金蔚+黃少波

摘 要：固體燃氣閥技術是姿軌控發(fā)動機控制的關鍵技術之一。通過數(shù)值模擬對固體燃氣閥 開關狀態(tài)進行內(nèi)流場分析，結果表明：燃氣閥兩側存在有效驅(qū)動力，能夠?qū)崿F(xiàn)閥的開啟和關閉， 并確定了影響驅(qū)動力的主要構型參數(shù)；同時考慮燃氣閥周向間隙影響，需設法增大閥尾腔出口面 積、減小間隙和增大ds/dr，以增大燃氣閥開啟力；最后對確定閥芯移動距離的原則予以說明。研 究結果為后期燃氣閥機理分析、設計和優(yōu)化提供參考和支撐。

關鍵詞：固體燃氣發(fā)生器；燃氣閥；姿軌控；內(nèi)流場分析

中圖分類號：TJ763 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）03-0036-04

AnalysisofInternalFlowFieldofaSolidPropellant HotGasValveinItsOpenandClosed

JINWei，HUANGShaobo

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Thesolidpropellanthotgasvalveisthekeytechnologyofdiverattitudecontrol.Thein ternalflowfieldofsolidpropellanthotgasvalveinitsopenedandclosedconditionisanalyzedbasedon numericalsimulation.Itisshownthatthereisavailabledrivingforceonbothsidesofthehotgasvalveto openandclosethevalve，andthemainstructureparametersofchangingthedrivingforcearegotten；The largerexportandsmallergapshouldbemadetogetgreateropeningforce.Then，themethodcalculates themovingdistanceofvalve.Itproposesareferenceandsupportforthefutureanalyses，designandopti mizationofthehotgasvalve.

Keywords：solidpropellantgasgenerator；hotgasvalve；divertattitudecontrol；analysisofinter nalflowfield

0 引 言

導彈的發(fā)展主要著眼于機動性、精確性和可 靠性。固體燃氣閥技術作為高可靠性、高精確性、 快速響應的動力控制系統(tǒng)[1-3]，廣泛應用于防空導 彈和反導導彈的姿軌控系統(tǒng)。國內(nèi)外對固體燃氣 閥進行了研究，美國的“海神”潛地導彈及動能攔 截彈中的固體KKV，都應用到固體燃氣閥技術；法國SEP于20世紀70年代啟動燃氣閥技術，前 蘇聯(lián)也開展了相關研究[4-5]；其中美國研制的一種 固體姿軌控系統(tǒng)，對姿控和軌控系統(tǒng)分別應用針 栓和二級放大的固體燃氣閥。國內(nèi)方面近幾年在 不斷研究針栓形式的燃氣閥[6]；這種單獨采用針 閥形式的燃氣閥需要電磁力驅(qū)動，其驅(qū)動力極為 有限，而要增加電磁力，則體積和質(zhì)量會大幅增 加，得不償失[7]。因而對于承受較大壓力的調(diào)控機 構，二級放大形式的固體燃氣閥是一種較優(yōu)選擇。

本文介紹一種以先導閥控制的固體燃氣閥。 整個燃氣閥通過先導閥控制放大的活塞體移動，再由活塞體控制噴喉開關，它能夠以較小的控制 力實現(xiàn)對噴管的開啟和關閉。利用數(shù)值模擬對燃 氣閥的開啟和關閉典型位置狀態(tài)進行分析，研究 燃氣閥噴管開啟和關閉內(nèi)流場特性，分析影響閥 體開啟和關閉的主要問題。

