隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器總體對(duì)推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求也越來(lái)越高，如要求推進(jìn)系統(tǒng)具有重量輕、貯箱壓力低、推力室室壓高及易多次起動(dòng)等；從系統(tǒng)重量、結(jié)構(gòu)尺寸、安全性及可靠性等角度考慮，采用常規(guī)的擠壓式或泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)都難以滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求。活塞泵增壓推進(jìn)系統(tǒng)是介于常規(guī)擠壓式與泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)之間的一種新型推進(jìn)系統(tǒng)。與渦輪泵增壓系統(tǒng)相比，其重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠及無(wú)起動(dòng)次數(shù)限制；與擠壓式系統(tǒng)相比，在40 kN 推力以下，由于貯箱壓力低、推力室室壓高，且不需要高壓氣瓶等裝置，在系統(tǒng)質(zhì)量方面占有一定優(yōu)勢(shì)。活塞泵作為該新型推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件之一，其研制工作即成為該型系統(tǒng)研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，世界上僅有美國(guó)和烏克蘭成功研制了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)活塞泵，并達(dá)到了應(yīng)用階段。由于該系統(tǒng)具有高性能、輕質(zhì)化、小型化等潛在優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)我國(guó)當(dāng)前航天技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用需求，急需開展液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)活塞泵的探索研究工作。
活塞泵是采用全氣動(dòng)機(jī)械閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)多缸連續(xù)交替動(dòng)作的，其工作可靠性取決于全氣動(dòng)機(jī)械閉環(huán)控制回路的可靠性。在前期探索研制中出現(xiàn)了自鎖的故障模式，即活塞泵多缸互鎖，為了分析原因、提出改進(jìn)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvacuum.com/)發(fā)布此文將對(duì)活塞泵控制氣路進(jìn)行邏輯特性分析。
1、活塞泵工作原理
活塞泵主要由液缸、止回閥、氣缸、控制閥及導(dǎo)管連接件等組成，如圖1 所示。其工作原理如下：活塞泵工作前，在液路入口壓力的作用下，進(jìn)液止回閥打開，推進(jìn)劑填滿4 個(gè)液缸。氣路供以高壓氣體并打開下游排液控制閥后，活塞泵便逐步循環(huán)工作。由于換向閥A 和C 為常開結(jié)構(gòu)，故與其相連的氣缸A 和C 首先進(jìn)氣，高壓氣體推動(dòng)活塞A 和C 進(jìn)入排液沖程，液缸A 和C排出高壓液體。同時(shí)，一部分氣體經(jīng)滑閥C 進(jìn)入換向閥B 和D 的控制腔室，使其進(jìn)氣閥口關(guān)閉。當(dāng)活塞A 和C 運(yùn)動(dòng)至行程端部時(shí)，滑閥C 換向，換向閥B 和D 控制腔室內(nèi)的氣體從滑閥口排出，換向閥B 和D 換向，其進(jìn)氣閥口打開，高壓氣體進(jìn)入氣缸B 和D，即而推動(dòng)活塞B 和D 進(jìn)入排液沖程。同時(shí)，一部分氣體經(jīng)滑閥D 進(jìn)入換向閥A 和C 的控制腔室，閥芯換向，進(jìn)氣閥口關(guān)閉、排氣閥口打開，氣缸A 和C 開始排氣，當(dāng)氣缸A和C 中的壓力降低至一定值時(shí)，在液體進(jìn)口壓力作用下進(jìn)入充液回程。當(dāng)活塞B 和D 運(yùn)動(dòng)至行程端部時(shí)，又會(huì)進(jìn)入同樣的換向過(guò)程，如此交替工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)排液。
圖1 活塞泵原理圖
2、流體邏輯理論簡(jiǎn)介
流體邏輯理論是研究如何將流體控制元件相互連接起來(lái)以滿足給定的邏輯要求，達(dá)到自動(dòng)控制各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的目的，這就是所謂的流體邏輯設(shè)計(jì)；另外，也可以用于流體元件的功能識(shí)別和驗(yàn)證已設(shè)計(jì)出的流體控制系統(tǒng)方案的可行性。它的基礎(chǔ)理論體系來(lái)源于邏輯數(shù)學(xué)，因此流體邏輯就是利用邏輯函數(shù)有規(guī)則地表示邏輯要求的一種方法，流體邏輯問(wèn)題的解決主要依賴于布爾代數(shù)。
2.1、流體邏輯描述
邏輯設(shè)計(jì)和分析首先要提出預(yù)期的機(jī)器操作程序，清晰地描述在激發(fā)每個(gè)輸出之前的條件。由于涉及回路的復(fù)雜性，用來(lái)描述邏輯系統(tǒng)要求的格式可能會(huì)有些變化。然而，在各種情況下，無(wú)論哪種描述方法都必須建立輸出信號(hào)邏輯程序。對(duì)于組合邏輯回路來(lái)說(shuō)，其描述格式可能要比時(shí)序型系統(tǒng)簡(jiǎn)單的多，目前主要描述方法有：真值表、時(shí)間表(線狀圖表)、綜合工序表、原始流動(dòng)表、狀態(tài)矩陣、綜合表及邏輯要求表等。
2.2、流體邏輯設(shè)計(jì)
為了形成滿足預(yù)定要求的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而選擇和連接邏輯元件的過(guò)程稱為邏輯設(shè)計(jì)。對(duì)于組合邏輯網(wǎng)絡(luò)，一般采用真值表或卡諾圖就足夠了，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┫鄬?duì)于各種輸入組合的輸出唯一描述，得出網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化輸出方程(范式)，就可以選擇相應(yīng)的邏輯元件來(lái)搭建邏輯網(wǎng)絡(luò)；而時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中需要引入了“記憶元件”，這樣網(wǎng)絡(luò)就出現(xiàn)了“狀態(tài)”，也就引入了狀態(tài)流動(dòng)、狀態(tài)等價(jià)及狀態(tài)替換等問(wèn)題，故設(shè)計(jì)過(guò)程要復(fù)雜得多。目前，流體邏輯設(shè)計(jì)的主要方法有：一般解法、最小化方法(無(wú)關(guān)項(xiàng)的利用、求補(bǔ)簡(jiǎn)化法、公因子提取法及全能邏輯元件的利用)、經(jīng)典綜合法(狀態(tài)等價(jià)、狀態(tài)替換、運(yùn)動(dòng)流動(dòng)表、激勵(lì)表及激勵(lì)圖) 及非經(jīng)典綜合法(變信號(hào)法、全信號(hào)法、狀態(tài)矩陣法、轉(zhuǎn)換表法及狀態(tài)圖法) 等。
2.3、流體邏輯分析
在很多情況下，流體控制回路的設(shè)計(jì)采用直觀推理的方法，依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。但這樣做缺乏邏輯綜合的基礎(chǔ)，一旦流體控制回路設(shè)計(jì)出來(lái)，離開了設(shè)計(jì)者要想尋找故障、改良系統(tǒng)就可能很難下手。流體邏輯分析的目的就在于區(qū)分并研究回路的各個(gè)元件，確定元件的函數(shù)關(guān)系式和系統(tǒng)的整套關(guān)系式是否有能力滿足所描述的邏輯要求，可以驗(yàn)證邏輯系統(tǒng)的正確性，也可以揭示故障的原因
