固體火箭發(fā)動機測試與試驗技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第一章概論固體火箭發(fā)動機試驗與測量技術(shù)是固體推進技術(shù)的重要組成部分。固體火箭發(fā)動機在研制過程中和在交付使用前，必須經(jīng)歷一系列試驗，主要有：(1)部件試驗：如燃燒室殼體靜力試驗、噴管擺動試驗、點火裝置發(fā)火試驗等(舉例：保險機構(gòu)打不開)；(2)發(fā)動機地面點火試驗；(3)使用性試驗，即模擬發(fā)動機使用時所處環(huán)境條件的試驗；(4)遙測飛行試驗：發(fā)動機作為全彈(箭)動力裝置參與飛行試驗。本書主要論述地面點火試驗、試驗裝置與設(shè)備、試驗中的測量方法、數(shù)據(jù)處理與不確定評估方法以及試驗測試常用的傳感器、儀器儀表與系統(tǒng)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity

研制新型號固體火箭發(fā)動機一般要經(jīng)歷研究、設(shè)計、試制、試驗等四個基本環(huán)節(jié)組成的一個循環(huán)。試驗在這個循環(huán)中處于關(guān)鍵地位。這不僅因為發(fā)動機的性能、精度、可靠性需要通過實驗來評定、驗證，而且還因為發(fā)動機研制過程中一些主要問題要依靠試驗來暴露，依靠試驗來尋找解決問題的途徑。舉例：某超高速魚雷使用兩臺固體發(fā)動機，性能靠試驗來保證。試驗在發(fā)動機研制的預(yù)研、模樣、初樣、試樣和批生產(chǎn)諸階段都起著重要作用。在預(yù)研階段，側(cè)重于發(fā)動機新的設(shè)計理論、新的結(jié)構(gòu)形式、新材料、推進劑新的配方等單項技術(shù)研究與攻關(guān)。這期間不僅要做單項或部件試驗，同時也要把諸項新技術(shù)綜合設(shè)計在一個“綜合試驗發(fā)動機”上做地面點火試驗，進行綜合考核，來驗證發(fā)動機新的設(shè)計理論的正確性、新的結(jié)構(gòu)形式的可行性、新材料與新配方的先進性和工藝適應(yīng)性。一般說來，只有通過預(yù)研階段充分試驗考驗過的新技術(shù)才允許在新的型號研制中采用。舉例：某水沖壓發(fā)動機的研制。1.1試驗的地位與作用

在模樣階段，試驗的主要作用在于考核發(fā)動機設(shè)計方案的可行性、結(jié)構(gòu)合理性、所采用的各項新技術(shù)的相互匹配性、協(xié)調(diào)性。通過試驗暴露問題，為改進設(shè)計指出方向和尋找途徑。在初樣階段，發(fā)動機的總體方案已經(jīng)確定，各部件的結(jié)構(gòu)、材料及推進劑配方已經(jīng)基本確定，一般不再做重大調(diào)整。這個階段，發(fā)動機要進行大量的使用性試驗即模擬使用環(huán)境條件的試驗，如：振動、加速度、沖擊、運輸、溫度循環(huán)、貯存等試驗。經(jīng)這些環(huán)境試驗的發(fā)動機一般都要再做地面點火試驗，考核發(fā)動機經(jīng)過環(huán)境試驗后工作的可靠性。同時還要對發(fā)動機的性能參數(shù)作出評價：是否滿足全彈的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求。還要對工藝可行性、穩(wěn)定性作出評價。在試樣階段，一般要進行組成發(fā)動機試驗，對發(fā)動機性能參數(shù)的精度作出評價，所以試樣階段的試驗屬于精度試驗，為飛行試驗提供數(shù)據(jù)。該階段試驗還要繼續(xù)考核工藝穩(wěn)定性，為定型生產(chǎn)提供依據(jù)。在批生產(chǎn)階段，進行定型后的鑒定性抽樣試驗。其作用是檢驗工藝穩(wěn)定性與可靠性、檢驗發(fā)動機性能參數(shù)是否落在設(shè)計規(guī)定的范圍內(nèi)。綜上所述，固體火箭發(fā)動機試驗研究是固體火箭發(fā)動研制工作的重要組成部分，離開了試驗，固體火箭發(fā)動機技術(shù)就無從發(fā)展。

使用性試驗就是發(fā)動機在使用過程中受到各種因素影響的試驗。這些因素不論是對單個發(fā)動機還是對裝在導(dǎo)彈上的發(fā)動機，在使用過程中都可能影響其工作性能和可靠性。為了考驗發(fā)動機在各種環(huán)境因素影響下的可靠性，使用性試驗是不可缺少的。使用過程中受到的影響因素很多，綜合起來可分為機械影響、氣候影響及生態(tài)影響。航天用發(fā)動機還可能受到真空影響、宇宙射線影響等。但是最常見的影響是機械影響與氣候影響。機械影響來源于各種形式的運輸、裝卸起吊及飛行中的加速度、離心力，貯存時裝藥的自重等等。氣候影響如何使用地域上的溫差、晝夜溫度交變、高濕度、煙霧、風(fēng)暴塵埃等。為了保證導(dǎo)彈系統(tǒng)在各種影響因素作用下都可靠地工作，進行一系列使用性試驗來評定、考驗發(fā)動機的使用安全性與可靠性是十分必要的。(舉例：運到巴基斯坦的發(fā)動機)1.2使用性試驗的作用與內(nèi)容