1 固體燃氣閥原理

燃氣閥結構如圖1所示，其主要由燃氣閥閥 芯、先導閥和噴管組成。燃氣閥工作原理是以閥芯 前后壓差驅(qū)動閥芯移動；當先導閥關閉，先導閥自 身受來自燃氣充氣孔氣壓而被逆時針推回，燃氣 充入燃氣閥閥芯尾腔，此時尾腔內(nèi)可視為滯止燃 氣，相比之下閥頭流速高、壓強低，閥芯因前后壓 差被推動，使噴管處于關閉狀態(tài)，如圖1（a）所示； 當先導閥開啟，因受外力驅(qū)動，先導閥便順時針旋 轉(zhuǎn)封堵燃氣充氣孔，如圖1（b）所示，燃氣閥尾腔 和大氣相通，閥頭的燃氣壓力推動閥芯向尾部移 動，最終燃氣閥被完全打開，噴管完全開啟，如圖 1（c）所示。

為了進一步對燃氣閥開啟和關閉的兩個典型 狀態(tài)進行分析，研究影響其正常開啟和關閉的問 題，借助數(shù)值模擬對開啟和關閉狀態(tài)進行穩(wěn)態(tài)內(nèi) 流場計算。

數(shù)值模擬在Fluent6.3中完成，假設流動過程 無化學反應，壁面為絕熱無滑移固壁，采用可壓流 N-S方程，湍流K-erealize模型。

邊界條件：燃氣入口均采用壓力入口，總壓 15MPa，總溫3000K；噴管出口采用壓力出口， 總溫300K，壓強101325Pa。

如圖3所示，燃氣總壓為15MPa，wall-1和 wall-2面上平均壓強約為13MPa。

一般情況P0Pa，所以燃氣閥此時也存在有 效的開啟驅(qū)動力。例如，燃氣總壓15MPa時，此 時開啟驅(qū)動力約2000N。在噴管確定后，dc受到 限制，此時ds和dr成為影響開啟驅(qū)動力兩個主要 閥體尺寸。

綜上所述，先導閥運動后，燃氣閥兩側存在實 現(xiàn)其開啟和關閉所需的有效驅(qū)動力，并能夠保持 其狀態(tài)穩(wěn)定。

3.2 周向間隙對閥芯受力影響

實際情況中，閥身周向和腔體存在間隙，燃氣 中含有凝相顆粒，不采取密封措施，一定的間隙可 以減小因凝相粒子堵塞引起的閥芯卡滯風險，但 同時需要分析間隙的存在對閥芯受力的影響。endprint

先導閥關閉瞬間，閥芯尾腔充入燃氣，閥芯兩 側受力面積相等，無論是否有間隙，閥尾壓強總大 于閥頭壓強，并不影響閥正常關閉。因此以下分析 先導閥開啟瞬間，間隙對燃氣閥開啟力的影響。

圖4為Case3工況的流場壓力分布云圖，間隙 會影響到閥尾壓強。表1為間隙大小對閥芯受力影 響，隨著間隙不斷減小，閥尾壓強不斷降低，閥尾 受力不斷減??；表2為出口直徑對閥芯受力影響，隨著出口直徑增加，閥尾腔壓強不斷降低，閥尾受 力不斷減小，但同時要求先導閥驅(qū)動力也越大；因 此必須在先導閥可承壓前提下，盡可能擴大出口 面積；同時，閥身間隙形成的環(huán)向面積小于出口面 積，閥芯更容易形成指向閥尾方向的合力。如表3 所示，ds/dr越大，閥的開啟力越大；但ds越大， 周向間隙面積會越大，不利于降低尾腔壓強，對于 一定的出口面積，ds存在上限，同時dr需大于dc。

表中閥芯受力指向閥頭為正，指向閥尾為負。 綜上所述，為降低凝相粒子引起閥芯堵塞的風險， 采取無密封形式，但必須根據(jù)先導閥可承受壓力， 盡可能擴大出口面積；在工藝可實現(xiàn)下，減小間隙 大小，才能進一步降低閥芯尾腔壓強，盡可能增大 ds/dr，閥芯才能形成更大的開啟力。

3.3 閥芯相對位置對噴管性能的影響

根據(jù)總體對性能和體積的要求，燃氣閥閥芯 會采用不同布局方式，同時為實現(xiàn)大的驅(qū)動力和 快速的響應，會盡可能縮短閥芯移動距離，但這樣 可能對噴管性能造成影響。

