固体火箭发动机测试与试验技术教学内容

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1、固体火箭发动机测试与试验技术主讲 刘平安 第一章概论固体火箭发动机试验与测量技术是固体推进技术的重要组成部分 固体火箭发动机在研制过程中和在交付使用前 必须经历一系列试验 主要有 1 部件试验 如燃烧室壳体静力试验 喷管摆动试验 点火装置发火试验等 举例 保险机构打不开 2 发动机地面点火试验 3 使用性试验 即模拟发动机使用时所处环境条件的试验 4 遥测飞行试验 发动机作为全弹 箭 动力装置参与飞行试验 本书主要论述地面点火试验 试验装置与设备 试验中的测量方法 数据处理与不确定评估方法以及试验测试常用的传感器 仪器仪表与系统 在模样阶段 试验的主要作用在于考核发动机设计方案的可行性 结构合

2、理性 所采用的各项新技术的相互匹配性 协调性 通过试验暴露问题 为改进设计指出方向和寻找途径 在初样阶段 发动机的总体方案已经确定 各部件的结构 材料及推进剂配方已经基本确定 一般不再做重大调整 这个阶段 发动机要进行大量的使用性试验即模拟使用环境条件的试验 如 振动 加速度 冲击 运输 温度循环 贮存等试验 经这些环境试验的发动机一般都要再做地面点火试验 考核发动机经过环境试验后工作的可靠性 同时还要对发动机的性能参数作出评价 是否满足全弹的战术技术要求 还要对工艺可行性 稳定性作出评价 在试样阶段 一般要进行组成发动机试验 对发动机性能参数的精度作出评价 所以试样阶段的试验属于精度试验 为

3、飞行试验提供数据 该阶段试验还要继续考核工艺稳定性 为定型生产提供依据 在批生产阶段 进行定型后的鉴定性抽样试验 其作用是检验工艺稳定性与可靠性 检验发动机性能参数是否落在设计规定的范围内 综上所述 固体火箭发动机试验研究是固体火箭发动研制工作的重要组成部分 离开了试验 固体火箭发动机技术就无从发展 使用性试验就是发动机在使用过程中受到各种因素影响的试验 这些因素不论是对单个发动机还是对装在导弹上的发动机 在使用过程中都可能影响其工作性能和可靠性 为了考验发动机在各种环境因素影响下的可靠性 使用性试验是不可缺少的 使用过程中受到的影响因素很多 综合起来可分为机械影响 气候影响及生态影响 航天用

4、发动机还可能受到真空影响 宇宙射线影响等 但是最常见的影响是机械影响与气候影响 机械影响来源于各种形式的运输 装卸起吊及飞行中的加速度 离心力 贮存时装药的自重等等 气候影响如何使用地域上的温差 昼夜温度交变 高湿度 烟雾 风暴尘埃等 为了保证导弹系统在各种影响因素作用下都可靠地工作 进行一系列使用性试验来评定 考验发动机的使用安全性与可靠性是十分必要的 举例 运到巴基斯坦的发动机 1 2使用性试验的作用与内容 固体火箭发动机使用性试验 包括下列几种 1 振动试验固体火箭发动机振动试验是在振动试验台上进行的 振动试验台由振动激振器 发动机固定装置及控制系统组成 振动试验方法可分为两类 即谐波激

5、振法和随机激振法 对于军用产品 用随机振动模拟使用条件较为合理 2 冲击试验冲击试验的目的是检验发动机在预定的冲击载荷作用下工作性能和可靠性 冲击试验在冲击试验台上进行 最简单的冲击试验台是自由落体式试验台 它将发电机提升到一定高度并吊住后释放 发动机自由落体下冲击到有一定垫层要求的台体基础上 然后检验发发动机落下冲击后的结构变化与性能变化情况 3 运输试验运输设备的振动无明显重复性 产生的力是非周期性的 由于道路不平 引起的冲击扰动是随机性的振荡 按美国专家给出的数据 在公路上运输的振动频率为2 3Hz 10 20Hz及80 100Hz 加速度幅值约为 在铁路运输时 频率为3 5Hz 加速度