固體火箭發(fā)動機使用性試驗，包括下列幾種：

(1)振動試驗固體火箭發(fā)動機振動試驗是在振動試驗臺上進行的。振動試驗臺由振動激振器、發(fā)動機固定裝置及控制系統(tǒng)組成。振動試驗方法可分為兩類。即諧波激振法和隨機激振法。對于軍用產(chǎn)品，用隨機振動模擬使用條件較為合理。

(2)沖擊試驗沖擊試驗的目的是檢驗發(fā)動機在預(yù)定的沖擊載荷作用下工作性能和可靠性。沖擊試驗在沖擊試驗臺上進行。最簡單的沖擊試驗臺是自由落體式試驗臺，它將發(fā)電機提升到一定高度并吊住后釋放，發(fā)動機自由落體下沖擊到有一定墊層要求的臺體基礎(chǔ)上，然后檢驗發(fā)發(fā)動機落下沖擊后的結(jié)構(gòu)變化與性能變化情況。

(3)運輸試驗運輸設(shè)備的振動無明顯重復(fù)性，產(chǎn)生的力是非周期性的，由于道路不平，引起的沖擊擾動是隨機性的振蕩，按美國專家給出的數(shù)據(jù)，在公路上運輸?shù)恼駝宇l率為2~3Hz,10~20Hz及80~100Hz，加速度幅值約為；在鐵路運輸時，頻率為3~5Hz，加速度幅值為。發(fā)動機公路運輸條件要規(guī)定公路路面等級、運輸?shù)木嚯x及速度。鐵路運輸試驗要規(guī)定試驗路程、速度等。(4)環(huán)境條件試驗環(huán)境條件指溫度、濕度、氣壓等條件。環(huán)境試驗的一種主要形式是試驗各種溫度狀態(tài)對發(fā)動機性能的影響，參考文獻[1]推薦可用以下溫度試驗評定短期貯存時發(fā)發(fā)動機的設(shè)計特性：

1)熱環(huán)境條件在溫度305K條件下保溫10h，再在5h內(nèi)升溫至325K，保溫4h，然后在5h內(nèi)降低溫度至305K;2)冷環(huán)境條件在223K溫度下保持24h再降至219K;3)溫度循環(huán)建議發(fā)動機在整裝狀態(tài)下作一星期的溫度循環(huán)試驗。

(5)貯存試驗便于長期貯存是固體火箭發(fā)動機的優(yōu)點之一，但其貯存期要通過貯存試驗來確定。發(fā)動機處于較長服役期內(nèi)，其性能的穩(wěn)定性要求非常嚴格。影響性能穩(wěn)定性的因素很多。首先，固體推進劑的基體是高分子聚合物，其物理和化學(xué)性能隨著貯存時間的增長產(chǎn)生老化，這就會給發(fā)動機的性能和工作帶來影響或危險性；其次，近來發(fā)動機殼體、噴管廣泛采用各種聚合物材料，如玻璃鋼、有機纖維復(fù)合材

料等，這些非金屬材料也會隨著時間的延長而產(chǎn)生老化，即使是金屬材料也會出現(xiàn)銹蝕或變形；此外，各種密封件的老化、永久變形，嚴重時，會產(chǎn)生密封失效；發(fā)動機長期水平放置時，由于重力的影響，裝藥的幾何尺寸會發(fā)生變化，嚴重時會出現(xiàn)裂紋和脫粘，一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，很可能導(dǎo)致發(fā)動機點火時爆炸。凡此種種因素的影響，無法用計算的方法加以評定，只有靠貯存試驗來考核。長期貯存試驗的目的就是要確定發(fā)動機服役的有效期。要編制貯存試驗大綱，內(nèi)容包括貯存試驗的發(fā)動機臺數(shù)、隨機貯存的各種材料的試驗件數(shù)量、貯存庫房的環(huán)境條件要求、貯存期內(nèi)的檢查和到期發(fā)動機的地面點火試驗。對某些材料的試件還可以做快速老化的試驗來獲得敏感的老化參數(shù)。根據(jù)掌握的有關(guān)數(shù)據(jù)，編制維修工作計劃，更換短壽命的零件(如密封圈之類)，最后規(guī)定固體火箭發(fā)動機的服役期限。舉例：關(guān)于密封圈的更換

地面點火試驗又稱試車，相對于飛行試驗而言可稱其為靜止試驗，其特點可以歸納為以下幾點：

(1)工作時間短且測量環(huán)境惡劣固體火箭發(fā)動機工作時間短，只有零點幾秒到數(shù)十秒，最長不過百余秒，在很短的時間內(nèi)，燃燒室中推進劑燃燒要釋放出巨大的能量，產(chǎn)生高溫(3000~4000K)、高壓(3~25Mpa)的燃氣，通過噴管噴出，流速可達2000m/s,同時伴隨著強烈的振動和發(fā)出巨大的噪聲，這樣就形成了非常惡劣的測量環(huán)境。同時由于工作時間短，各種參數(shù)變化快，對各參數(shù)的測量傳感器和儀器要求具有快速測量能力和防高溫、耐高壓、抗沖擊及抗干擾的能力，因此對測量技術(shù)的要求是很高的。

