新型軌/姿控發動機采用往復活塞泵對推進劑進行增壓輸送，可提高空間液體火箭推進系統性能，減輕發動機質量。通過AMESim 軟件建立軌/姿控發動機往復活塞泵模型，對該模型的建立過程進行了詳細的闡述，并且進行了動態仿真。結果表明，受氣體壓縮性的影響，活塞的往復運動存在停頓現象，適當調整液缸內彈簧的彈性系數和液缸、氣缸直徑可以在保持流量不變的前提下有效提高輸出流量的穩定性。

　　軌/姿控推進系統廣泛應用于各類航天器和導彈武器，其主要作用是為航天器飛行過程中變軌和姿態控制提供控制力和控制力矩。現有的擠壓式推進劑輸送方式需要采用高壓貯箱和氣瓶，已無法滿足新型航天器安裝空間小、質量輕的要求。美國的勞倫斯·利弗莫爾實驗室，研究利用小型的往復活塞泵對推進劑進行增壓輸送，可獲得高于入口10～15倍的壓力，使得推進劑可低壓存儲，有效地減輕了系統質量。

　　針對通過反復的樣品試制和試驗來分析軌/姿控推進系統是否達到設計要求的方法，提出基于AMESim仿真平臺，建立軌/姿控推進系統用往復式活塞泵模型，并對往復泵工作過程進行數值仿真，得到往復泵出口流量特性及活塞運動過程對其性能的影響，可有效降低開發成本和縮短開發周期。

1、往復泵的工作原理與建模

　　1.1、往復活塞泵的原理

　　作為自增壓式軌/姿控推進系統的關鍵組件，往復式活塞泵的原理及結構如圖1所示。往復泵主要由A，B，C，D　4組對稱分布的增壓缸、換向閥、行程閥和管路組成，其中液缸內安裝有彈簧組件。當系統向往復泵持續供應燃氣時，若燃氣推動活塞A，C向里運動，進入排液沖程，輸出高壓推進劑，此時行程閥C向換向閥B，D輸入控制氣，使氣缸B，D排氣，在泵入口推進劑自身壓力下進行推進劑充填。

　　當活塞C運動一段行程后，行程閥C切斷控制氣輸出，換向閥B，D換位，氣缸B，D充氣，活塞B，D向里運動，同時行程閥B向換向閥A，C輸入控制氣，使氣缸A，C排氣，進入充液沖程。4個腔推進劑兩兩交替泄出和充填，實現連續穩定的推進劑供應。

圖1　往復泵原理及結構

　　1.2、往復活塞泵建模

　　1.2.1、液、氣缸的數學模型

　　由往復泵工作原理可知，理論上液缸和氣缸之間沒有物質的交換，若考慮可壓縮性，液、氣缸均可按活塞缸建立數學模型，其中液缸腔體內置一彈簧。以下為流量壓強方程及受力方程。a.流量壓強方程。忽略活塞處密封的泄露，可以得到如下一組方程，液缸流入V 腔的流量為：

Qz=vA

　　Qz為活塞腔的流量；v為活塞運動速度；A 為V腔活塞有效面積。氣動分析中，經常將氣流所通過的氣動元件抽象成一個收縮噴嘴或節流小孔來計算。氣缸流入流出V 腔的流量為：

　　q為氣體通過小孔的流量；S 為小孔有效截面積；T 為小孔上游氣體的溫度；pu為小孔上游的氣體壓強；pd為小孔下游的氣體壓強；R 為氣體常數；k為絕熱指數。

結束語

　　分析往復式活塞泵原理及結構，利用AMESim軟件建立往復泵模型，并模擬不同彈簧剛度對泵的性能的影響。由仿真結果可知，氣體的壓縮性是影響活塞協調運動的主要因素，通過向液缸設置彈簧并適當調整彈簧剛度能夠有效地提高系統性能，增加輸出流量的穩定性。若適當增加液缸、氣缸的直徑，可在提高流量穩定性的同時保持輸出流量不變。