發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試第四章

1、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試第四章第1頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二第四章 高空模擬試車臺(tái)及試驗(yàn)設(shè)備4.1 概述 高空模擬試驗(yàn)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在模擬高空低壓環(huán)境下進(jìn)行的點(diǎn)火試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱高模試驗(yàn)）。進(jìn)行高模試驗(yàn)的地面試驗(yàn)設(shè)施為高空模擬試車臺(tái)（簡(jiǎn)稱高模試車臺(tái)）。4.1.1 高模試驗(yàn)的主要目的 1）考核發(fā)動(dòng)機(jī)高空噴管的結(jié)構(gòu)與性能 在高空工作的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通常均采用大面積比噴管以獲得高的比沖，但大面積比噴管在海平面條件下試驗(yàn)時(shí)，將出現(xiàn)噴管內(nèi)氣流分離導(dǎo)致輕質(zhì)噴管的損傷或破壞和推力測(cè)量失真； 2）考核與驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在高空工作的結(jié)構(gòu)性能與可靠性，精確測(cè)量彈道性能參數(shù)； 3）測(cè)量在高空工作條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)

2、排氣流對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)的傳熱影響，從而確定采取相應(yīng)的防熱措施；College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第2頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.1.2 高模試車臺(tái)的主要技術(shù)問(wèn)題及參數(shù) 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行高空模擬試車時(shí)，排出大量高溫高速燃?xì)?，如何將排出的高溫、高速燃?xì)獬槲湃氪髿?、保持試?yàn)艙內(nèi)處于穩(wěn)定的低壓環(huán)境是高模試車臺(tái)要解決的首要技術(shù)關(guān)鍵，其次是試驗(yàn)艙及滿足試驗(yàn)要求的專用設(shè)備的設(shè)計(jì)。 決定高模試車臺(tái)規(guī)模及排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)是要求達(dá)到的模擬高度壓力和排出燃?xì)獾馁|(zhì)量流率。要

3、求達(dá)到的模擬高度越高，燃?xì)馀懦龅馁|(zhì)量流率越大，則高模試車臺(tái)的規(guī)模越大。在目前由于技術(shù)和投資上的原因以及實(shí)際應(yīng)用的需要，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車臺(tái)的模擬高度一般選擇在3033km。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第3頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.1.3 高模試車臺(tái)的主要技術(shù)要求 高模試車臺(tái)的主要技術(shù)要求如下: 1）試驗(yàn)艙內(nèi)模擬的壓力高度，以保證噴管面積比時(shí)，噴管能處于滿流工作狀態(tài)； 2）在發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作期間（從發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火至燃燒結(jié)束）試驗(yàn)艙內(nèi)壓力穩(wěn)定，不允許出現(xiàn)

4、大的回流增壓； 3）能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管全軸擺動(dòng)的條件下進(jìn)行高模試車并進(jìn)行多分力測(cè)量； 4）具備旋轉(zhuǎn)試車條件； 5）能夠在試車前、后一段時(shí)間內(nèi)保持試驗(yàn)艙內(nèi)處于穩(wěn)定的低壓狀態(tài)； 6）試驗(yàn)艙內(nèi)具有一定范圍的溫度調(diào)控能力，使發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)艙內(nèi)即能按預(yù)定的環(huán)境溫度就地進(jìn)行試車前的保溫； 7）在試車過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，試車臺(tái)有一定的防護(hù)措施； 8）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排出燃?xì)饩哂幸欢ǖ膬艋芰Γ?9）在更換少量非標(biāo)設(shè)備的條件下即能適應(yīng)多種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第4頁(yè)，共79頁(yè)，2

5、022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.1.4 高模試車臺(tái)的基本類型 全程持續(xù)工作的高模試車臺(tái)根據(jù)其排氣系統(tǒng)的排出方式可以分為兩大類： 一類是“泵-擴(kuò)壓器”型高模試車臺(tái)，習(xí)慣稱之為被動(dòng)引射高模試車臺(tái)； 另一類是“擴(kuò)壓器十外加抽吸系統(tǒng)”型高模試車臺(tái)，習(xí)慣稱之為主動(dòng)引射高模臺(tái)。 被動(dòng)引射高模試車臺(tái)在早期的發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車中被廣泛采用，但由于其存在的固有缺陷。已經(jīng)不能滿足先進(jìn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車的要求。在國(guó)外己被主動(dòng)引射高模試車臺(tái)所取代。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第5頁(yè)，共79頁(yè)，

