一種用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統及其控制方法與流程
2023-06-09 07:50:46
本發明涉及火箭發射技術領域，更為具體來說，本發明為一種用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統及其控制方法。
背景技術：
在火箭發射過程中，高溫、高速、高凝相燃氣流往往會對發射設備、發射設施以及火箭本體產生嚴重的燒蝕，並同時產生了高聲強噪聲問題。為解決這些問題，火箭發射技術領域發展了噴水降溫降噪新技術。該技術的實質是在火箭起飛的過程中利用一套噴水系統向預定區域噴水，利用冷水介質與高溫、高速燃氣流混合進行能量交換和動量交換，降低火箭發射燃氣流的動量和能量，從而達到降低火箭發射時的燃氣流燒蝕強度及噪聲強度。
火箭發射過程是一個典型的瞬時事件，火箭發射燃氣流影響發射支持系統以及發射設施的瞬時時間一般不超過十秒，由此決定開發的噴水降溫降噪系統必須具有快速響應功能。一般來說，噴水降溫降噪系統快速響應功能依賴噴水閥門的響應速度與發射場水流供應條件，在發射場水流供應條件滿足的情況下，噴水閥門的響應速度便成為了重中之重。
雖然現有用於噴水的閥門有時也能滿足響應速度要求，但在火箭發射這種特殊的條件下，對整個噴水系統的要求變得非常高，特別是對可靠性和魯棒性的要求，常規的方案經常出現閥門失效、噴水延遲等問題，因而常規的方案無法保證閥門開閉的可靠性，從而導致火箭發射噴水降溫降噪功能大打折扣，對發射設施、發射設備、及火箭本體造成了嚴重的傷害，甚至會導致火箭發射失敗。
因此，在發射場水流供應條件滿足的條件下，如何提高用於火箭發射噴水的閥門的可靠性成為了本領域技術人員亟待解決的技術問題和始終研究的重點。
技術實現要素：
為解決常規的用於火箭發射噴水的蝶閥存在可靠性低等問題，本發明創新地提供了一種用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統及其控制方法，通過對驅動蝶閥的氣動裝置的冗餘控制，解決現有的用於火箭發射噴水的蝶閥可靠性低的問題，實現用於火箭發射噴水的蝶閥有效、可靠地動作，從而提高了用於火箭發射噴水的蝶閥工作的可靠性和穩定性，進而提高了整個火箭發射噴水系統工作的可靠性。
為實現上述的技術目的，本發明公開了一種用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統，所述蝶閥氣動冗餘系統包括氣罐、第一電磁閥組、第二電磁閥組、第一單向閥、第一流量調節閥、第二單向閥、第二流量調節閥、氣動裝置及蝶閥；所述氣罐、第一電磁閥組、第一單向閥、氣動裝置依次連接，形成正常狀態供氣通路；所述氣罐、第二電磁閥組、第二單向閥、氣動裝置依次連接，形成故障狀態供氣通路；所述第一電磁閥組包括串聯的三位四通電磁閥a和三位四通電磁閥b，所述第二電磁閥組包括三位四通電磁閥c；所述第一流量調節閥與所述第一單向閥並聯，所述第二流量調節閥與所述第二單向閥並聯，所述氣罐具有進氣口，所述氣動裝置連接所述蝶閥；所述蝶閥氣動冗餘系統還包括用於控制所述三位四通電磁閥a、三位四通電磁閥b、三位四通電磁閥c及氣動裝置開啟或關閉的控制器。
本發明創新地為驅動蝶閥的氣動裝置提供了兩條供氣通路，一般情況下通過正常狀態供氣通路供氣，在正常狀態供氣通路發生問題時，通過故障狀態供氣通路供氣，實現「有備無患」地驅動氣動裝置，保證蝶閥的響應速度，從而提高了蝶閥工作的可靠性，且為火箭的成功發射提供了有效支持。
進一步地，所述蝶閥氣動冗餘系統還包括組合過濾器，所述組合過濾器同時與第一電磁閥組、第二電磁閥組連接。
進一步地，所述組合過濾器同時與三位四通電磁閥a、三位四通電磁閥c連接。
為提高整個氣動冗餘系統的可靠性和穩定性，本發明通過組合過濾器實現對整個蝶閥氣動冗餘系統的放氣、收油，從而達到避免腐蝕、消音等技術目的。
進一步地，所述三位四通電磁閥a為帶手動功能電磁閥。
進一步地，所述氣動裝置為雙作用氣動裝置、具有兩個入口，所述兩個進氣口分別與第一單向閥、第二單向閥連通。
本發明的另一個發明目的在於提供一種用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統的控制方法，該控制方法包括如下步驟，
s1，令三位四通電磁閥a保持關閉狀態，令三位四通電磁閥b保持開啟狀態，令三位四通電磁閥c保持關閉狀態；
s2，檢測所述三位四通電磁閥a是否處於正常的工作狀態，如果是，則執行步驟s3，如果否，則執行步驟s4；