6、幅值为 发动机公路运输条件要规定公路路面等级 运输的距离及速度 铁路运输试验要规定试验路程 速度等 4 环境条件试验环境条件指温度 湿度 气压等条件 环境试验的一种主要形式是试验各种温度状态对发动机性能的影响 参考文献 1 推荐可用以下温度试验评定短期贮存时发发动机的设计特性 1 热环境条件在温度305K条件下保温10h 再在5h内升温至325K 保温4h 然后在5h内降低温度至305K 2 冷环境条件在223K温度下保持24h再降至219K 3 温度循环建议发动机在整装状态下作一星期的温度循环试验 5 贮存试验便于长期贮存是固体火箭发动机的优点之一 但其贮存期要通过贮存试验来确定 发动机处于

7、较长服役期内 其性能的稳定性要求非常严格 影响性能稳定性的因素很多 首先 固体推进剂的基体是高分子聚合物 其物理和化学性能随着贮存时间的增长产生老化 这就会给发动机的性能和工作带来影响或危险性 其次 近来发动机壳体 喷管广泛采用各种聚合物材料 如玻璃钢 有机纤维复合材 料等 这些非金属材料也会随着时间的延长而产生老化 即使是金属材料也会出现锈蚀或变形 此外 各种密封件的老化 永久变形 严重时 会产生密封失效 发动机长期水平放置时 由于重力的影响 装药的几何尺寸会发生变化 严重时会出现裂纹和脱粘 一旦出现这种现象 很可能导致发动机点火时爆炸 凡此种种因素的影响 无法用计算的方法加以评定 只有靠贮

8、存试验来考核 长期贮存试验的目的就是要确定发动机服役的有效期 要编制贮存试验大纲 内容包括贮存试验的发动机台数 随机贮存的各种材料的试验件数量 贮存库房的环境条件要求 贮存期内的检查和到期发动机的地面点火试验 对某些材料的试件还可以做快速老化的试验来获得敏感的老化参数 根据掌握的有关数据 编制维修工作计划 更换短寿命的零件 如密封圈之类 最后规定固体火箭发动机的服役期限 举例 关于密封圈的更换 地面点火试验又称试车 相对于飞行试验而言可称其为静止试验 其特点可以归纳为以下几点 1 工作时间短且测量环境恶劣固体火箭发动机工作时间短 只有零点几秒到数十秒 最长不过百余秒 在很短的时间内 燃烧室中推

9、进剂燃烧要释放出巨大的能量 产生高温 3000 4000K 高压 3 25Mpa 的燃气 通过喷管喷出 流速可达2000m s 同时伴随着强烈的振动和发出巨大的噪声 这样就形成了非常恶劣的测量环境 同时由于工作时间短 各种参数变化快 对各参数的测量传感器和仪器要求具有快速测量能力和防高温 耐高压 抗冲击及抗干扰的能力 因此对测量技术的要求是很高的 2 技术领域广 工作系统多试验与测量集中了许多现代科学技术 包括管理科学 是一项系统工程 固体火箭发动机是利用现代科学技术中若干最新成就所研制的尖端产品 对它进行试验要涉及许多技术领域 如现代测量技术 机械设计技术 电子技术 真空低温技术 精确计量技

10、术 自动控制技术 计算机技术 对结果的分析还要用到现代数理统计及可靠性技术等等 只有把这多种技术 多种系统 分系统及分散在各岗位的技术人员组织起来使之有计划 有步骤地协同工作 试验才能完成 因此 只有采用系统管理科学 才能组织好地面点火试验 1 3地面点火试验的特点 3 试验费用高 次数少大型固体发动机造价昂贵 每次试验耗资数十万甚至数百万元 而其一台发动机只能试验一次 昂贵的造价决定了用于点火的发动机数量不能太多 这就要求精心组织每次试验 做到稳妥可靠 万无一失 并尽可能多地获得一些测量数据 4 不安全因素多 危险性大研制初期的发动机容易发生故障 甚至发生爆炸 因此试验中的安全技术措施非常重

11、要 要做好各种防范措施 5 环境污染严重固体火箭发动机点火试验时 排除的大量燃气中 含有一定量的有害气体和氧化铝微粒 扩散到空气中 会造成大气污染 一旦试验失败 要动用消防水灭火 产生的污染水流入周围地区和河流 也会造成环境污染 必须进行检测和治理 举例 实验室门口的树 由于点火试验具有上述特点 因此 对试车台的建立 试验设备的配置 发动机参数的测量系统等提出了特殊的要求 这些要求将在以后的各章中分别叙述 固体火箭发动机的试验研究是在专门的试验基地进行的 许多国家对试验基地建设非常重视 美国是世界上拥有固体火箭发动机试验基地最多的国家 这些基地一般拥有 卧式 立式试车台 高空模拟试车台 高温