6、2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.2 被動(dòng)引射高模試車臺(tái)4.2.1 組成、原理與工作過(guò)程 （1）組成 主要由試驗(yàn)艙、排氣擴(kuò)壓器、擴(kuò)壓器堵蓋、機(jī)械真空泵、補(bǔ)氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。（圖4-1） College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第6頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二（2）原理 被動(dòng)引射高模試車臺(tái)在進(jìn)行高模試車時(shí)，試驗(yàn)艙內(nèi)低壓環(huán)境的獲得是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作時(shí)，從噴管中排出的超聲速燃?xì)馔ㄟ^(guò)擴(kuò)壓器后，流速降低、壓力增高而排入大氣，在燃?xì)馀懦龅耐瑫r(shí)與來(lái)自試驗(yàn)艙的空

7、氣流混合而被一同攜帶排入大氣，使試驗(yàn)艙在發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作期間內(nèi)，維持一定的低壓狀態(tài).在擴(kuò)壓器正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，試驗(yàn)艙壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力及擴(kuò)壓器幾何尺寸有關(guān)。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第7頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二（3）工作過(guò)程 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與擴(kuò)壓器按要求安裝后，將擴(kuò)壓器堵蓋連接于擴(kuò)壓器出口端面.打開試驗(yàn)艙與真空泵相連的閥門、開啟真空泵對(duì)試驗(yàn)艙進(jìn)行抽空直至達(dá)到模擬高空點(diǎn)火所需的壓力、擰下擴(kuò)壓器堵蓋上的連接螺栓，打開擴(kuò)壓器冷卻水供給系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)按程序進(jìn)行

8、點(diǎn)火.點(diǎn)火后發(fā)動(dòng)機(jī)排出的燃?xì)鉀_開堵蓋排入大氣，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作至推進(jìn)劑燃燒結(jié)束時(shí)，由于燃燒室壓力下降，擴(kuò)壓器已不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，燃?xì)鈱⒃谕鈮鹤饔孟虏糠只亓魅朐囼?yàn)艙。為了減少燃?xì)饣亓髟斐傻牟焕绊?，在此時(shí)將位于試驗(yàn)艙后端的補(bǔ)氣閥門打開，外部的空氣迅速進(jìn)入試驗(yàn)艙，使艙壓與外部環(huán)境壓力平衡。圖4-2為，一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的981kN被動(dòng)引射高模試車臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第8頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二College of Aerospace and Ci

9、vil EngineeringHarbin Engineering University第9頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.2.2 性能與局限性 （1） 模擬高度 此類高模試車臺(tái)，在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作期間，即使擴(kuò)壓器幾何參數(shù)按最優(yōu)設(shè)計(jì)，其試驗(yàn)艙模擬的壓力高度為1823km，也難于保證大面積比噴管（時(shí)）在工作期間滿流。 （2） 回流沖擊 一般情況下，對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高模試車時(shí)，要配備與之匹配的擴(kuò)壓器，每種擴(kuò)壓器均對(duì)應(yīng)著一個(gè)最小啟動(dòng)壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作期間，當(dāng)燃燒室壓力大于擴(kuò)壓器最小啟動(dòng)瓜力時(shí)，擴(kuò)壓器能夠正常工作，保持試驗(yàn)艙內(nèi)相應(yīng)的低壓環(huán)境；反之，擴(kuò)壓器不能正常工作。因

10、此，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)渡階段壓力建立期間和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒結(jié)束的壓力下降期間，擴(kuò)壓器都處于不能正常啟動(dòng)狀態(tài)，在這兩個(gè)階段都將出現(xiàn)燃?xì)饣亓魅朐囼?yàn)艙的情況并導(dǎo)致回流沖擊.大的回流沖擊將可能導(dǎo)致噴管的損壞，尤其對(duì)軟質(zhì)的大面積比噴管或易碎的可延伸噴管出口錐將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果?；亓鳑_擊是被動(dòng)引射高模試車臺(tái)的嚴(yán)重缺陷。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第10頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 （3） 噴管不能擺動(dòng) 由于被動(dòng)引射高模臺(tái)其擴(kuò)壓器出口直通大氣，其出門反壓高，為了保護(hù)擴(kuò)壓器能夠正常