s3，控制三位四通電磁閥a換位至相應的開通位置，三位四通電磁閥a開啟，通過正常狀態供氣通路為氣動裝置供氣；
s4，通過故障狀態供氣通路為氣動裝置供氣。
本發明創新地為驅動蝶閥的氣動裝置提供了兩條供氣通路，一般情況下通過正常狀態供氣通路供氣，在正常狀態供氣通路發生問題時，通過故障狀態供氣通路供氣，實現「有備無患」地驅動氣動裝置，保證蝶閥的響應速度，從而提高了蝶閥工作的可靠性，且為火箭的成功發射提供了有效支持。
進一步地，步驟s4包括如下步驟，
s41，判斷三位四通電磁閥a的工作故障模式：如果工作故障模式為「三位四通電磁閥a動作不響應」，則執行步驟s42；如果工作故障模式為「三位四通電磁閥a漏氣」，則執行步驟s43；
s42，向三位四通電磁閥a發出放棄動作指令，同時向三位四通電磁閥c發出打開動作指令；
s43，向三位四通電磁閥b發出關閉動作指令，同時向三位四通電磁閥c發出打開動作指令。
本發明可以針對三位四通電磁閥具體的故障原因而自動發出合適的控制指令，避免由於三位四通電磁閥故障而影響整個噴水工作，實現有效、快速、合理地切換供氣通路，保證蝶閥更為可靠和穩定的工作，從而滿足火箭發射噴水降溫降噪的要求。
進一步地，步驟s2中，通過向三位四通電磁閥a發送開啟或關閉指令並且接收反饋信號的方式檢測所述三位四通電磁閥a是否處於正常的工作狀態。
進一步地，所述三位四通電磁閥a、三位四通電磁閥b、三位四通電磁閥c的動作響應時間均處於毫秒數量級。
進一步地，上述的步驟分別執行於發射試驗前的自檢過程中、發射試驗過程中及實際發射過程中。
本發明的有益效果為：本發明創新地開發了電磁閥的有效組合與冗餘控制方案，提供了為蝶閥供氣的正常狀態供氣通路和故障狀態供氣通路，保證蝶閥及時的響應，從而大大地提高了用於火箭發射噴水的蝶閥動作的可靠性。
附圖說明
圖1為用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統結構示意圖。
圖2為用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統的控制方法簡易流程示意圖。
圖3為用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統的控制方法詳細流程示意圖。
圖中，
1、蝶閥；2、氣動裝置；31、第一單向閥；32、第二單向閥；41、第一流量調節閥；42、第二流量調節閥；51、三位四通電磁閥b；52、三位四通電磁閥a；53、三位四通電磁閥c；6、氣罐；7、進氣口；8、組合過濾器。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明的用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統及其控制方法進行詳細的解釋和說明。
如圖1、2所示，針對現有用於火箭發射噴水的蝶閥1動作可靠性低的薄弱環節，而單個電磁閥會影響整個火箭發射噴水系統工作的可靠性，本發明公開了一種用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統，該系統創新地採用了用於匹配雙作用氣動裝置的三個三位四通電磁閥，上述雙作用氣動裝置用於驅動蝶閥1。
具體來說，該蝶閥氣動冗餘系統包括氣罐6、第一電磁閥組、第二電磁閥組、第一單向閥31、第一流量調節閥41、第二單向閥32、第二流量調節閥42、氣動裝置2及蝶閥1；氣罐6、第一電磁閥組、第一單向閥31、氣動裝置2依次連接，形成正常狀態供氣通路，如圖1中實線形成的通路所示；氣罐6、第二電磁閥組、第二單向閥32、氣動裝置2依次連接，形成故障狀態供氣通路，如圖1中虛線形成的通路所示；第一電磁閥組包括串聯的三位四通電磁閥a52和三位四通電磁閥b51，該第一電磁閥組為正常狀態工作組，第二電磁閥組包括三位四通電磁閥c53，該第二電磁閥組為故障狀態工作組，本實施例中，三位四通電磁閥a52為帶手動功能電磁閥；正常狀態供氣通路中還包括第一流量調節閥41，第一流量調節閥41與第一單向閥31並聯，故障狀態供氣通路中還包括第二流量調節閥42，第二流量調節閥42與第二單向閥32並聯，氣罐6具有用於充氣的進氣口7，氣動裝置2連接蝶閥1、驅動蝶閥1動作，本實施例中，氣動裝置2為雙作用氣動裝置、具有兩個入口，兩個進氣口7分別與第一單向閥31、第二單向閥32連通；蝶閥氣動冗餘系統還包括用於控制三位四通電磁閥a52、三位四通電磁閥b51、三位四通電磁閥c53及氣動裝置2開啟或關閉的控制器。上述的蝶閥氣動冗餘系統還包括組合過濾器8，組合過濾器8同時與第一電磁閥組、第二電磁閥組連接，具體來說，組合過濾器8同時與三位四通電磁閥a52、三位四通電磁閥c53連接。
