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1、中国航天第三专业信息网第2 7 届年会航天动力技术发展与应用学木会议论文集美国高空模拟试验发展状况研究王志浩赵继伟( 航天科技集团公司四。一所，7 1 0 0 2 5 )摘要：碳纤维轻质材料、大膨胀比喷管、延伸喷管、耗尽关机，矢量控制等新技术日益广泛地应用在新一代发动机被计与制造技术中，这些技术的应用要求研钢和建设性能更高的高空模拟试验设备本文以在高空模拟试验方面拥有最强实力的美国为研究重点，介绍了其主要的高空模拟试驻设备、各试验设备的性能参数、可以进行的试验项目等并针对我国建设高空模拟试除设备建设研究和总结了建设高空模拟试验设备的关键设备及其建设方案主题词：高空模拟试验；发展状况；关键设备1
2、前言火箭发动机在研制过程中为满足设计要求，进行试验验证是必须的。对于工作在高空环境的上面级发动机，地面试验无法获得准确的性能数据，飞行试验又具有成本高、风险大、测试参数少、试后分析困难等缺点，有必要进行利用真空试验舱及温度控制设备实现高空环境模拟的高空模拟试验，它可以在基本满足受试发动机试验状态与工作状态一致的条件下实现较低成本和较小风险。近些年来，为了获得性能更好( 冲质比更高、精度更高) 的发动机，碳纤维、大膨胀比喷管、延伸喷管、高能推进、耗尽关机、矢量控制等新技术臼益广泛地应用在新一代发动机设计与制造技术中，这些技术的应用对现有的高空模拟试验设备提出了挑战，例如：在试验全程中存在燃气分离
3、和回流，无法全程考核喷管结构，不能为大膨胀比轻质喷管的研制提供准确的参数：扩压器入口直径相对较小，无法进行喷管摆动和展开试验，不能为延伸喷管和推力矢量控制技术的研制提供保障；不稳定的真空压强难以实现后效冲量的测量，不能精确获得发动机的全程真空推力。美国作为航天大国，是第一个开展商模试验研究的国家，因此，有必要对美国的高模试验台进行研究，为我国高空模拟试验能力不断改进和提高提供借鉴。2 美国高空模拟试验发展状况1 9 5 6 年，美国建成了第一座高空模拟试验台，模拟高度达到2 1 k m 。到1 9 6 4 年。建成了7 9 座高空模拟试验台，可以模拟高度从2 0 k m 1 2 0 l 【I
4、I l 的高空环境；推力范围从2 0 N 2 2 2 0 k N ：分别属于阿诺德发屐中心( A E D C ) 、爱德华空军基地火箭推进实验室( A F R P L ) ，美国宇航局白沙试验中心( W s T F ) 等94 4 1王志浩等：美国高空模拟试验发展状况研究家研究中心。8 0 年代，美国进行了高模试验台的改造工作，并论证和新建了一些高技术的高空模拟试验台。其中最先进最大的为阿诺德发展中心的J - 6 试验台。2 1 阿诺德发展中心的高空模拟试验设备美国的阿诺德发展中心( 见图1 ) 目前是高空模拟试验能力最强的试验基地，主要的高空模拟试验设备包括：T 一1 、T _ 3 、T -
5、 4 、T 一韶、J 一2 、J 一2 A 、J - 3 、J - 4 、J 一5 、J - 6 ，共完成高空模拟试验4 0 0 0多发，为大力神号运载火箭、洲际弹道导弹、和平者等型号的研制做出了重要贡献。图1阿诺德发展中心全景J - 3 试验舱J - 3 为立式试验舱，1 9 6 1 年首次试验，共完成固、液体火箭发动机点火试验上千发。其模拟高度为1 2 5 0 0 0 英尺，最大推力2 0 0 0 0 0 磅。但目前仅能用于装药极限为1 3级4 0 0 0 磅的发动机。除高模控制外，J 一3 试验舱还安装有一块液氦冷却板可模拟除低压外的低温条件( 2 0 F1 3 0 F ) 。J _ 3