12、低温试验室 振动 冲击试验台和贮存试验库 测量控制中心与计算中心 校准测量传感器的计量中心 对试验发动机进行检查 装配 试验后进行分解 测量的车间 试验技术 测量技术研究室 1 4地面试验基地的组成 固体火箭发动机试验与测量技术是根据火箭发动机技术发展的需要 随着科学技术水平的提高而发展起来的 由于现代科学技术的发展 新型的高强度 低密度材料的出现 高能推进剂的研制成功 新的设计理论的突破 固体火箭发动机的性能有了很大的提高 这样对发动机试验技术与测量技术就提出了更高的要求 固体火箭发动机试验技术发展大约可归纳为以下几点 1 试验能力将会进一步提高用于航天助推器的固体火箭发动机通常是非常大的如

13、美国的 大力神 C3 火箭有两个直径3m的发动机 总推力达9000kN 美国还研制了直径4m和6 6m的固体推进器 推力达几十兆牛 为试验这种巨型火箭发动机必须建造巨型试车台 首先遇到的是巨型试车架的设计与制造问题 运输 起吊问题 还有数十兆牛力值的传感器计量与校准 建立数十兆牛力值的标准等等 都需要突破一系列技术难关 2 测量系统的特殊要求一些具有特殊用途的发动机 如多次启动的发动机 宇宙飞船上弹射救生的逃逸发动机 有的工作时间极短 推力又非常大 这些发动机试验对测量系统要求测量系统有很好的动态特性 能不失真地测量推力脉动 这些都是目前尚待解决的技术难点 1 5试验技术的发展与展望 3 测量

14、方法将有新的突破固体火箭发动机地面点火试验中瞬时燃速的测量 瞬时质量流量测量 喷管摆动的瞬时中心的测量 内外流场测量等 随着高能直线加速器 X射线CT技术 激光全息技术等在火箭发动机试验中的应用 可望有新的突破 4 高空模拟试验的要求更高 范围更大随着发动机技术性能提高 高空模拟试验领域内 不仅模拟高度要提高120km以上 同时还要模拟温度环境 气动加热 宇宙射线辐射环境及微重力环境 甚至还要模拟宇宙间的 冷 黑 等环境 无疑这又将提出新的技术课题 举例 小卫星的发射 旋转发动机 5 计算机辅助试验与仿真技术的应用为减少试验次数 节省费用开支 可通过少量试验 获得一定量试验数据 建立数学模型

15、利用计算机辅助试验或仿真来解决部分试验问题 当然计算机仿真技术不能完全代替发动机点火试验 最终还得靠热试车来验证 评定发动机性能参数 举例 药型设计的模拟以及在模拟方面的优势 2 1概述地面点火试验是按试验任务书要求 将发动机以一定方式 以不影响推力测量为原则 安装在试车台架上 按着预先设置的程序点燃推进剂 使发动机工作并按指令完成规定的动作 同时进行参数测量的全过程 地面点火试验的主要目的如下 考核结构的完整性和合理性 考核各分系统的工作可靠性及其匹配关系 评定发动机的内弹道特性 测得发动机的能量特性 测得其他特性参数 第二章地面点火试验 15 地面点火试验的基本特点和主要要求是 1 经济性

16、由于用于地面点火试验的发动机实物数量不可能很多 尤其是大型发动机地面点火试验的次数是很有限的 这就要求每次试验都能获得尽可能多的有用信息 并且这些信息是准确可靠的 即应以最少的投入获得最大的效益 2 实用性试验与测试设备应处于最佳工作状态 试验结果令人满意 不出现由于试验程序和其它人为因素而造成的附加影响甚至不良后果 3 先进性主要表现为试验与测试设备性能的提高 使测得的各特征参数更加精确 进而使对发动机结构可靠性和性能可靠性的评定置信度更高 2010年8月31日美战神火箭发动机进行低温试验推力达1633吨该项火箭发动机试验耗资7500万美元 16 17 地面点火试验是个比较复杂的工作过程 通常都要经过试验准备 点火试验 试验结果分析与评定等主要阶段 在工艺上包括发动机吊运 试车架安装调试 传感器性能检定 测量系统的配套与调试 点火程序控制 参数测量及数据处理等若干个工艺环节 有的发动机还要进行温度环境试验 为了完成试验任务 取得良好的试验效果 达到预期的目的 地面点火试验时必须编制试验大纲 制定安全可靠的试验方案 采用满足试验要求的试验与测量设备 同时采取有效的安全技术措施 2 2考