燃氣閥閥頭和壁面形成的面積必須大于噴管入口面積，目前構型噴管入口dc=14mm，則閥芯 行程最小移動距離約為4.4mm，分別對不同狀態(tài) 進行數(shù)值模擬，見表4。

從表4數(shù)據(jù)可以看到，僅考察布局方式的影 響，燃氣閥閥芯軸線和發(fā)動機軸線平行的布局相 比垂直布局，其實際喉徑減小，流量、推力、比沖 和出口總壓都更小，推力損失較大，所以在體積允 許情況下，垂直布局會較大程度減小推力損失。

從無閥到閥芯移動距離的減小，實際喉徑逐 步減小，推力、比沖和出口總壓也會進一步下降， 推力損失加??；閥芯最小移動確定是以其對應流 道面積不小于噴管入口面積為原則，但此時計算 的實際喉徑仍然比無閥狀態(tài)有所減小，推力損失 更大，所以在設計中，應增加約1～2mm余量作為 設計移動距離。以實現(xiàn)盡可能小的移動距離，足夠 的開啟力，同時減小對噴管性能損失。

4 結 論

（1）先導閥作動后，閥芯兩側存在有效驅(qū)動力。燃氣閥的關閉主要受構型參數(shù)dr和La影響。 燃氣閥開啟主要受構型參數(shù)ds和dr影響。

（2）燃氣閥周向間隙的存在會影響尾腔壓強， 必須在先導閥承力限制下，盡可能擴大出口面積， 根據(jù)工藝可實現(xiàn)性，減小間隙大小，降低閥尾壓 強；盡可能增大ds/dr，使閥芯形成更大的開啟力。

（3）體積允許下，垂直布局會較大程度減小 推力損失；閥芯位置，需以短的移動距離和小的噴 管性能損失為約束；初步以閥頭流道面積不小于 噴管入口面積為基準，確定閥芯最小移動距離，增 加1～2mm余量作為設計行程。

參考文獻：

[1]CoonJ，YashaharaW.SolidPropulsionApproachesfor TerminalSteering[R].AIAA93-2641.

[2]李哲，魏志軍，張平.高溫燃氣閥在導彈上的應用[C]// 固體火箭推進第22屆年會論文集（發(fā)動機分冊）， 2005：209-213.

[3]雍曉軒.軌、姿控固體燃氣發(fā)生器式動力系統(tǒng)研究 [J].現(xiàn)代防御技術，1999，27（4）：30-33.

[4]楊威，王宏偉，牛祿.燃氣閥技術在固體發(fā)動機推力控 制中的應用和發(fā)展[C]//第24屆學術會議論文集：43 -49.

[5]劉真.動能殺傷攔截器KKV[J].地面防空武器，2004

（3）：10-12.

[6]李娟，李江，王毅林，等.喉栓式變推力發(fā)動機性能研究 [J].固體火箭技術，2007，30（6）：505-509.

[7]李世鵬，張平.固體燃氣控制閥內(nèi)流場參數(shù)計算[J]. 固體火箭技術，2003，26（3）：25-27.endprint

先導閥關閉瞬間，閥芯尾腔充入燃氣，閥芯兩 側受力面積相等，無論是否有間隙，閥尾壓強總大 于閥頭壓強，并不影響閥正常關閉。因此以下分析 先導閥開啟瞬間，間隙對燃氣閥開啟力的影響。

圖4為Case3工況的流場壓力分布云圖，間隙 會影響到閥尾壓強。表1為間隙大小對閥芯受力影 響，隨著間隙不斷減小，閥尾壓強不斷降低，閥尾 受力不斷減?。槐?為出口直徑對閥芯受力影響，隨著出口直徑增加，閥尾腔壓強不斷降低，閥尾受 力不斷減小，但同時要求先導閥驅(qū)動力也越大；因 此必須在先導閥可承壓前提下，盡可能擴大出口 面積；同時，閥身間隙形成的環(huán)向面積小于出口面 積，閥芯更容易形成指向閥尾方向的合力。如表3 所示，ds/dr越大，閥的開啟力越大；但ds越大， 周向間隙面積會越大，不利于降低尾腔壓強，對于 一定的出口面積，ds存在上限，同時dr需大于dc。