在安裝上述蝶閥氣動冗餘系統時，正常狀態工作組中一個三位四通電磁閥處於常開狀態，一個三位四通電磁閥處於常關狀態，本實施例中，處於常開狀態的三位四通電磁閥為三位四通電磁閥b51，處於常關狀態的三位四通電磁閥為三位四通電磁閥a52；故障狀態工作組中的一個三位四通電磁閥處於常關狀態，本實施例中，處於常關狀態的三位四通電磁閥為三位四通電磁閥c53。在火箭發射試驗前確認三個三位四通電磁閥處於正常工作狀態，整個噴水氣動控制系統工作狀態正常；在需要噴水的過程中，上述的三個三位四通電磁閥根據需要進行相應的動作。
如圖1、2、3所示，本發明還公開了一種用於火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統的控制方法，該控制方法用於對上述的火箭發射噴水的蝶閥氣動冗餘系統進行控制，該控制方法包括如下步驟。
s1，上述的蝶閥氣動冗餘系統安裝完成後，初始狀態下，令三位四通電磁閥a52保持關閉狀態，令三位四通電磁閥b51保持開啟狀態，令三位四通電磁閥c53保持關閉狀態。
s2，檢測三位四通電磁閥a52是否處於正常的工作狀態，如果是，則執行步驟s3，如果否，則執行步驟s4；本實施例中，通過向三位四通電磁閥a52發送開啟或關閉指令並且接收反饋信號的方式檢測三位四通電磁閥a52是否處於正常的工作狀態。比如，在火箭發射試驗過程中，首先對正常狀態工作組中的三位四通電磁閥a52發出用於噴水的蝶閥1開啟或關閉命令，如果檢測信號持續反饋三位四通電磁閥工作狀態正常，則執行步驟s3。
s3，控制三位四通電磁閥a52換位至相應的開通位置，三位四通電磁閥a52開啟，通過正常狀態供氣通路為氣動裝置2供氣。本實施例為打開雙作用啟動裝置供氣通路，由雙作用氣動裝置正常驅動蝶閥1開啟或關閉動作。
s4，通過故障狀態供氣通路為氣動裝置2供氣。具體來說，正常狀態工作組存在兩種典型的工作故障模式，如圖3所示，步驟s4具體地包括如下步驟：
s41，判斷三位四通電磁閥a52的工作故障模式：如果工作故障模式為「三位四通電磁閥a52動作不響應」，即正常工作組中常閉三位四通電磁閥不能換位打通驅動氣動裝置2動作的供氣通路，則執行步驟s42；如果工作故障模式為「三位四通電磁閥a52漏氣」，即正常工作組中常閉三位四通電磁閥關鍵部位漏氣或閥位切換不到位造成竄氣，則執行步驟s43；上述的兩種故障模式檢測均可通過檢測信號向控制器(電控系統終端)反饋為故障模式。
s42，控制器迅速向三位四通電磁閥a52發出放棄動作指令，同時向三位四通電磁閥c53發出打開動作指令，由故障狀態組中的常閉的三位四通電磁閥(即三位四通電磁閥c53)發揮熱備冗餘功能，執行換位動作，打開雙作用氣動裝置所需的供氣通路。
s43，控制器迅速向三位四通電磁閥b51發出關閉動作指令，同時向三位四通電磁閥c53發出打開動作指令，故障狀態組中的常閉的三位四通電磁閥(即三位四通電磁閥c53)發揮熱備冗餘功能，執行換位動作，打開雙作用氣動裝置所需的供氣通路。
需要說明的是，為適應火箭發射噴水的實時性要求，上述的三位四通電磁閥a52、三位四通電磁閥b51、三位四通電磁閥c53的動作響應時間均處於毫秒數量級，各個三位四通電磁閥動作響應時間為幾十或幾百毫秒，從而保證了故障模式信號反饋及電磁閥動作響應時間相對蝶閥1動作時間(秒級)均很短，從而實現故障模式下本發明的蝶閥1氣動冗餘控制方案具體應對措施快速、有效，能夠適時打開上述的雙作用氣動裝置所需的供氣通路，從而進一步提高蝶閥1動作的可靠性。本發明採用三位四通電磁閥替代常規的兩位兩通電磁閥和兩位三通電磁閥，徹底解決了常規的兩位兩通電磁閥和兩位三通電磁閥難以匹配實現冗餘控制的技術難題。另外，上述的步驟分別執行於發射試驗前的自檢過程中、發射試驗過程中及實際發射過程中，比如，在發射試驗前，通過蝶閥氣動冗餘系統進行必要的自檢工作，從而確認電磁閥、氣動裝置2、蝶閥1等元器件處於正常狀態，從而排除了各元器件底端或低級故障模式，初步保證了發射試驗過程中噴水控制系統工作的可靠性。最後，需強調的是，本發明可具有通用性，在本發明的技術啟示下，其他需要冗餘的情況也可採用和借鑑。
此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本說明書描述中，參考術語「本實施例中」、「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明實質內容上所作的任何修改、等同替換和簡單改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。