地面点火试验准备-固体火箭发动机设计

2023-08-02 理论教育版权反馈

【摘要】：固体火箭发动机的地面点火试验是在专用试车台架上进行的，每次试验都应当根据试验目的和试验要求选择不同的试车台架。图6.3美国T-97固体火箭发动机试车台根据试验时发动机的安装姿态，试车台可分为水平试车台和垂直试车台两种类型。其优点是发动机试验状态与工作姿态一致。只有经过校准后确定系统的各指标满足地面试验测试要求，才能开展地面点火试验。校准完成后，脱开加力装置，即可进行点火试验。

固体火箭发动机的地面点火试验是在专用试车台架上进行的，每次试验都应当根据试验目的和试验要求选择不同的试车台架。此外，试车台架均应具备实现发动机安全点火、使发动机安全工作、在工作过程中进行参数精确测量的功能和条件。

（一）试车台的类型与特点

试车台的构成主要包括试车台体构造、技术设施和试验设备等三类。对试车台的基本要求是安全可靠、操作方便，既应保证发动机在正常情况下能安全可靠地工作，又能在发动机出现异常或紧急情况时及时地进行安全防护。

试车台的建筑规模主要取决于发动机的结构尺寸和工作推力，根据试验发动机的大小不等，试车台的承载能力可从几千牛到几万千牛，如美国为航天飞机固体火箭助推器T-97进行地面试验时就建造了16 MN的巨型试车台，如图6.3所示。

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图6.3　美国T-97固体火箭发动机试车台

根据试验时发动机的安装姿态，试车台可分为水平试车台和垂直试车台两种类型。

1.水平试车台

水平试车台也称为卧式试车台，其主要特点是发动机水平安装于试车台上。发动机试验过程中质量的变化对测量结果影响较小，系统在进行推力测试时对侧向力的敏感性较低。水平试车台有两种结构形式：一种是敞开式的，如图6.4所示；另一种是可封闭式的，如图6.5所示。敞开式试车台直接安装于大气相通的环境中，适用于对环境条件（温度、环境压力等）没有特殊要求的试验场合；封闭式试车台在发动机工作时与大气隔离，它适用于对发动机环境条件有专门要求的试验，如高空模拟试验等。

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图6.4　敞开式水平试车台

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图6.5　封闭式水平试车台

2.垂直试车台

垂直试车台也称为立式试车台，发动机在试验时以垂直状态安装在试车台上。根据发动机安装的状态，垂直试车台又可分为发动机喷管朝下的正立式，如图6.6（a）所示，和发动机喷管朝上的倒立式，如图6.6（b）所示。垂直试车台的优点是便于测量发动机在工作过程中所产生的侧向力，但发动机在工作中质量的变化对推力测量值的影响较大。

正立式垂直试车台主体由带有导流槽的水平基座和立柱组成。其优点是发动机试验状态与工作姿态一致。试验时发动机的推力由基座和立柱承受，这就要求基座和立柱有足够的强度和刚度，同时能够承受燃气烧蚀。

倒立式垂直试车台中发动机倒置安装，试验时推力直接作用在地基上，燃气排放到空中，不存在气流冲刷和反作用力问题。倒立式试车台的结构比较简单，设计建造也较为容易，在发动机初始样机研制阶段应用较多。

（二）试车架的结构组成与作用

试车架是将发动机按所要求的试验状态定位和固定在试车台上的一种试验设备。它直接参与推力、姿态控制力、瞬态推力和负推力的测量。试车架一方面要保证发动机正确的定位和连接，另一方面要与试车台体正确定位和连接，使发动机在试车过程中，保持规定的位置和状态，保证各参数测量的准确性。

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图6.6　垂直试车台结构简图

（a）正立式；（b）倒立式

试车架由静架、动架、推力架、测力组件和小位移元件等5个基本部分组成，另外还可根据试车架不同类型要求加上原位校准装置、安全限位装置、旋转动力装置等部分，各部分的组成与作用如下。

1.静架

静架是试车架的承力构件，由承受主推力和侧向力、发动机和动架质量等承载结构组成，它与试车台紧固地连成一体，承受各种作用力和力矩。它的连接部位，常常安装有活动连接件，可通过调节与测力组件、原位校准装置等连接。