6、 试验舱内径1 7 英尺，高4 0 英尺。该试验舱可以实现单项发动机试验和多级发动机整机试验，试验项目包括：高模超长周期试验、大面积比喷管试验( 出口直径最大达1 0 0 英尺) ，高空性能试验、点火性能试验、喷管研制、级间分离、热传输、振动、动态、失效分析( 推进器熄火) 、试后耐热等试验。图2d - 3 试验舱中国航天第三专业信息网第2 7 届年会航天动力技术发展与应用学术会议论文集J 一4 试验舱。J - 4 是大型液体、固体火箭发动机以及整体推进系统的立式试验舱，1 9 6 4 年5 月8 日首次试验( 大力神I L R 9 1 ) ，共进行固体、液体火箭发动机试验4 8 5 发。模拟
7、高度1 0 0 0 0 0 英尺，最大轴向推力1 5 0 0 0 0 0磅。但目前的安全测试极限为轴向推力5 0 0 0 0 0 磅，侧向推力5 0 0 0 0 磅。试验舱内的温度调节系鲴 可保证温度在5 0 F l l O F 的范围内。由于容积较大，它是唯一可以进行发动机整机试验的设备。其内径4 8英尺，高8 2 英尺，在轴向上连接一个4 3 英尺的延伸筒，高度将达到1 2 5 英尺a 轴向力测试精度优于0 5 。该试验舱还包括个直径为1 0 0 英尺深度2 5 0 英尺的大型除湿舱。可进行点火时间超过3 0 0 s试验，大面积比( 2 8 5 ：1 ) 试验、二次点火试验。图3J 一4
8、试验舱J - 4 试验舱容积较大，试验舱可以安装大型诊断设备：激光荧光器、红外线和紫外线显像、高速录影、实时x 光照相，以证实系统性能、结构的完整性及羽焰和流场的特性。它曾经进行过L R 一9 1 ( 大力神I I I I I 级发动机) 、L R 一8 7 ( 大力 十I I I C 发动机) 、j 2 ( 阿波罗土星) 、J 2 S ( 阿波罗后续发动机) 、R L 一1 0 、T R - 2 0 1 等液体火箭发动机和和平者I 【级发动机、民兵、m 级发动机、海神级发动机、小型洲际弹道导弹二级发动机和恒星2 7 、1 3 A 等固体发动机。J - 5 试验舱卧式试验舱J 一5 是固体火箭
9、发动机静态试验舱，1 9 6 4 年3 月3 l 曰首次试验( 瑚级发动机) ，共进行固体、液体火箭发动机试验6 4 8 发。其模拟高度在点火条件下为1 0 0 0 0 0 英尺，静态条件下为1 4 0 0 0 0英尺，最大推力为1 2 5 0 0 0 磅。辅助泵系统可以用来提高试验舱的模拟高度或者排除由燃气发生器、推力矢量控制系统、推力终止装置释放的气体。试验舱直径1 6 英尺，长5 0 英尺。温度调节系统可保证舱内温度在1 5 F 1 I O F 的范围内。多分力测量系统能够精确提供弹道参数，其轴向推力测量范围为O 1 2 7 0 0 0 磅，偏心力2 2 0 0 0 磅、倾斜力7 5 0
10、 0 0 磅，轴向推力墩可承载3 0 0 0 0 0 磅推力。遥控式轴向校准4 4 3王志浩等：美国高空模拟试验发展状况研究器可以在0 1 2 7 0 0 0 磅范围内以增量为i 0 0 0 磅进行校准。倾斜力、偏心力以及离心力可以由试验室所提供的校准砝码进行校准。利用一个柔性旋转试验架，该试验架可对受试发动机同时进行高模与旋转试验，根据发动机自身重力其转速最高可以达到2 5 0 r p m 。图4 卜5 试验舱试验功能包括：高模超长周期试验、发射压力剖面试验、大面积比喷管试验、高空性能试验、点火性能试验、旋转试验、喷管研制、级间分离试验、热传输试验和试后耐热试验、振动试验和动态试验、失效分析
11、( 推进器熄火) 试验等。很多发动机曾经在J - 5 试验舱进行过试验，包括侦察员发动机、海狸I I 和I I A 级发动机，民兵I I 、级发动机、雅典娜制动火箭、大力神级缩比发动机、海神级发动机、和平者级发动机、国际通讯级发动机、小型洲际弹道导弹、级发动机、恒星3 7 、6 3 以及固体推进气体发生器和其它演示型号发动机。J 一6 试验舱r 6 试验舱是为推力为8 0 0 0 0 磅的1 1 级推进剂的高能固体火箭发动机高空模拟试验设计的，1 9 9 4年8 月首次试验( P K N 级发动机) ，截止1 9 9 8 年共进行固体火箭发动机试验4 l 发。它与阿诺德空军基地的其它试验舱相距
