[科普中国]-火箭发动机试验台

背景

发动机作为火箭的动力装置是火箭的心脏,其工作性能的好坏对整个火箭的工作起决定作用。固体火箭发动机主要由装药、燃烧室、喷管、点火装置、连接密封等部分组成。这些主要部件是否正常工作都将影响到发动机的工作,故试验前都要对其进行检查测试。发动机试验通常有飞行试验和地面试验。它们试验的目的不同,测量的参数也不同。飞行试验是对检验合格的发动机作最终的性能评判,它一般结合整个飞行器来综合衡量。试验常考虑在不同的温度、大气压力、密度或湿度下进行。火箭发动机地面试验一般在试验台上进行1。

分类按试验时的安装状态分,发动机试验台可有水平(卧式)试验台、垂直(立式)试验台与倾斜试验台三类,以满足各类型火箭发动机的试验需要。

水平试验台可以在测试时消除发动机质量与重力对推力测量机构的影响,在这一点上,较垂直试验台优越。而垂直试验台的主要优点则为在伺服控制机构工作时,可精确测定作用在发动机上的控制力与干扰力。以美国航空喷气发动机公司为例,直径为3m以内,长度在24m以内,推力为5800kN量级的发动机可在水平台上试验;直径为4.5m、推力为13500kN的发动机,既可垂直,也可水平试验。垂直试验台可进行直径6.6m、33700kN的巨型发动机试验,试验时发动机喷管向上,便于在台上直接装填与固化。设计时应根据所要试验的火箭发动机类型,正确选择。

重要性在发动机地面点火试验中,试验台的精度是整个发动机试验的基础和前提,直接影响着发动机内弹道参数测量精度及测试和控制系统的工作质量2。

试验台设计要求试验台的设计要求如下:

(1)台架要有足够强度和刚度

发动机工作产生的推力从点火开始达到最大推力时间很短,甚至只有几个毫秒,对试验台架产生强烈的冲击振动"对这样的动载荷,不仅应保证台架在最大推力和允许的过载力作用下不致破坏,而且定架应具有足够的刚度,其变形和推力传感器相比小的很多,可以忽略不计,可把台架看成刚体,只考虑推力传感器和弹簧板的变形。

(2)试验台要有较高的精度高

试验台的精度取决于试验台架的精度,试验台系统的动态特性以及数据采集和处理系统对数据采集和处理的能力。台架的精度一方面取决于台架中各零件的加工质量和安装精度,另一方面取决于动架与定架之间的摩擦约束阻力大小。因此,试验台架应有调整水平和同心的可调机构及基准面,或另备检测量具,以保证台架安装调整后达到所要求的水平度和同心度。摩擦约束阻力的大小应满足试验台精度的要求,用弹簧板支撑可得到满意的效果。试验台应能够快速、准确反映推力压力信号随时间的快速变化,因此试验台应具有较好动态特性"数据采集和处理系统对数据的采集和处理能力主要包括传感器的精度和采集卡的采集频率以及测试软件的功能等。

(3)推力传感器能进行原位标定

通常的推力传感器是在专用的设备上标定后再安装在台架上,这样来回装卸容易带来误差,操作也麻烦费时。该试验台设计要求最大推力为2kN,为小推力试验台,同时为了能达到推力测量有较高精度,应能对推力传感器进行原位标定。采用原位标定可以提高推力测量的精度、缩短试验周期。

(4)试验台要结构简单,安装、调试、加载方便。

固体火箭发动机试验台设计包括基座设计、台架设计、标定系统设计、数据采集和处理系统设计。