11、啟動(dòng)，擴(kuò)壓器的入口直徑受到限制，難以采用允許噴管進(jìn)行擺動(dòng)的大面積比擴(kuò)壓器。因此，對(duì)推力矢量控制系統(tǒng)為全軸擺動(dòng)噴管的發(fā)動(dòng)機(jī)，不能在被動(dòng)引射高模試車臺(tái)上進(jìn)行擺動(dòng)噴管的試車。 （4）不能精確測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與總沖 因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)渡階段和燃燒結(jié)束的壓力下降階段。噴管不能滿流和回流沖擊，推力和沖量測(cè)量不真實(shí)。不能滿足推力和總沖的不確定度要求。 （5）不能在試車后繼續(xù)保持試驗(yàn)艙仍維持一定時(shí)間的低壓環(huán)境，不利于測(cè)量系統(tǒng)試車后的校準(zhǔn)。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第11頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，

12、5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.3 主動(dòng)引射高模試車臺(tái) 主動(dòng)引射高模試車臺(tái)是指發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高模試車時(shí)，試驗(yàn)艙內(nèi)低壓環(huán)境的建立，除了利用排氣擴(kuò)壓器的增壓引射作用外，還在排氣擴(kuò)壓器的出口串接外加的排氣抽吸系統(tǒng)（如蒸汽引射器、機(jī)械排氣機(jī)組等），將從擴(kuò)壓器排出的燃?xì)?、空氣或蒸汽的混合氣休繼續(xù)增壓后排入大氣。增加排氣抽吸系統(tǒng)后，可使試驗(yàn)艙內(nèi)的壓力模擬高度提高，使試驗(yàn)艙內(nèi)的低壓環(huán)境在試車全過(guò)程中得到控制，并有效地防止燃?xì)饣亓?。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第12頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20

13、日，4點(diǎn)16分，星期二主動(dòng)引射高模試車臺(tái)主要有如圖4-3所示的幾種組成方案。圖4-3中，前兩種組合方案應(yīng)用較為普遍，第三種方案一般應(yīng)用于推力較小、工作時(shí)間較長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中。下面重點(diǎn)介紹前兩種方案。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第13頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.3.1“燃?xì)鈹U(kuò)壓器+蒸汽引射器”高模臺(tái)“燃?xì)鈹U(kuò)壓器+蒸汽引射器”高模試車臺(tái)的示意圖如圖4-4所示。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin

14、 Engineering University第14頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 （1）組成 由試驗(yàn)艙、燃?xì)鈹U(kuò)壓器、燃?xì)饫鋮s室、隔離閥、蒸汽引射器（可以采用多組并聯(lián)、每組多級(jí)串聯(lián)方案）、蒸汽供給系統(tǒng)、控制測(cè)量系統(tǒng)以及冷卻水供給系統(tǒng)等組成。 （2）工作過(guò)程及原理 在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，將系統(tǒng)的隔離閥門關(guān)閉，此時(shí)從試驗(yàn)艙至燃?xì)饫鋮s室處于密封狀態(tài)。試驗(yàn)艙內(nèi)的初始低壓環(huán)境可以通過(guò)與試驗(yàn)艙相連的機(jī)械真空泵或輔助蒸汽引射器的抽吸達(dá)到，發(fā)動(dòng)機(jī)臨近點(diǎn)火前，各供水系統(tǒng)按要求供水、啟動(dòng)主蒸汽引射器、打開隔離閥門、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，燃?xì)馔ㄟ^(guò)噴管進(jìn)入排氣擴(kuò)壓器進(jìn)行第一次增壓.然后進(jìn)入燃?xì)饫鋮s室與呈霧狀

15、噴出的冷卻水混合，通過(guò)水的汽化吸熱后燃?xì)馀c水蒸氣的混合氣體溫度降至隔離閥門和引射器構(gòu)件所能承受的溫度（一般控制在200300）后進(jìn)入第一級(jí)蒸汽噴射器，在引射器的混合段，為蒸汽噴嘴中噴出的高速蒸汽流混合并在主蒸汽流的攜帶下通過(guò)蒸汽引射器進(jìn)行第二次增壓，燃?xì)馀c蒸汽混合氣體再依次進(jìn)入第二級(jí)蒸汽引射器再次增壓后排入大氣，保持試驗(yàn)艙內(nèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)試車全過(guò)程葉，處于穩(wěn)定的低壓環(huán)境。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第15頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒結(jié)束后，已無(wú)燃?xì)?/p>