12、0 5 英里以上，以避免爆炸可能造成的破坏。其模拟高度为1 0 0 0 0 0 英尺，最大推力为5 0 0 0 0 0 磅，内径2 6 英尺，长6 2 英尺。从发动机安装到位到发动机点火前( 模拟条件实现) ，温度调节系统能够使试验舱温度始终保持在1 5 F I I O F 的范围内的某一指定温度上。该试验舱还包括一个直径为1 0 0 英尺深度2 5 0 英尺的大型混凝土真空除湿舱，可以进行理想状态下宇宙飞船特殊试验和发动机羽焰的研究。被测发动机最大尺寸为直径1 3 英尺，长4 0 英尺，可进行2 5 0 r p m 旋转试验。舱内试验架；宽6 1 0 m 。长1 8 2 9 m ，可测六分力
13、，燃烧时间7 0 s ，燃气最大流率? O O k g s ，模拟点火压力1 1 0 4 P a ，模拟高度3 0 k m 。发动机关机时总环境压力2 0 2 6 k P a ；滞后点火保持备用状态3 0 m i n ；喷管转4 4 4主曼堕墨笙三主些堡墨塑箜! ! 星竺垒堕茎塑查茎查垄垦兰查旦兰查垒鲨笙奎叁动角度8 。；延伸出口锥在发动机点火后展开展开之前喷管姿态角度为6 。蒸汽产生系绳包括；5 个储压器，最大压力为4 9 6 4 k P a ，储水1 5 8 6 T ，每小时产生蒸汽2 2 6 5T 。冷却水系统包括：高位水箱1 3 2 5 0 m 3 ，箱底可承受压力4 8 3k P a
14、 用来冷却扩压器和储气罐。该试验舱可以安装声学传感器、激光定位系统、红外线和紫外线显像、高速录影等诊断设备，以及精密光学对准系统、紧急雨淋系统、检查人员出口、观察窗、空气输入阀。其试验功能包括：高模超长周期试验、大面积比喷管试验、高空性能试验、点火性能试验、旋转试验、喷管研制、级间分离试验、热传输试验和试后耐热试验、振动试验和动态试验、失效分析( 推进器熄火) 试验等。它曾经是进行过民兵S t a g e s I I 、级发动机、和平者、级发动机等。该试验舱适合进行装药量大或填充高能推进剂的发动机试验。图5d - 6 试验舱2 2 爱德华空军基地的高空模拟试验设备爱德华空军基地包括卜4 2 和
15、卜1 4 试验台。其中1 - 4 2 试验台包括5 个试验台、一个控制台、一个蒸汽生产车间、一个1 4 M 加仑的冷却塔，一个操作间和一个试验车。卧式试验舱1 4 2 A 用于固体火箭发动机高空模拟试验，采用蒸汽引射，模拟高度3 3 k s ，最大推力2 2 0 k N ，最大流率7 5 k g s ，直径3 7 m ，长8 5 m ，最长点火时问3 0 0 s 。立式试验舱卜4 2 B 用于双推液体火箭发动机高模试验，采用蒸汽引射，模拟高度1 0 0 0 0 0 英尺，最大推力5 0 0 0 0 磅，试验舱尺寸为内径1 6 英尺，高2 8 英尺，顶盖直径为1 6 英尺。空问环境模拟试验设备1
16、 - 4 2 C 能够进行最高为6 5 0 0 0 0 英尺模拟高度的静态试验，试验舱为直径3 0 英尺的球体，压力可以达到I x l 0 。托，温度为- 3 0 0 F - 4 0 0 F 。卧式试验舱1 - 4 2 1 ) 用于固体火箭发动机高空模拟试验，模拟高度1 0 0 0 0 0 英尺，最大推力2 0 0 0 0磅，试验舱内径1 0 5 英尺，长2 5 英尺。羽焰匿控装置1 - 4 2 E 是针对发射场羽焰集结，和环境敏感型周体火箭发动机研究设计的高空模拟试验舱模拟高度为1 1 0 0 0 0 英尺，最大推力1 0 0 0 0 0 磅，试验舱尺寸为内径4 0 英尺长，1 6 英尺宽，能够容纳直径为3 0 英尺，长4 8 英尺的发动机。4 4 5王志浩等：美国高空模拟试验发展状况研究 图61 - 4 2 试验台2 3 美国宇航局白沙试验中心( W S T F ) 高空模拟设备固体液体推进试验设备T S 3 0 2立式试验舱模拟高度1 0 0 K f t