(2)技術(shù)領(lǐng)域廣，工作系統(tǒng)多試驗與測量集中了許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)(包括管理科學(xué))，是一項系統(tǒng)工程。固體火箭發(fā)動機是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中若干最新成就所研制的尖端產(chǎn)品，對它進行試驗要涉及許多技術(shù)領(lǐng)域，如現(xiàn)代測量技術(shù)、機械設(shè)計技術(shù)、電子技術(shù)、真空低溫技術(shù)、精確計量技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)，對結(jié)果的分析還要用到現(xiàn)代數(shù)理統(tǒng)計及可靠性技術(shù)等等，只有把這多種技術(shù)、多種系統(tǒng)、分系統(tǒng)及分散在各崗位的技術(shù)人員組織起來使之有計劃、有步驟地協(xié)同工作，試驗才能完成。因此，只有采用系統(tǒng)管理科學(xué)，才能組織好地面點火試驗。1.3地面點火試驗的特點(3)試驗費用高，次數(shù)少大型固體發(fā)動機造價昂貴，每次試驗耗資數(shù)十萬甚至數(shù)百萬元，而其一臺發(fā)動機只能試驗一次。昂貴的造價決定了用于點火的發(fā)動機數(shù)量不能太多，這就要求精心組織每次試驗，做到穩(wěn)妥可靠、萬無一失，并盡可能多地獲得一些測量數(shù)據(jù)。

(4)不安全因素多，危險性大研制初期的發(fā)動機容易發(fā)生故障，甚至發(fā)生爆炸，因此試驗中的安全技術(shù)措施非常重要，要做好各種防范措施。

(5)環(huán)境污染嚴重固體火箭發(fā)動機點火試驗時，排除的大量燃氣中，含有一定量的有害氣體和氧化鋁微粒，擴散到空氣中，會造成大氣污染，一旦試驗失敗，要動用消防水滅火，產(chǎn)生的污染水流入周圍地區(qū)和河流，也會造成環(huán)境污染，必須進行檢測和治理。舉例：實驗室門口的樹。由于點火試驗具有上述特點，因此，對試車臺的建立、試驗設(shè)備的配置、發(fā)動機參數(shù)的測量系統(tǒng)等提出了特殊的要求，這些要求將在以后的各章中分別敘述。

固體火箭發(fā)動機的試驗研究是在專門的試驗基地進行的。許多國家對試驗基地建設(shè)非常重視，美國是世界上擁有固體火箭發(fā)動機試驗基地最多的國家。這些基地一般擁有：

臥式、立式試車臺；

高空模擬試車臺；

高溫、低溫試驗室；

振動、沖擊試驗臺和貯存試驗庫；

測量控制中心與計算中心；校準測量傳感器的計量中心；對試驗發(fā)動機進行檢查、裝配，試驗后進行分解、測量的車間；

試驗技術(shù)、測量技術(shù)研究室。1.4地面試驗基地的組成

固體火箭發(fā)動機試驗與測量技術(shù)是根據(jù)火箭發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的需要，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高而發(fā)展起來的。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型的高強度、低密度材料的出現(xiàn)，高能推進劑的研制成功，新的設(shè)計理論的突破，固體火箭發(fā)動機的性能有了很大的提高。這樣對發(fā)動機試驗技術(shù)與測量技術(shù)就提出了更高的要求。固體火箭發(fā)動機試驗技術(shù)發(fā)展大約可歸納為以下幾點：

(1)試驗?zāi)芰M一步提高用于航天助推器的固體火箭發(fā)動機通常是非常大的如美國的“大力神-C3”火箭有兩個直徑3m的發(fā)動機，總推力達9000kN，美國還研制了直徑4m和6.6m的固體推進器、推力達幾十兆牛。為試驗這種巨型火箭發(fā)動機必須建造巨型試車臺。首先遇到的是巨型試車架的設(shè)計與制造問題，運輸、起吊問題，還有數(shù)十兆牛力值的傳感器計量與校準，建立數(shù)十兆牛力值的標準等等，都需要突破一系列技術(shù)難關(guān)。

(2)測量系統(tǒng)的特殊要求一些具有特殊用途的發(fā)動機，如多次啟動的發(fā)動機、宇宙飛船上彈射救生的逃逸發(fā)動機，有的工作時間極短，推力又非常大，這些發(fā)動機試驗對測量系統(tǒng)要求測量系統(tǒng)有很好的動態(tài)特性，能不失真地測量推力脈動，這些都是目前尚待解決的技術(shù)難點。1.5試驗技術(shù)的發(fā)展與展望(3)測量方法將有新的突破固體火箭發(fā)動機地面點火試驗中瞬時燃速的測量、瞬時質(zhì)量流量測量、噴管擺動的瞬時中心的測量、內(nèi)外流場測量等，隨著高能直線加速器、X射線CT技術(shù)、激光全息技術(shù)等在火箭發(fā)動機試驗中的應(yīng)用，可望有新的突破。

(4)高空模擬試驗的要求更高，范圍更大隨著發(fā)動機技術(shù)性能提高，高空模擬試驗領(lǐng)域內(nèi)，不僅模擬高度要提高120km以上，同時還要模擬溫度環(huán)境(氣動加熱)、宇宙射線輻射環(huán)境及微重力環(huán)境，甚至還要模擬宇宙間的“冷”、“黑”等環(huán)境，無疑這又將提出新的技術(shù)課題。舉例：小衛(wèi)星的發(fā)射，旋轉(zhuǎn)發(fā)動機。

