СИСТЕМА УСТАНОВКИ МОМЕНТОВ ВРЕМЕНИ ОТКРЫТИЯ И ЗАКРЫТИЯ КЛАПАНОВ ДЛЯ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ
SYSTEM FOR SETTING THE TIMES OF OPENING AND CLOSURE OF VALVES FOR LIQUID ROCKETS

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение в общем относится к управлению клапанами, а более конкретно - к установке моментов времени открытия и закрытия клапанов и средствам управления для уменьшения длительности минимального бита импульса в жидкотопливной ракете.
Уровень техники
[0002] В ракетах на жидком топливе, а также других подобных системах используют клапаны и средства управления клапанами для управления потоком топлива в камеру сгорания, тем самым контролируя тягу, создаваемую камерой сгорания. Во время работы клапана наименьший период времени, в течение которого клапан поддерживается открытым, называется минимальным битом импульса (MIB, от англ. minimum impulse bit), при этом минимальный бит импульса диктует уровень детализации управления, которое может быть применено к потоку жидкости через клапан и, таким образом, уровень детализации средств управления тягой жидкотопливного ракетного двигателя.
[0003] Время минимального бита импульса любого заданного клапана может изменяться из-за отклонений в ответных реакциях открытия и закрытия клапана. Это отклонение зависит от большого количества факторов, включая возраст клапана, износ клапана, условия окружающей среды, в которой работает клапан, и тому подобное. Чтобы компенсировать отклонения и обеспечить последовательные предсказуемые средства управления, дискретные срабатывания клапана обычно выполняются чуть дольше, чем фактический минимальный бит импульса клапана.
Раскрытие сущности изобретения
[0004] В одном из примеров контроллер клапана включает в себя по меньшей мере один вход датчика тока, по меньшей мере один вход датчика напряжения, процессор и память, причем процессор подключен по меньшей мере к одному входу датчика тока и по меньшей мере к одному входу датчика напряжения, при этом контроллер клапана выполнен с возможностью определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса клапана на основании профиля тока и профиля напряжения одного срабатывания клапана, причем контроллер клапана выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса.
[0005] В другом примере раскрытого выше контроллера клапана фактический минимальный бит импульса коррелирован по меньшей мере с одним внешним фактором, при этом контроллер клапана выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса и по меньшей мере одного внешнего фактора.
[0006] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов внешним фактором является по меньшей мере одно из давления в двигателе и напряжения аккумуляторной батареи.
[0007] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов контроллер клапана выполнен с возможностью определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса по первоначальному срабатыванию клапана.
[0008] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов контроллер клапана дополнительно выполнен с возможностью периодического определения обновленного минимального бита импульса клапана.
[0009] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов контроллер клапана дополнительно выполнен с возможностью регулировки средств управления клапаном на основании последнего определенного обновленного минимального бита импульса клапана.
[0010] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов минимальный бит импульса частично обусловлен начальным временем открытия клапана, причем начальное время открытия клапана определяется как спад в возрастании профиля тока.
[0011] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов минимальный бит импульса частично обусловлен временем полного закрытия клапана, причем время полного закрытия клапана определяется как время между скачком напряжения и приведением к нулю управляющего тока клапана посредством контроллера клапана.
[0012] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов минимальный бит импульса частично обусловлен начальным временем открытия клапана, причем начальное время открытия клапана определяется как спад в возрастании профиля тока.
[0013] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов каждый из по меньшей мере одного датчика тока и по меньшей мере одного датчика напряжения подключены, с возможностью измерения, к линии передачи управляющих сигналов клапана.
[0014] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов линия передачи управляющих сигналов клапана с возможностью управления подключена к клапану жидкотопливного ракетного двигателя.
[0015] В другом примере любого из ранее описанных контроллеров клапанов клапан жидкотопливного ракетного двигателя выполнен с возможностью по меньшей мере частичного управления потоком жидкого топлива из топливного резервуара в камеру сгорания.
[0016] Один примерный способ определения минимального бита импульса клапана включает в себя отслеживание профиля тока и профиля напряжения управляющего сигнала клапана, определение начального времени открытия клапана как начало спада в нарастании тока, и определение времени полного закрытия клапана по скачку напряжения управляющего сигнала клапана, а также определение минимального бита импульса клапана как период времени от начального времени открытия клапана до времени полного закрытия клапана.
[0017] Другой пример приведенного выше способа включает в себя коррелирование минимального бита импульса клапана по меньшей мере с одним внешним фактором окружающей среды.
[0018] В другом примере любого из вышеуказанных способов по меньшей мере один внешний фактор окружающей среды включает в себя по меньшей мере одно из давления в двигателе и напряжения аккумуляторной батареи.
[0019] Другой пример любого из вышеперечисленных способов включает в себя периодическое повторение способа и обновление определяемого минимального бита импульса клапана при каждом повторении.