16、排出，可關(guān)閉隔離閥門，蒸汽引射器停止工作，此時(shí)試驗(yàn)艙內(nèi)仍保持一段時(shí)間的低壓狀態(tài)，以便測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試車后的校準(zhǔn)。 蒸汽供給系統(tǒng)是此類高模臺(tái)的重要系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車時(shí)（特別是大推力發(fā)動(dòng)機(jī)）在試車的短短幾十秒鐘內(nèi)要供給大量具有穩(wěn)定壓力的蒸汽，如直接采用鍋爐供汽是難以作到，且不經(jīng)濟(jì)。最經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的辦法是采用蒸汽蓄熱器供汽。 蒸汽蓄熱器的工作原理是在壓力容器中貯存水，將來(lái)自鍋爐的蒸汽通入水中使水加熱，使容器內(nèi)水的溫度和壓力升高，形成具有一定壓力的飽和水.當(dāng)容器內(nèi)壓力下降時(shí)，飽和水變成過(guò)熱水，自蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，采角此方法，在有足夠的蓄熱器條件下可以滿足短時(shí)間內(nèi)提供流量大而壓力穩(wěn)定的蒸汽的要求。Col

17、lege of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第16頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4 .3.2“擴(kuò)壓器十環(huán)狀蒸汽引射器+排氣機(jī)組”主動(dòng)引射高模臺(tái) “擴(kuò)壓器+環(huán)狀蒸汽引射器+排氣機(jī)組”主動(dòng)引射高空模擬試車臺(tái)示意圖如圖4-5所示。（1）組成 由試驗(yàn)艙、排氣擴(kuò)壓器、環(huán)狀蒸汽引射器、燃?xì)饫鋮s室、排氣壓縮機(jī)組以及蒸汽供給系統(tǒng)、控制測(cè)量系統(tǒng)和冷卻水供給系統(tǒng)等組成。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering Univ

18、ersity第17頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二（2）工作過(guò)程及原理 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，啟動(dòng)機(jī)械排氣機(jī)組，對(duì)試驗(yàn)艙及燃?xì)饫鋮s室進(jìn)行預(yù)先抽空，達(dá)到一定低氣壓條件后，啟動(dòng)環(huán)狀蒸汽引射器以輔助排氣機(jī)組使試驗(yàn)艙迅速達(dá)到預(yù)定的低氣壓環(huán)境。發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，試驗(yàn)艙內(nèi)的低氣壓環(huán)境主要靠發(fā)動(dòng)機(jī)排氣擴(kuò)壓器和排氣機(jī)組的抽吸作用來(lái)保持，此時(shí)環(huán)狀蒸汽引射器起輔助作用。為使高溫燃?xì)庠谶M(jìn)入排氣機(jī)組前能夠冷卻，在排氣機(jī)組前設(shè)置燃?xì)饫鋮s室，使燃?xì)鉁囟冉抵僚艢鈾C(jī)組能夠承受的程度。燃?xì)饫鋮s室的另一作用是起冷凝器的作用，使部分蒸汽得到冷凝，從而減少排氣機(jī)組的負(fù)荷。 發(fā)動(dòng)機(jī)接近燃燒結(jié)束時(shí)，這時(shí)環(huán)狀蒸汽引射器接替排

19、氣擴(kuò)壓器的工作，與排氣機(jī)組一道繼續(xù)保持試驗(yàn)艙的低壓環(huán)境，防止回流造成的影響。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第18頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.3.3 主動(dòng)引射高模試車臺(tái)的優(yōu)點(diǎn) 與被動(dòng)引射式高模試車臺(tái)相比，主動(dòng)引射高模臺(tái)具有下列優(yōu)點(diǎn)： 1）模擬高度高 根據(jù)試驗(yàn)要求，配備適當(dāng)能力的抽氣系統(tǒng)可獲得大于等于30km的模擬高度，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)噴管面積比小于等于100的噴管在試車全過(guò)程中處于滿流工作狀態(tài)； 2）無(wú)回流沖擊 由于外加排氣抽吸系統(tǒng)，可以保證在試驗(yàn)全程（從發(fā)

