù)空間飛行器以及其工作環(huán)境的特點，新型電爆閥必須具有如下特點：①滿足在易燃易爆的液體推進劑中可靠工作；②具有較大的通徑，流阻小；③具有良好的電爆前、后密封性。

常開電爆閥一般分為直接作用式和間接作用式兩類。直接作用式電爆閥依靠電爆燃氣直接推動閥芯截斷流道，閥芯越大，所需要的電爆能量越大。直接作用式電爆閥一般為閘板式和柱塞式兩種結構。由于結構的限制，閘板式結構多用于小通徑閥門，柱塞式結構多用于中、小通徑的閥門。

由于柱塞式電爆閥結構加工裝配較為方便，故常開電爆閥的研制方案首先考慮了直接作用柱塞式常開電爆閥，但在經(jīng)過摸底試驗后發(fā)現(xiàn)，柱塞式常開電爆閥工作時，會對管路產(chǎn)生很大的水擊，并且柱塞在關閉時刻的硬密封會產(chǎn)生撞擊摩擦，如撞擊摩擦產(chǎn)生足夠高的溫度，在易燃易爆推進劑中會發(fā)生爆炸，存在安全隱患。

因此，需研制一種結構輕巧、大口徑并且適用于易燃易爆推進劑液路工作的新結構常開電爆閥。

2 新型電爆閥方案

2.1 方案的設計要點

根據(jù)前期的研制經(jīng)驗，新結構的常開電爆閥需要滿足以下設計要求：①工作介質(zhì)為易燃易爆介質(zhì)，應避免火藥燃氣與介質(zhì)有接觸；②應避免閥門關閉時，系統(tǒng)管路出現(xiàn)較大的水擊；③應避免金屬零件互相強烈撞擊和摩擦出現(xiàn)。

2.2 方案的借鑒

先期的試驗說明直接作用式結構已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求，須研制一種間接作用式方案閥門。國內(nèi)外資料公開的間接作用式結構方案，多采用的是電爆燃氣拔銷結構，即利用電爆燃氣將定位閥芯的銷子拔出，此類拔銷裝置如圖1所示。

圖1 燃氣拔銷裝置Fig.1 Pull pin device for gas

此類結構的優(yōu)點是：閥門可以滿足大通徑的要求。動作時產(chǎn)生水擊較小，避免了撞擊摩擦；但也具有一些缺點，如：燃氣與推進劑的隔離僅是通過設置在銷子上的幾道密封圈隔離；銷子前后端要存在面積差；需要設置固定銷子切破部位或彈簧，結構較復雜。另外，如閥門工作之前萬一管路有較強水擊壓力，超過銷子初始位置的限位力，會導致閥門提前動作關閉。但其拔銷解鎖的機構原理可以作為新結構產(chǎn)品的借鑒。

2.3 方案的實現(xiàn)

參考上述的拔銷原理，在作動銷子方式上進行改進，設計了一種新的常開電爆閥結構方案，不但動作水擊小、無撞擊摩擦，同時也能滿足使燃氣遠離工作介質(zhì)，閥門有抗大水擊的能力。

圖2給出了這種新結構常開電爆閥的原理結構圖，從原理結構圖上分析，新結構常開電爆閥的特點在于：

1)銷子結構簡單，無彈簧定位或特定薄弱點設計，電爆前銷子由解鎖活塞鎖定，因此不存在工作前萬一管路大水擊下的失效問題；

2)與推進劑接觸的銷子零件一端為易燃易爆工作介質(zhì)，一端為一隔離腔；電爆后電爆燃氣被密封在解鎖活塞零件的上方，電爆燃氣遠離易燃易爆推進劑，因此燃氣與介質(zhì)能有效隔離；

3)電爆后推進劑介質(zhì)本身的工作壓力驅(qū)動銷子一端進入解鎖活塞的中孔中，另一端脫離閥芯，閥芯隨即解鎖，在彈簧力作用下關閉，閥芯解鎖不需要電爆燃氣直接驅(qū)動銷子；

4)閥門關閉時，閥芯與閥座是“軟”對“硬”接觸，根除了易燃易爆推進劑介質(zhì)中金屬結構間“硬”對“硬”撞擊摩擦產(chǎn)生高溫而引起的安全隱患。

圖2 電爆閥結構圖Fig.2 Pyrovalve structure

3 仿真計算

閥門流道存在直角拐彎，并且閥芯可能會阻擋部分流道，為滿足系統(tǒng)的適用要求，需對流阻進行評估。系統(tǒng)要求在額定水當量1.9 kg/s下，流阻不能大于0.10 MPa。

圖3 流道模型Fig.3 Model of flow channel

如圖3所示，通過Pro/E三維制圖建模形成流道模型，然后利用CFdesign軟件，輸入設計參數(shù)，利用仿真軟件進行流阻的計算，再根據(jù)計算值不斷改進閥芯處的結構尺寸，最終得到滿足系統(tǒng)要求的閥體內(nèi)部結構尺寸。

圖4為流道中心剖面的壓力分布情況?？梢娏髯枳畲鬄?.089 MPa，滿足不大于0.1 MPa流阻（額定流量）的需求。

根據(jù)圖4、圖5流道中心剖面的壓力和速度分布情況，可見推進劑在閥芯周邊的運速度基本為0，此處的壓力最大也基本穩(wěn)定，此處安裝的銷子零件將承受穩(wěn)定的液壓推力。

圖4 閥內(nèi)流道壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution in flow channel inside pyrovalve

圖5 閥內(nèi)流道速度分布圖Fig.5 Velocity distribution in flow channel inside pyrovalve

4 試驗情況

根據(jù)新方案和理論計算確定最終尺寸生產(chǎn)出的電爆閥外貌如圖6所示。該閥門進行了多次系統(tǒng)狀態(tài)的推進劑電爆試驗，試驗過程中均無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，閥門有效關閉流道，根除了直接作用柱塞式結構關閉時刻撞擊摩擦所導致的爆燃問題。

圖7(a)為前期試制的柱塞式閥門動作時產(chǎn)生的水擊波動曲線，圖7(b)給出了試驗期間管路壓力的波動曲線?？梢娦陆Y構閥門關閉時產(chǎn)生的水擊小很多。

圖6 閥門外形圖Fig.6 Photo of pyrovalve

圖7 水擊壓力曲線對比圖Fig.7 Contrast of water hammer pressure curves

對試驗后的產(chǎn)品進行密封性檢查，密封性能達到了系統(tǒng)要求壓力下的1×10－6Pa·m3/s量級。

5 結束語

作為系統(tǒng)級閥門組件，電爆閥的結構和工作原理雖然簡單，但其工作瞬間會涉及到火工品爆炸、電爆燃氣密封、金屬受沖擊和變形等多方面的因素，因此，在更改工作條件后，能否繼續(xù)選用現(xiàn)有的結構產(chǎn)品需要仔細分析其適應性。

新結構的電爆閥由于其燃氣與介質(zhì)能有效隔離，工作產(chǎn)生水擊小，關閉時刻推進劑流道中閥芯和閥座之間不存在金屬間撞擊和摩擦，可適用于大多數(shù)的易燃易爆介質(zhì)的工作環(huán)境。

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