(5)計算機輔助試驗與仿真技術(shù)的應(yīng)用為減少試驗次數(shù)，節(jié)省費用開支，可通過少量試驗，獲得一定量試驗數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，利用計算機輔助試驗或仿真來解決部分試驗問題。當然計算機仿真技術(shù)不能完全代替發(fā)動機點火試驗，最終還得靠熱試車來驗證、評定發(fā)動機性能參數(shù)。舉例：藥型設(shè)計的模擬以及在模擬方面的優(yōu)勢。

2.1概述地面點火試驗是按試驗任務(wù)書要求，將發(fā)動機以一定方式（以不影響推力測量為原則）安裝在試車臺架上，按著預(yù)先設(shè)置的程序點燃推進劑，使發(fā)動機工作并按指令完成規(guī)定的動作，同時進行參數(shù)測量的全過程。地面點火試驗的主要目的如下：考核結(jié)構(gòu)的完整性和合理性；考核各分系統(tǒng)的工作可靠性及其匹配關(guān)系；評定發(fā)動機的內(nèi)彈道特性；測得發(fā)動機的能量特性；測得其他特性參數(shù)；CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第二章地面點火試驗15CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity地面點火試驗的基本特點和主要要求是：1）經(jīng)濟性由于用于地面點火試驗的發(fā)動機實物數(shù)量不可能很多，尤其是大型發(fā)動機地面點火試驗的次數(shù)是很有限的，這就要求每次試驗都能獲得盡可能多的有用信息，并且這些信息是準確可靠的，即應(yīng)以最少的投入獲得最大的效益；2）實用性試驗與測試設(shè)備應(yīng)處于最佳工作狀態(tài)，試驗結(jié)果令人滿意，不出現(xiàn)由于試驗程序和其它人為因素而造成的附加影響甚至不良后果。3）先進性主要表現(xiàn)為試驗與測試設(shè)備性能的提高，使測得的各特征參數(shù)更加精確，進而使對發(fā)動機結(jié)構(gòu)可靠性和性能可靠性的評定置信度更高。2010年8月31日美戰(zhàn)神火箭發(fā)動機進行低溫試驗推力達1633噸

該項火箭發(fā)動機試驗耗資7500萬美元。1617CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity

地面點火試驗是個比較復(fù)雜的工作過程，通常都要經(jīng)過試驗準備、點火試驗、試驗結(jié)果分析與評定等主要階段；在工藝上包括發(fā)動機吊運、試車架安裝調(diào)試、傳感器性能檢定、測量系統(tǒng)的配套與調(diào)試、點火程序控制、參數(shù)測量及數(shù)據(jù)處理等若干個工藝環(huán)節(jié)。有的發(fā)動機還要進行溫度環(huán)境試驗。為了完成試驗任務(wù)，取得良好的試驗效果，達到預(yù)期的目的，地面點火試驗時必須編制試驗大綱，制定安全可靠的試驗方案，采用滿足試驗要求的試驗與測量設(shè)備，同時采取有效的安全技術(shù)措施。2.2考核項目與測量參數(shù)固體火箭發(fā)動機地面點火試驗的考核項目與測量參數(shù)可分為兩類：一類用于評定發(fā)動機的結(jié)構(gòu)性能，另一類用于評定發(fā)動機的工作性能。18CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity2.2.1結(jié)構(gòu)性能及其有關(guān)參數(shù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)性能多數(shù)是通過結(jié)構(gòu)試驗加以考核的。從評定結(jié)構(gòu)可靠度的角度出發(fā)，可以把固體火箭發(fā)動機分為以下幾個分系統(tǒng)：

1).裝藥-點火系統(tǒng)；

2).殼體-包覆層-絕熱層系統(tǒng)；

3).噴管-推力矢量控制系統(tǒng)。上述各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性、工作可靠性以及各結(jié)合面的密封性能等通常都需通過地面點火試驗加以考核和評定。雖然在試驗階段的發(fā)動機還不能與最終方案達到完全一致，但這并不妨礙對基本上與飛行狀態(tài)相一致的各分系統(tǒng)的評定。通過結(jié)構(gòu)試驗可以獲得下列結(jié)果：

1).絕熱層的熱防護性能及其粘結(jié)強度；

2).殼體材料的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等數(shù)據(jù)；

3).噴管及其喉襯的耐燒蝕、抗沖刷和抗熱震性能；

4).推力矢量控制部件的工作性能；

5).點火器的點火性能；

6).噴管與殼體等各連接部件的連接強度和密封性能；

7).與結(jié)構(gòu)性能有關(guān)的其它參數(shù)；19CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity2.2.2工作性能及其有關(guān)參數(shù)發(fā)動機的工作性能主要包括內(nèi)彈道特性和能量特性，與這兩種特性有關(guān)的主要參數(shù)是壓力-時間和推力-時間參數(shù)。（1）壓力-時間歷程