20、動(dòng)機(jī)點(diǎn)火到燃燒結(jié)束）中試驗(yàn)艙內(nèi)壓力穩(wěn)定，回流沖擊很小，甚至沒有回流沖擊，不會(huì)造成大面積比噴管或輕質(zhì)可延伸出口錐結(jié)構(gòu)的損壞并能精確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)工作全程中的推力和總沖，推力測(cè)量的不確定度可以達(dá)到小于等于0.5%；College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第19頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 3）可進(jìn)行擺動(dòng)噴管的推力矢量控制試驗(yàn) 外加排氣抽氣系統(tǒng)后，排氣擴(kuò)壓器的出口反壓降低，擴(kuò)壓器的直徑可以增大，滿足了噴管在全軸擺動(dòng)（擺角最大可達(dá)8）下進(jìn)行高模試驗(yàn)。從而考核擺動(dòng)噴管的結(jié)構(gòu)性能和

21、動(dòng)態(tài)性能，精確測(cè)量伺服系統(tǒng)的作動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)向分力； 4）便于試后處理 可根據(jù)需要，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)果后繼續(xù)保持試驗(yàn)艙內(nèi)的低壓狀態(tài)，以利于試驗(yàn)后的校準(zhǔn)，提高測(cè)量精度； 5）對(duì)環(huán)境保護(hù)有利 由于燃?xì)饨?jīng)過(guò)噴水冷卻，可使燃?xì)庵械挠泻Τ煞趾臀⒘４蟛糠值靡韵?，使排氣得到凈化，減少環(huán)境污染； 6）可進(jìn)行較多項(xiàng)目的考核 由于試車臺(tái)功能的增加，可以在一次試車中考核多個(gè)項(xiàng)目，從而減少研制過(guò)程中全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的試車數(shù)量。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第20頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分

22、，星期二4.4 典型主動(dòng)引射高模試車臺(tái)介紹4.4.1 意大利ISA-2高模試車臺(tái) ISA-2高模試車臺(tái)建于1980年左右，它是為了滿足歐洲航天計(jì)劃對(duì)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)Mage-、Mage-的高模試車要求而建造的，與意大利原有的高模臺(tái)ISA-1相比，其技術(shù)途徑類似，但I(xiàn)SA-2的規(guī)模更大，且蒸汽供給系統(tǒng)也有所改進(jìn)。（l）主要組成 該試車臺(tái)由試驗(yàn)艙、擴(kuò)壓器、燃?xì)饫鋮s器、隔離閥門、兩級(jí)蒸汽引射器、蒸汽發(fā)生器、冷卻水供給系統(tǒng)等主要部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-4。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第21頁(yè)

23、，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二a試驗(yàn)艙 試驗(yàn)艙為鋼制圓筒形容器、直徑為6m，長(zhǎng)9.5m，在試驗(yàn)艙的一側(cè)有的由液壓作動(dòng)器開啟的大門，供試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和工作人員進(jìn)出。艙內(nèi)裝有旋轉(zhuǎn)試車架、推力校準(zhǔn)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)攝影系統(tǒng)，在試驗(yàn)艙的后端開孔與擴(kuò)壓器入口相連。b擴(kuò)壓器 采用了二次喉道式夾套水冷擴(kuò)壓器，擴(kuò)壓器夾套中有螺旋型通道，從主供水管來(lái)的冷卻水以一定的壓力和流量通過(guò)夾套、冷卻擴(kuò)壓器內(nèi)壁.冷卻水壓力約0.5MPa，最大流量為 ，允許冷卻水的最高初始溫度為20。為了抵消因擴(kuò)壓器內(nèi)、外層受熱不一致而引起的膨脹差別，在外層設(shè)置若干個(gè)膨脹節(jié)。c燃?xì)饫鋮s水噴射系統(tǒng) 為了降低排出的燃?xì)鉁囟?，在擴(kuò)壓器

24、下游的橫截面內(nèi)均勻地分布一組冷卻水噴嘴，對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行噴水冷卻.為了使冷卻水與燃?xì)獬浞只旌?，以防止在隔離閥處形成過(guò)熱點(diǎn)，要求噴水點(diǎn)至隔離閥之間應(yīng)有足夠的距離.冷卻水噴射量可根據(jù)試車過(guò)程進(jìn)行控制。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第22頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二d蒸汽引射器 采用兩級(jí)蒸汽引射器串聯(lián)的形式，兩級(jí)蒸汽引射器的尺寸相同，其入口直徑為2.75m，長(zhǎng)25m，第一級(jí)蒸汽引射器的蒸汽量為 ，第二級(jí)耗量為 ,蒸汽供給壓力為2.5Mpa，兩級(jí)蒸汽引射器的增壓比分別為