[0020] Жидкотопливный ракетный двигатель в соответствии с одним из примеров включает в себя камеру сгорания, резервуар жидкого топлива, соединенный с камерой сгорания посредством топливной линии и первого клапана, резервуар окислителя, соединенный с камерой сгорания посредством окислительной линии и второго клапана, контроллер клапана, выполненный с возможностью выдачи управляющего тока клапана на первый клапан, причем контроллер клапана хранит инструкции для определения по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса клапана на основании профиля тока и профиля напряжения одного срабатывания первого клапана, а также с возможностью регулировки средств управления клапаном с учетом по меньшей мере одного фактического минимального бита импульса.
[0021] Другой пример вышеописанного жидкотопливного ракетного двигателя включает в себя по меньшей мере один датчик тока, выполненный с возможностью измерения профиля тока управляющего тока клапана, и по меньшей мере один датчик напряжения, выполненный с возможностью измерения профиля напряжения управляющего тока клапана.
[0022] Эти и другие признаки настоящего изобретения могут быть лучше всего поняты из нижеследующего описания и чертежей, краткое описание которых следует ниже.
Краткое описание чертежей
[0023] На фиг.1 показан очень схематический пример жидкотопливного двигателя.
[0024] На фиг.2 схематично показана примерная система управления клапанами для применения в жидкотопливном ракетном двигателе по фиг.1.
[0025] На фиг.3 схематично показана схема установки моментов времени открытия и закрытия клапанов для системы управления клапанами 2.
[0026] На фиг.4 схематично показан процесс работы клапана с использованием экспериментальных данных установки моментов времени открытия и закрытия клапанов для определения минимального бита импульса конкретного клапана.
Осуществление изобретения
[0027] На фиг.1 схематично показан очень схематический пример жидкотопливного ракетного двигателя 10. Системы и средства управления двигателя 10, не связанные с настоящим изобретением, опущены и/или упрощены для целей объяснения, при этом практический жидкотопливный ракетный двигатель, реализующий концепции, раскрытые в настоящем документе, может включать в себя любое количество дополнительных конфигураций и систем, которые были бы необходимы для реализации практического примера. Жидкотопливный ракетный двигатель 10 включает в себя резервуар 20 жидкого топлива, резервуар окислителя 30 и камеру 40 сгорания. Резервуар 20 жидкого топлива соединен с камерой 40 сгорания посредством топливной линии 22, при этом потоком жидкого топлива в камеру 40 сгорания управляют с помощью клапана 24 для текучей среды. Аналогично, резервуар 30 окислителя соединен с камерой 40 сгорания посредством линии 32 подачи текучей среды, при этом потоком окислителя в камеру 40 сгорания управляют с помощью клапана 34 для текучей среды. Управление каждым из клапанов 24, 34 осуществляется посредством контроллера 50.
[0028] Внутри камеры 40 сгорания жидкое топливо и окислитель смешиваются и воспламеняются, а полученные продукты сгорания выталкиваются через сопло 42, создавая тягу. Величиной создаваемой тяги управляют посредством количества жидкого топлива, впрыскиваемого в камеру 40 сгорания. Из-за изменяющихся условий, таких как износ и условия окружающей среды, а также производственных отклонений от клапана к клапану, минимальный бит импульса клапана 24 может включать в себя отклонения и попадать в пределы допустимого диапазона. Для того, чтобы обеспечить максимально возможное дискретное управление, отклонения нужно минимизировать.
[0029] С учетом фиг.1, рассмотрим фиг.2, где схематически показана конфигурация 100 клапана, включающая в себя клапан 110 с электрическим управлением, который обеспечивает прохождение текучей среды 120 через клапан 110, когда клапан 110 открыт, и препятствует прохождению текучей среды 120, когда клапан 110 закрыт.Клапаном 110 управляют посредством токового сигнала 130. Токовый сигнал 130 исходит от формирователя 142 тока, являющегося частью контроллера 140. Датчик 132 напряжения и датчик 134 тока выполнены с возможностью отслеживания напряжения и тока (соответственно) токового сигнала 130, поступающего в клапан 110. Выходной сигнал датчика от каждого датчика 132, 134 подается на процессор 144 в контроллере 140.
[0030] Во время работы клапана 110 управляющий сигнал 130 получает команду на высокий уровень тока для начального открытия клапана 110, а затем снижается до более низкого «поддерживающего» уровня для поддержания клапана 110 в открытом положении в течение достаточного времени, чтобы пропустить текучую среду через клапан 110. По истечении заданного периода времени токовый сигнал 130 доходит до нуля, и клапан 110 может закрыться. Общая продолжительность времени от начального открытия до полного закрытия является минимальным битом импульса.
[0031] С учетом фиг.1 и фиг.2, рассмотрим фиг.3 где показан профиль 210 тока (i) и профиль 220 напряжения (v) одного иллюстративного минимального бита импульса в зависимости от времени (t). Профиль 210 тока и профиль 220 напряжения начинаются при t=0 (точка 201), при этом контроллер инициирует управляющий сигнал открытия в виде постоянного подъема тока до точки 202. В точке 202 профиля тока клапан начинает открываться, и происходит спад 203 тока. Промежуток времени между началом выдачи контроллером тока открытия и началом открытия клапана называется переменным временем 213 открытия. Минимальный бит импульса (MIB) - это период времени от момента, когда клапан 24, 34 будет полностью открыт (точка 205), до момента, когда клапан 24, 34 будет полностью закрыт (точка 209).