燃燒室壓力-時間歷程是地面點火試驗必須測量的參數(shù)，它是評定發(fā)動機內(nèi)彈道性能的依據(jù)，通過對壓力-時間測量結(jié)果的處理可以進一步得到下列各特征參數(shù)：最大壓力； 最小壓力；壓力沖量； 壓力比沖；工作時間平均壓力； 燃燒終點壓力；裝藥的燃燒時間；發(fā)動機的工作時間；點火延遲時間；特征速度；燃氣的平均秒流量；裝藥的平均燃燒速度。20（2）推力-時間歷程發(fā)動機的推力-時間歷程是評定發(fā)動機能量特性的依據(jù)，通過對推力-時間測量結(jié)果的處理可以得到下列各特性參數(shù)：最大推力； 最小推力；燃燒時間平均推力； 工作時間平均推力；推力系數(shù); 發(fā)動機總沖;有效沖量； 發(fā)動機比沖；真空推力（高空模擬實驗）；真空比沖（高空模擬實驗）；真空推力系數(shù)（高空模擬試驗）。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity212.2.3其他參數(shù)在地面點火試驗時還根據(jù)試驗需求進行下述各類參數(shù)的測量：發(fā)動機的振動加速度和振動頻率；噴管和其他零件的應(yīng)變、溫度；推力偏心；控制力和控制力矩；噴管擺角和擺動角速度；發(fā)動機在工作過程中各部件產(chǎn)生的位移；推力終止參數(shù)；發(fā)動機在試驗前、后的質(zhì)量；噴管喉徑和出口面直徑在試驗前、后的數(shù)值；熱防護層的剩余厚度。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity222.3試驗類型（1）常規(guī)試驗常規(guī)試驗亦稱為結(jié)構(gòu)試驗，這是一種最基本、最常用的試驗方法,發(fā)動機在研制過程中的很多技術(shù)問題都需通過常規(guī)試驗來暴露并加以解決。這類試驗有兩個主要目的，其一是考核和評定發(fā)動機結(jié)構(gòu)的完整性和工作的可靠性；其二是測得發(fā)動機的內(nèi)彈道性能參數(shù)。常規(guī)試驗的主要特點是對試驗無特殊要求，試驗條件與測試要求比較容易達到，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：對推力測量精度要求較低，甚至有時可以不進行推力測量；采用普通試車架，試驗工裝成本較低；測量的參數(shù)少，測量條件比較容易保證；操作比較簡單。常規(guī)試驗適用于研制初期的各種型號的發(fā)動機。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity23（2）性能試驗性能試驗亦稱高精度試驗，這也是一種常用的試驗方法。性能試驗主要用于精確測量發(fā)動機的能量特性，為總體提供較精確的比沖（或總沖）數(shù)據(jù)和推力-時間曲線，同時進一步考核結(jié)構(gòu)性能和評定內(nèi)彈道性能。這類試驗的特點是對試車架的動、靜態(tài)性能要求較高，試驗時要求測量的參數(shù)多，操作程序復(fù)雜。性能試驗適用于研制后期的發(fā)動機以及定型發(fā)動機的抽樣檢查試驗。（3）高空模擬試驗高空模擬試驗（簡稱高模試驗）是一種在地面進行的、使發(fā)動機在人為形成的高空低氣壓環(huán)境中點火工作并進行參數(shù)測量的試驗方法。高模試驗屬于性能試驗，用于精確測量發(fā)動機的真空比沖或總比沖和在高空條件下的推力-時間曲線，考核發(fā)動機，特別是大面積比的高空噴管在低氣壓條件下的結(jié)構(gòu)可靠性與傳熱特性，評定發(fā)動機的高空點火性能和推力矢量控制性能等。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity24

高模試驗的特點是試驗技術(shù)復(fù)雜、要求高，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：1）試車設(shè)備和試車臺的技術(shù)設(shè)施比較復(fù)雜，它不但需要精度很高的試車架，而且需要產(chǎn)生和維持高空低氣壓條件所必須的試驗艙、排氣擴壓器、預(yù)抽真空系統(tǒng)，還需要在發(fā)動機工作即將結(jié)束時使試驗艙壓力恢復(fù)到常壓，防止燃氣回流沖擊的補氣裝置；2）由于高模試驗時發(fā)動機是在具有一定真空度的試驗艙內(nèi)工作的，一旦發(fā)生故障，其損失和危害都比其他類型的試驗大，這就要求高模試驗的發(fā)動機有更高的結(jié)構(gòu)可靠性，為此，這類發(fā)動機必須經(jīng)過充分的地面試驗的考核；3）由于試驗設(shè)備的復(fù)雜化，使影響試驗的不可靠環(huán)節(jié)增多，這就要求所有的試驗設(shè)備都必須工作可靠，為此，試驗前要對各系統(tǒng)進行認真的檢查；4）試驗過程復(fù)雜，工作周期長，技術(shù)難度大；5）測試項目多，精度要求高。

