气阻气容的气动非对称性机理与高速气动控制的基础研究

针对多年来困扰气动系统的低速和气动非线性现象的关键问题，通过热力学、气体分子物理学、动力学和计算流体力学的深入分析，解明气阻气容典型回路的气动非对称性现象产生机理，分析高压气体分子间距与分子间的相互作用力与气体特性的关系，建立具有亚音速和超音速流动控制补偿器件的高速气动控制系统及气动伺服元件的数学模型，取得亚音速和超音速流动及其转换过程的控制方法以及结构、电气、流场和软件的综合补偿措施。研究新型气动伺服阀，进行高压、有热交换过程和时变条件下气动回路和新型气动伺服阀控缸系统的试验研究，实现气动系统双向高速高精度控制。从试验和理论的两方面，取得毫秒级高速气动控制的基础理论和关键技术，包括特性影响因素、最佳参数匹配方法、新型气动伺服阀特性、气动能量消耗与节能模型。解决气动系统低速且严重非对称性、无法满足工业高速控制需求的根本问题，为研制高速气动控制系统及其新型气动伺服元件提供基础理论和方法。

针对多年来困扰气动系统的低速和气动非线性现象的关键问题，通过热力学、气体分子物理学、动力学和计算流体力学的深入分析，理论与实践紧密结合，研究气阻气容回路的非对称性和非线性特征产生机理、超高压气体分子间距与分子间的相互作用引力及斥力和气体特性的关系、高速气动控制方法和理论等基础科学问题。项目主要成果包括：（1）解明了气阻严重非线性特征的产生机理。即气体经过节流孔时，存在音速流动与亚音速流动的转换过程，以及气阻与气体、环境之间的热交换过程以及环境因素对气阻的参数影响，单一流动或复合流动过程导致严重非线性特征。（2）解明了气阻气容系统严重非对称性特征的产生机理。气阻气容回路的排气时间远大于充气时间，导致排气时间与充气时间之间存在严重非对称性，气体压缩性导致压缩和释放过程的弹性系数非对称性，不对称气缸的有效面积和体积的结构不对称性，对称气缸两容腔充排气过程的非对称性，气动控制阀气阻节流口处气体的亚音速流动与超音速流动特性的非对称性，热力学传热和吸热时间的非对称性，电气伺服回路非线性是导致气阻气容回路非对称性的直接因素。气动非对称特性是导致气动系统失控和严重非线性、低速的内在原因。（3）提出了高速高精度气动控制方法，除软件补偿外，提出采用气动伺服元件硬件措施与气阻气容回路匹配的高速气动控制方案。包括：单一气阻气容回路的零开口双边非对称气动伺服阀方案、正开口双边对称气动伺服阀方案的非对称气阻匹配方法，复合气阻气容回路（如气动阀控缸典型回路）的对称不均等正开口四边对称气动伺服阀方案、对称均等正开口四边对称气动伺服阀方案、对称不均等与对称均等零开口四边对称气动伺服阀方案的四边对称气阻与四边不对称气阻方法。建立了气阻气容回路和诸气动伺服阀数学模型，理论与实践相结合，实现了气动系统往复双向高速高精度控制。（4）建立了超高压气体分子间距与分子间的相互作用引力及斥力和气体特性的关系模型并解释了气动制冷与制热机理。（5）所提出的高速气动控制理论在飞行器姿态控制的气动喷嘴特性和气动潜孔锤高速气动冲击器机理与多循环高速冲击特性分析中得到验证并发挥了重要作用。项目成果为解决气动系统低速且严重非对称性、无法满足工业高速控制需求的根本问题，为研制高速气动控制系统及其新型气动伺服元件提供了基础理论和方法。