[0032] Штриховая линия 204 представляет собой непрерывное возрастание тока при отсутствии открытия клапана. Спад тока прекращается в точке 205, которая представляет собой «полностью открытое» положение клапана. Затем профиль тока продолжает возрастать до максимального тока 206 управляющего сигнала открытого клапана, который удерживается в течение заданного периода времени. По истечении заданного периода времени контроллер понижает управляющий ток от уровня управления открытием (в точке 206) до уровня управления поддержкой в точке 207. Управляющий ток поддержки остается стабильным до тех пор, пока контроллер не определит, что клапан нужно закрыть в точке 208 (t=1). После определения по закрытию, контроллер приводит ток к нулю, в результате чего клапан закрывается. Клапан будет полностью закрыт в точке 209 (t=2).
[0033] Поскольку клапан будет закрыт полностью с некоторой задержкой после доведения до нуля управляющего тока, контроллер отслеживает сигнал датчика напряжения, а также сигнал датчика тока. Когда клапан будет полностью закрыт, при t=2, происходит скачок 221 напряжения. Дополнительное время 211 после получения клапаном команды на закрытие и до того, как клапан будет полностью закрыт, влияет на время минимального бита, является причиной отклонений во времени минимального бита и называется переменным временем 211 закрытия.
[0034] Отслеживая напряжение и ток, контроллер может определить время с момента, когда клапаном управляют для его закрытия, до момента, когда клапан будет фактически закрыт, при этом время минимального бита клапана определяется как период времени, в течение которого контроллер обеспечивал открытие клапана плюс переменное время 211, 213.
[0035] Существующие системы используют контроллер с предварительной установкой по времени, а переменное время приводит к изменениям минимального бита импульса. С учетом фиг.1-3, рассмотрим фиг.4, где схематически показан примерный способ 300 для определения точной минимальной продолжительности бита импульса для данного клапана 110. Сначала клапан 110 собирают, устанавливают и осуществляют первый цикл открытия/закрытия на шаге 310 «Инициализация клапана». Во время цикла открытия/закрытия контроллер сохраняет профили 210, 220 тока и напряжения (как показано на фиг.3).
[0036] После сохранения в памяти контроллера, профиль 210 тока и профиль 220 напряжения анализируют для определения параметров на шаге 320 «Определение переменных параметров». В одном из примеров переменными параметрами являются переменное время 211 закрытия и переменное время 213 открытия. После определения переменные времена сохраняют в памяти контроллера, и контроллер определяет время минимального бита импульса на шаге 330 «Определение минимального бита импульса (MIB)».
[0037] Минимальный бит импульса - это промежуток времени с момента, когда клапан начинает открываться, до момента, когда клапан становится полностью закрытым, и это время от начального команды на включение в точке 201 до команды на выключение в точке 208, плюс переменное время 211 закрытия, минус переменная времени 213. После определения минимальный бит импульса сохраняют на шаге 340 «Сохранение М1 В», а последовательность управления настраивают с учетом фактического минимального бита импульса конкретного клапана.
[0038] В некоторых примерах минимальный бит импульса, генерируемый в результате вышеуказанного процесса, оценивается как точный при всех условиях для конкретного клапана и может использоваться во время работы жидкотопливного ракетного двигателя. В альтернативных примерах, таких как те, где имеется дополнительная способность управления, минимальный бит импульса можно пересчитывать на протяжении всей работы жидкотопливного двигателя с дальнейшими срабатываниями клапана с использованием самого последнего определяемого минимального бита импульса.
[0039] В еще одном примере минимальный бит импульса может быть определен при множестве условий, таких как давление в двигателе и напряжение аккумуляторной батареи, и т.п. В таком примере в контроллере выполняют корреляцию определяемых минимальных битов импульсов с окружающими или другими условиями, которые присутствовали при определении минимального бита импульса. Последующие срабатывания клапана 110 используют минимальный бит импульса, соответствующий текущим обнаруженным условиям клапана, и могут обеспечить более точную установку моментов времени открытия и закрытия клапана с меньшими отклонениями.
[0040] Хотя раскрытое выше относится к минимальному биту импульса жидкотопливного ракетного двигателя, следует понимать, что раскрытые в настоящем документе системы установки моментов времени открытия и закрытия клапана могут быть применены к любой системе управления клапанами для текучей среды и не ограничиваются применением жидкотопливных ракетных двигателей.
[0041] Также подразумевается, что любая из вышеописанных идей может использоваться отдельно или в сочетании с любым или всеми другими вышеописанными идеями. Хотя был раскрыт один из вариантов осуществления настоящего изобретения, специалист в данной области техники поймет, что определенные модификации входят в объем настоящего изобретения. По этой причине необходимо изучить нижеследующую формулу изобретения, чтобы определить истинный объем и содержание этого изобретения.