高模試驗適用于高空條件下工作的發(fā)動機，如多級火箭的第二、三級發(fā)動機和發(fā)射衛(wèi)星用的遠、近地點發(fā)動機等。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity25（4）旋轉(zhuǎn)試驗?zāi)承?dǎo)彈或衛(wèi)星用的固體火箭發(fā)動機是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作的，為了考核發(fā)動機在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的工作性能與可靠性，就提出了做旋轉(zhuǎn)試驗的要求。旋轉(zhuǎn)試驗是使發(fā)動機在以一定速度繞軸線旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進行點火工作和參數(shù)測量的試驗方法。通過旋轉(zhuǎn)試驗可以考核發(fā)動機在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的點火性能和結(jié)構(gòu)性能，評定由于旋轉(zhuǎn)而帶來的氧化鋁沉積對燃速的影響。這類試驗對試驗與測量裝置的要求是：試車架上需裝有使發(fā)動機按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的動力裝置和傳動機構(gòu)；過渡架上需裝有便于在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下傳遞測量參數(shù)的“集流環(huán)”或非接觸測量時所用的信號傳遞裝置。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity26（5）推力矢量控制試驗固體火箭發(fā)動機的推力矢量控制機構(gòu)有多種類型，近代大型固體火箭發(fā)動機較多采用的是柔性噴管。推力矢量控制試驗的主要目的是考核推力矢量控制機構(gòu)的工作可靠性，測量控制機構(gòu)的控制特性，如控制力、控制力矩、擺角和擺動角加速度等。對擺動噴管推力矢量控制試驗的要求是：試車臺需配置一套專用的液壓源；發(fā)動機及試車架都需在噴管擺動方向上有可靠的限位與固定；需要有指令信號發(fā)出裝置；需要有進行擺角、擺心、擺動角速度等參數(shù)測量的裝置；測試項目較多，除發(fā)動機參數(shù)外，通常還包括控制機構(gòu)的起動、位置、暫態(tài)、速度頻率和振動特性參數(shù)等。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity27推力矢量控制試驗中有時還要測量發(fā)動機的側(cè)向力，即推力的分力。側(cè)向力主要來源于控制機構(gòu)（如噴管的擺動）和發(fā)動機的不對稱性（如幾何不對稱性和氣動不對稱性），一般地說，由于推力控制機構(gòu)所產(chǎn)生的側(cè)向力是比較大的，而由發(fā)動機的不對稱性引起的側(cè)向力是比較小的。當需要知道發(fā)動機的推力分量，進而知道推力偏心角和橫向位移時，就需在多分力試車架上進行分力測量試驗。多分力試車架的設(shè)計及分力測量都有較大的技術(shù)難度，在分力測量中，多分力傳感器具有較大的適用價值。（6）推力終止試驗推力終止是指在發(fā)動機工作當中按指令將推力消除掉或使推力終止。液體火箭發(fā)動機的推力終止可通過關(guān)機來實現(xiàn)，而固體火箭不可能進行關(guān)機，因此其推力終止方法也與液體發(fā)動機不同。

CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity28固體火箭發(fā)動機的推力終止可有兩種方法，一種是用發(fā)動機上自帶的特制冷卻劑將推進劑的燃燒熄滅；另一種是在發(fā)動機的前封頭上開設(shè)一些小孔（這種小孔稱為反向噴管）。后一種方法不但經(jīng)濟性好、比較容易實現(xiàn)，而且終止精度較高、效果較好，因此已被廣泛應(yīng)用。這種方法的工作原理是：當需要終止發(fā)動機的推力時，通過控制機構(gòu)引爆起爆管，將反向噴管打開。反向噴管打開后即產(chǎn)生與主推力方向相反的反推力，當反推力與主推力略大于主推力，這樣，發(fā)動機便會產(chǎn)生一定量的負推力。推力終止試驗的主要目的是考核反向噴管及其打開機構(gòu)的工作可靠性，測量反向噴管打開時間及其同步性，測量反向噴管打開后所產(chǎn)生的負推力的瞬變過程等。進行推力終止試驗時需注意下列事項：反向噴管打開后，將在主推力方向上噴出火焰和拋出物，因此要特別注意試驗設(shè)備和人身安全；反向噴管打開后，發(fā)動機將存在負推力瞬變，因此，要求試車架及其測力組件具有承受一定反推力的能力。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity292.4試驗任務(wù)書與試驗大綱2.4.1試驗任務(wù)書試驗任務(wù)書是由設(shè)計部門根據(jù)發(fā)動機的研制計劃與研制需要擬制的，它是試驗單位編制試驗計劃（或試驗大綱）的技術(shù)依據(jù)，對試驗任務(wù)書的要求是：（1）時間要超前試驗任務(wù)書，特別是新型號發(fā)動機和對試驗、測試有特殊要求的發(fā)動機，其試驗任務(wù)書要為試驗留有足夠的準備時間。在準備時間內(nèi)將要完成試驗設(shè)備的設(shè)計與加工、測試設(shè)備的配置與調(diào)試和其它各項工藝技術(shù)準備工作；（2）任務(wù)要明確要明確提出試驗時間、試驗數(shù)量、試驗?zāi)康暮驮囼灥募夹g(shù)要求：（3）數(shù)據(jù)要完整準確對于一般的試驗，任務(wù)書中要給出下述各發(fā)動機參數(shù)：CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity30總質(zhì)量及裝藥量；外形尺寸，包括總長度、直筒段長度、直筒段直徑等；殼體材料；工作時間；預(yù)計的最大推力和平均推力；預(yù)計的最大壓力和平均壓力；對于高空模擬試驗的發(fā)動機，還應(yīng)給出下述各參數(shù)：燃燒終點壓力；理論p-t的曲線；燃燒室總溫；平均質(zhì)量流量；燃氣比熱比；噴管出口面氣流和馬赫數(shù)；出口面靜溫與靜壓；出口面定壓比熱；噴管出口半錐角。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity31（4）其它要求如對發(fā)動機的起吊與安裝要求、發(fā)動機加工的質(zhì)量情況及總裝出廠時的技術(shù)狀態(tài)等都需在適當?shù)臅r候向試驗單位進行比較詳細的技術(shù)交底。2.4.2試驗大綱試驗任務(wù)書會簽后，試驗單位需根據(jù)試驗任務(wù)書要求編制試驗大綱。試驗大綱是全面完成試驗任務(wù)所必需的指導(dǎo)性文件，它應(yīng)包括試驗的計劃管理工作、技術(shù)方案和質(zhì)量保證措施等各項內(nèi)容。編制試驗大綱時要充分考慮本試驗單位的試驗?zāi)芰?，而試驗?zāi)芰θQ于車臺的建筑規(guī)模、技術(shù)設(shè)施完善程度、測試設(shè)備的先進性與完整性。試驗大綱應(yīng)明確下述各項目：試驗期限；試驗類型；試驗場地；試驗設(shè)備及技術(shù)要求；測試儀器及其技術(shù)要求；試驗方案；工藝路線；完成單位及進度要求；試驗的安全措施；試驗的冷卻措施；關(guān)鍵崗位、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其控制措施；試驗結(jié)果處理與評定；試驗報告及其技術(shù)要求。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity322.5試驗過程與工作內(nèi)容地面點火試驗的全過程可按時間順序和工作性質(zhì)分為試驗準備、點火試驗、試后現(xiàn)場處理、試驗結(jié)果分析與評定等四個階段。2.5.1試驗準備階段試驗準備階段是指從試驗任務(wù)書會簽后到發(fā)動機上臺前這一個時期的工作。試驗準備階段的工作量可因發(fā)動機型號和對試驗的要求不同而不同。對于新型號發(fā)動機和對測試有特殊要求的發(fā)動機，在試驗準備階段往往要進行試驗工裝的設(shè)計與加工、測試儀器的配置與調(diào)試等，其工作量較大，所需的時間也較長。對于一般的試驗，這一階段通常要完成下述各項工作：（1）根據(jù)試驗任務(wù)書和試驗大綱要求，配備好試驗工裝并進行必要的性能調(diào)試；（2）編制點火控制與測試程序并對測試設(shè)備進行性能調(diào)試；（3）對試車臺各分系統(tǒng)進行檢查，使其達到正常工作狀態(tài)；（4）進行發(fā)動機上臺前的預(yù)裝和試裝；CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity33（5）根據(jù)任務(wù)書要求，對發(fā)動機進行保溫處理；（6）進行各項工藝技術(shù)準備，如編制工藝文件、繪制工藝圖等。2.5.2點火試驗階段通常把發(fā)動機進入試車臺到發(fā)動機點火完畢這一工作過程叫點火試驗階段（簡稱試驗階段），這一階段的工作程序如下：1）發(fā)動機吊起與轉(zhuǎn)運；2）發(fā)動機的安裝與調(diào)試；3）點火前的校準與檢查；4）發(fā)動機的點火與參數(shù)測量。這一階段的工作特點是環(huán)節(jié)緊湊、程序分明，每一環(huán)節(jié)都直接關(guān)系到試驗的成敗，因此對每項工作都有比較嚴格的技術(shù)要求。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity34（1）發(fā)動機的起吊與轉(zhuǎn)運這一環(huán)節(jié)的最終目的是將發(fā)動機從產(chǎn)品運輸車上平穩(wěn)、安全、可靠地調(diào)運到試車架上就位，為達到這一目的，必須采取合理的吊裝方法，采用性能可靠的吊具與吊車。合理的吊裝方法是指起吊位置與支撐位置相矛盾，盡量減少起吊發(fā)動機處于平穩(wěn)狀態(tài)，且不引起發(fā)動機變形。