表中閥芯受力指向閥頭為正，指向閥尾為負。 綜上所述，為降低凝相粒子引起閥芯堵塞的風險， 采取無密封形式，但必須根據(jù)先導閥可承受壓力， 盡可能擴大出口面積；在工藝可實現(xiàn)下，減小間隙 大小，才能進一步降低閥芯尾腔壓強，盡可能增大 ds/dr，閥芯才能形成更大的開啟力。

3.3 閥芯相對位置對噴管性能的影響

根據(jù)總體對性能和體積的要求，燃氣閥閥芯 會采用不同布局方式，同時為實現(xiàn)大的驅(qū)動力和 快速的響應，會盡可能縮短閥芯移動距離，但這樣 可能對噴管性能造成影響。

燃氣閥閥頭和壁面形成的面積必須大于噴管入口面積，目前構型噴管入口dc=14mm，則閥芯 行程最小移動距離約為4.4mm，分別對不同狀態(tài) 進行數(shù)值模擬，見表4。

從表4數(shù)據(jù)可以看到，僅考察布局方式的影 響，燃氣閥閥芯軸線和發(fā)動機軸線平行的布局相 比垂直布局，其實際喉徑減小，流量、推力、比沖 和出口總壓都更小，推力損失較大，所以在體積允 許情況下，垂直布局會較大程度減小推力損失。

從無閥到閥芯移動距離的減小，實際喉徑逐 步減小，推力、比沖和出口總壓也會進一步下降， 推力損失加劇；閥芯最小移動確定是以其對應流 道面積不小于噴管入口面積為原則，但此時計算 的實際喉徑仍然比無閥狀態(tài)有所減小，推力損失 更大，所以在設計中，應增加約1～2mm余量作為 設計移動距離。以實現(xiàn)盡可能小的移動距離，足夠 的開啟力，同時減小對噴管性能損失。

4 結 論

（1）先導閥作動后，閥芯兩側存在有效驅(qū)動力。燃氣閥的關閉主要受構型參數(shù)dr和La影響。 燃氣閥開啟主要受構型參數(shù)ds和dr影響。

（2）燃氣閥周向間隙的存在會影響尾腔壓強， 必須在先導閥承力限制下，盡可能擴大出口面積， 根據(jù)工藝可實現(xiàn)性，減小間隙大小，降低閥尾壓 強；盡可能增大ds/dr，使閥芯形成更大的開啟力。

（3）體積允許下，垂直布局會較大程度減小 推力損失；閥芯位置，需以短的移動距離和小的噴 管性能損失為約束；初步以閥頭流道面積不小于 噴管入口面積為基準，確定閥芯最小移動距離，增 加1～2mm余量作為設計行程。

參考文獻：

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[7]李世鵬，張平.固體燃氣控制閥內(nèi)流場參數(shù)計算[J]. 固體火箭技術，2003，26（3）：25-27.endprint

先導閥關閉瞬間，閥芯尾腔充入燃氣，閥芯兩 側受力面積相等，無論是否有間隙，閥尾壓強總大 于閥頭壓強，并不影響閥正常關閉。因此以下分析 先導閥開啟瞬間，間隙對燃氣閥開啟力的影響。

圖4為Case3工況的流場壓力分布云圖，間隙 會影響到閥尾壓強。表1為間隙大小對閥芯受力影 響，隨著間隙不斷減小，閥尾壓強不斷降低，閥尾 受力不斷減?。槐?為出口直徑對閥芯受力影響，隨著出口直徑增加，閥尾腔壓強不斷降低，閥尾受 力不斷減小，但同時要求先導閥驅(qū)動力也越大；因 此必須在先導閥可承壓前提下，盡可能擴大出口 面積；同時，閥身間隙形成的環(huán)向面積小于出口面 積，閥芯更容易形成指向閥尾方向的合力。如表3 所示，ds/dr越大，閥的開啟力越大；但ds越大， 周向間隙面積會越大，不利于降低尾腔壓強，對于 一定的出口面積，ds存在上限，同時dr需大于dc。