2.动架

动架是定位和固定发动机的结构件，一方面与发动机定位和连接，确保与发动机一起运动；另一方面要提供与测力组件、原位校准装置、小位移元件的定位和连接，以确保准确测量。

3.推力架

推力架是发动机主推力的传力结构件，使发动机轴线对准主推力测量元件，也是动架的一部分。大型发动机试验用推力架一般为锥形结构，锥形大端与发动机前裙端面连接，小端与测力组件定位连接，发动机推力通过前裙端面传给推力架，并通过成锥形均匀分布的多根传力杆件集中到小端传给测力组件。

4.测力组件

测力组件是试车架感受发动机作用力的测量元件，一般由测力传感器、挠性件（如球面接头或板型弹簧等）和连接件组成，挠性件主要用以消除非轴向力对测量的干扰。

5.小位移元件

小位移元件是动静架之间的连接件和力传递部件，用以承载发动机-动架组合体的质量，并提供沿发动机推力方向运动的小位移自由度，减少发动机推力作用到推力传感器的传递路径上的阻力。常用的元件有滚动元件（如承载轴承等）和弹性元件（如挠性杆等）。

6.原位校准装置

原位校准是实现高精度试车架的静态校准的一种重要手段，传感器及相关组件的安装与发动机试验状态完全一致。它由校准力源、标准力传感器、传力件、安装连接件等组成。力源是用以模拟发动机推力的力发生器，它可以是机械的，也可以是液压的。力源加载、卸载过程要求稳定、可靠，标准力传感器用来指示力源力值，要求有好的稳定性和高的精度，其基本误差应小于0.1%，稳定度大于0.05%。

7.安全限位装置

它是试车架的安全防护构件，用来限制试车架可动部件在允许的正常范围内活动，超过允许范围，则起刚性限位作用。它有很高的强度和刚度，分布于试车架的薄弱环节处和关键部位，防止它们出现过大的变形和破坏，也可减小发动机工作异常时造成的破坏。

（三）测试系统的校准

测试系统的校准也称为标定，其目的是确定系统的性能指标是否符合地面测试试验的要求，如测量精度、灵敏度、稳定性、重复性、精密度、零点漂移等。只有经过校准后确定系统的各指标满足地面试验测试要求，才能开展地面点火试验。

在推力测试中，校准测力传感器的标准计量器具是力标准机，力标准机是复现标准力值的计量标准装置，其按照复现力值方式的不同可分为静重式、杠杆式（见图6.7）、液压式、叠加式等类型。

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图6.7　杠杆式测力计

由于推力测试中传感器、发动机、试车架的安装以及它们之间的相互作用都会影响测试精度，为了消除安装的影响及试验与校准环境差异等因素带来的误差，高精度推力测试台通常采用原位校准的方法。原位校准是将待试发动机、推力架、传感器及记录仪器在内的整个推力测试系统进行校准。校准完成后，脱开加力装置，即可进行点火试验。

压力传感器的校准通常在活塞式压力计上进行。活塞式压力计又称为静重式压力计，是利用帕斯卡定律和流体静力平衡原理工作的仪器，如图6.8所示。流体通过一套连通器实现静力平衡，作用在活塞系统的力值与传力介质（通常采用液压油）产生的反作用力实现力值平衡。活塞连通器系统的活塞和缸体（活塞筒）形成极好的动密封配合，在活塞有作用力时，其另一端的传压介质会产生与已知力值大小相等方向相反的力，通过作用力值和活塞的有效面积计算得到系统内传压介质的压力。

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图6.8　活塞式压力计

（a）实物图；（b）原理图

误差来源主要有标准仪器、被校验仪器以及使用环境等。活塞式压力计校准得到的压力的不确定度取决于仪器本身的物理特性以及外部影响因素。来自活塞式压力计本身的影响因素主要有：砝码、活塞系统的刚度、活塞系统的温度膨胀系数、流体的表面张力、垂直度影响，以及磁场对磁性部件的影响等；来自外部的因素主要有：使用地点的重力加速度、测试环境的参考压力、砝码在空气中受到的浮力、操作环境的受控程度和系统稳定性、系统泄漏等。在实际试验中可以根据试验项目的要求对相关误差进行分析，得到压力测试的系统误差。

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