（2）發(fā)動機的安裝與調(diào)試發(fā)動機的安裝調(diào)試是指發(fā)動機在試車架上就位以后的一系列安裝與調(diào)整工作。這些工作包括發(fā)動機與動架之間的固定，過渡架、測力組件、校準組件的安裝以及安裝過程中發(fā)動機調(diào)整等。方位調(diào)整的目的是使發(fā)動機軸線、測力組件軸線和承力墩的承力面相垂直，使傳感器免受安裝力和力矩的影響，這對提高推力測量精度是十分有益的。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity35（3）點火前的校準與檢查為保證測控系統(tǒng)工作的可靠性和正確性，在發(fā)動機點火之前要進行預(yù)檢和校準，其中包括點火控制程序的檢查（此項檢查通常稱作合練）、各參數(shù)測量系統(tǒng)的校準等。高精度試驗時還要進行原位校準。原位校準的目的是檢查發(fā)動機的安裝情況，確定推力測量系統(tǒng)的靜標精度。對原位校準的要求是校準完畢后發(fā)動機的安裝狀態(tài)不再變動，如需進一步調(diào)整，調(diào)整后重新進行校準。原位校準時加、卸載循環(huán)次數(shù)不少于3次，校準點數(shù)不少于6點。（4）發(fā)動機點火與參數(shù)測量發(fā)動機點火必須在各項準備工作都充分做好以后再進行，而且要求點火電線的連接、合閘、啟動等項操作都必須準確無誤。參數(shù)測量是指發(fā)動機在工作過程中各種特征參數(shù)進行測量。測量參數(shù)及其測量路線的多少一般由試驗任務(wù)書給出，在實際測量時，對主要參數(shù)（如推力、壓強等）的獲得率及其測量精度要重點加以保證。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity362.5.3試后現(xiàn)場處理（1）正常情況的處理a．發(fā)動機冷卻對于大多數(shù)試驗（高模試驗除外），在發(fā)動機工作結(jié)束后要及時用冷卻劑對燃燒室內(nèi)腔和噴管外部進行冷卻，冷卻的目的是終止殘余燃燒，保護絕熱層和噴管，以利于分析這些部件結(jié)構(gòu)材料的工作性能。常用的冷卻方法是從噴管一端將水以霧狀形式噴射到燃燒室內(nèi)，這樣可以使水得到充分的蒸發(fā)和使燃燒室內(nèi)表面得到均勻的覆蓋，從而保持絕熱層的完整性。b．測試系統(tǒng)的檢查這里主要是指對各參數(shù)測量系統(tǒng)的工作情況進行檢查，當測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真時，通過檢查可以判定失真的原因，提出解決的辦法。根據(jù)需要有時還對推力測量系統(tǒng)進行試后的原位校準，此校準數(shù)據(jù)也可以作為原始數(shù)據(jù)的一部分納入試驗報告。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity37c．發(fā)動機處理試驗結(jié)束后要根據(jù)任務(wù)書要求對發(fā)動機空殼做相應(yīng)的處理，常見的處理內(nèi)容是：分解發(fā)動機，卸下噴管和前頂蓋；稱量殼體和主要部件的質(zhì)量；測量噴管喉徑和出口面直徑。d．試驗設(shè)備處理試驗結(jié)束后需對試車架等主要設(shè)備的完整性和技術(shù)狀態(tài)進行檢查，這不僅有助于試驗結(jié)果的分析評定，也是對試驗設(shè)備的維護保養(yǎng)所必需的。（2）異常情況處理地面點火試驗中的異常情況主要有兩種，一種是不能正常點火，另一種是點火后發(fā)動機工作發(fā)生故障，如殼體爆破、噴管吹掉等。當發(fā)動機不能正常點火時，要切斷點火電源，檢查點火線路，故障排除后（可通過打點火頭驗證）再按原程序點火。當出現(xiàn)殼體爆破引起臺內(nèi)燃燒的事故時，要維護好現(xiàn)場秩序，組織專門人員進行消防，盡量減少事故損失。同時，對現(xiàn)場、發(fā)動機殘骸和碎片進行必要的拍照，為事故分析提供原始資料。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity382.5.4試驗結(jié)果（1）試驗結(jié)果的分析與評定發(fā)動機的地面點火試驗共有四種可能的結(jié)果，即：成功、基本成功、部分成功、失敗。發(fā)動機正常工作的時間歷程、試驗結(jié)束后部分部件的完整性、測試數(shù)據(jù)的完整性與真實性是評定試驗成敗的依據(jù)和標志，而數(shù)據(jù)處理結(jié)果則是評定發(fā)動機工作性能的依據(jù)。a.發(fā)動機性能的分析與評定發(fā)動機性能參數(shù)是通過對測試數(shù)據(jù)的處理而得到的。在發(fā)動機地面點火試驗中需要測量的參數(shù)很多，但作為主要參數(shù)，一般是指壓力-時間和推力-時間的測量值。在發(fā)動機工作正常或基本正常的情況下，都要對這兩個測量結(jié)果進行處理，進而得到表征發(fā)動機工作性能的特性參數(shù)，其中對壓力-時間測量結(jié)果的處理可以得到用于評定發(fā)動機內(nèi)彈道性能的特征值；對推力-時間測量結(jié)果的處理可以得到用于評定發(fā)動機能量特性的特征值。上述處理過程稱為數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容和工作量可因試驗類型的不同而不同，但最基本的是上述兩項處理內(nèi)容。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity39數(shù)據(jù)處理及測量不確定度的評估是一項技術(shù)性較強的工作，有關(guān)技術(shù)問題將在本書第九章專題論述。b.材料性能分析與評定從考核結(jié)構(gòu)材料工作性能的角度出發(fā)，試驗結(jié)束后通常要進行噴管測量，有時要進行殼體解剖。噴管測量的內(nèi)容是：1）測量噴管質(zhì)量；2）測量噴管的喉徑和出口面直徑；通過這兩種測量可以確定噴管材料的燒蝕率，再結(jié)合其他現(xiàn)象可以進一步確定其熱結(jié)構(gòu)性能；殼體解剖的主要目的是測量絕熱層的剩余厚度，根據(jù)測量結(jié)果評定絕熱層材料的抗燒蝕性能、絕熱層與殼體材料間的粘結(jié)強度，進一步考核粘結(jié)工藝的合理性。c.非正常情況的處理在發(fā)動機非正常工作的情況下（如殼體爆破、噴管穿火與破壞），要根據(jù)各種現(xiàn)象進行事故分析，找出存在的問題，提出改進意見。這對改進發(fā)動機設(shè)計與加工工藝是十分有益的。CollegeofAerospceandCivilEngineeringHarb