表中閥芯受力指向閥頭為正，指向閥尾為負。 綜上所述，為降低凝相粒子引起閥芯堵塞的風險， 采取無密封形式，但必須根據(jù)先導閥可承受壓力， 盡可能擴大出口面積；在工藝可實現(xiàn)下，減小間隙 大小，才能進一步降低閥芯尾腔壓強，盡可能增大 ds/dr，閥芯才能形成更大的開啟力。

3.3 閥芯相對位置對噴管性能的影響

根據(jù)總體對性能和體積的要求，燃氣閥閥芯 會采用不同布局方式，同時為實現(xiàn)大的驅(qū)動力和 快速的響應，會盡可能縮短閥芯移動距離，但這樣 可能對噴管性能造成影響。

燃氣閥閥頭和壁面形成的面積必須大于噴管入口面積，目前構型噴管入口dc=14mm，則閥芯 行程最小移動距離約為4.4mm，分別對不同狀態(tài) 進行數(shù)值模擬，見表4。

從表4數(shù)據(jù)可以看到，僅考察布局方式的影 響，燃氣閥閥芯軸線和發(fā)動機軸線平行的布局相 比垂直布局，其實際喉徑減小，流量、推力、比沖 和出口總壓都更小，推力損失較大，所以在體積允 許情況下，垂直布局會較大程度減小推力損失。

從無閥到閥芯移動距離的減小，實際喉徑逐 步減小，推力、比沖和出口總壓也會進一步下降， 推力損失加?。婚y芯最小移動確定是以其對應流 道面積不小于噴管入口面積為原則，但此時計算 的實際喉徑仍然比無閥狀態(tài)有所減小，推力損失 更大，所以在設計中，應增加約1～2mm余量作為 設計移動距離。以實現(xiàn)盡可能小的移動距離，足夠 的開啟力，同時減小對噴管性能損失。

4 結 論

（1）先導閥作動后，閥芯兩側存在有效驅(qū)動力。燃氣閥的關閉主要受構型參數(shù)dr和La影響。 燃氣閥開啟主要受構型參數(shù)ds和dr影響。

（2）燃氣閥周向間隙的存在會影響尾腔壓強， 必須在先導閥承力限制下，盡可能擴大出口面積， 根據(jù)工藝可實現(xiàn)性，減小間隙大小，降低閥尾壓 強；盡可能增大ds/dr，使閥芯形成更大的開啟力。

（3）體積允許下，垂直布局會較大程度減小 推力損失；閥芯位置，需以短的移動距離和小的噴 管性能損失為約束；初步以閥頭流道面積不小于 噴管入口面積為基準，確定閥芯最小移動距離，增 加1～2mm余量作為設計行程。

參考文獻：

[1]CoonJ，YashaharaW.SolidPropulsionApproachesfor TerminalSteering[R].AIAA93-2641.

[2]李哲，魏志軍，張平.高溫燃氣閥在導彈上的應用[C]// 固體火箭推進第22屆年會論文集（發(fā)動機分冊）， 2005：209-213.

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[4]楊威，王宏偉，牛祿.燃氣閥技術在固體發(fā)動機推力控 制中的應用和發(fā)展[C]//第24屆學術會議論文集：43 -49.

[5]劉真.動能殺傷攔截器KKV[J].地面防空武器，2004

（3）：10-12.

[6]李娟，李江，王毅林，等.喉栓式變推力發(fā)動機性能研究 [J].固體火箭技術，2007，30（6）：505-509.

[7]李世鵬，張平.固體燃氣控制閥內(nèi)流場參數(shù)計算[J]. 固體火箭技術，2003，26（3）：25-27.endprint