25、 和4.0，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)300s。e隔離閥 安裝在擴(kuò)壓器出口處，其作用是試車前、后使試驗(yàn)艙與引射器相隔離。在試驗(yàn)前保持試驗(yàn)艙的真空度，試驗(yàn)后防止燃?xì)饣亓骱褪乖囼?yàn)艙繼續(xù)保持一段時(shí)間的低壓環(huán)境。隔離閥采用電動(dòng)閘板閥，開啟或關(guān)閉時(shí)間在15s之內(nèi)。f蒸汽發(fā)生器 本試車臺(tái)的蒸汽供給系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器以液氧和異丙醇作為氧化劑，與燃料在發(fā)生器的燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)馐箛娙氲乃兂烧羝?，通過(guò)管道供給兩級(jí)蒸汽引射器使用，產(chǎn)生的蒸汽壓力為2.5Mpa，溫度約為250。液氧和異丙醇存放在貯罐內(nèi)，由氮?dú)庠鰤汉笏腿胝羝l(fā)生器。College of Aerospace and Civil Eng

26、ineeringHarbin Engineering University第23頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二（2） 主要性能發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力為 ；燃?xì)饬髁繛?；發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間 ；試驗(yàn)艙溫度調(diào)節(jié)范圍為 ；可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第24頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二美國(guó)J-5高模試車臺(tái) J-5高模臺(tái)是為滿足IUS慣性頂級(jí)SRM-1、SRM-3固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及MX第三級(jí)、三叉戟第二級(jí)、第三級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高模試驗(yàn)

27、而建造的大型專用高模試車臺(tái)。（1）主要組成 由試驗(yàn)艙、擴(kuò)壓器、環(huán)狀蒸汽引射器、燃?xì)饫鋮s器、排氣機(jī)組、輔助蒸汽引射器、蒸汽供給系統(tǒng)、冷卻水供給系統(tǒng)等主要部分組成。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第25頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 a試驗(yàn)艙 試驗(yàn)艙（如圖4-6）為一鋼制的圓筒形容器，直徑4.88m、長(zhǎng)15.2m。艙的底部與基礎(chǔ)相連，艙的上方設(shè)長(zhǎng)方形艙門供吊入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，艙內(nèi)安裝多分力試車架（可進(jìn)行六個(gè)分力的測(cè)量），軸向推力可通過(guò)傳力組件傳到承力墩上，并可進(jìn)行推力

28、校準(zhǔn)。擴(kuò)壓器通過(guò)試驗(yàn)艙尾部的開口伸入艙內(nèi)，使擴(kuò)壓器入口與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口保持要求的相對(duì)位置。三組輔助蒸汽引射器的第一級(jí)進(jìn)口與試驗(yàn)艙相連。試驗(yàn)前通過(guò)輔助蒸汽引射器的抽吸使艙內(nèi)達(dá)到預(yù)定的低氣壓環(huán)境。艙內(nèi)還安裝有攝影監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)設(shè)備。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第26頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二b擴(kuò)壓器 采用直筒形夾套水冷式擴(kuò)壓器，根據(jù)不同的試驗(yàn)要求，擴(kuò)壓器直徑可以在的范圍內(nèi)取值。c環(huán)狀蒸汽引射器 環(huán)狀蒸汽引射器由12個(gè)分布在擴(kuò)壓器下游圓周的蒸汽噴嘴及蒸汽

29、引射器組成。其作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)即將點(diǎn)火前，輔助機(jī)械排氣機(jī)組使艙壓迅速降至1.4kPa，而后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，環(huán)狀蒸汽引射器繼續(xù)輔助排氣機(jī)組工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作將近結(jié)束時(shí)，由于擴(kuò)壓器不能正常工作，環(huán)狀蒸汽引射器就接替擴(kuò)壓器工作，減少回流沖擊的影響。d燃?xì)饫鋮s室 燃?xì)饫鋮s室位于環(huán)狀蒸汽引射器之后，從環(huán)狀蒸汽引射器排出的燃?xì)馀c蒸汽相混合后再進(jìn)入燃?xì)饫鋮s室。燃?xì)饫鋮s室中沿徑向設(shè)置若干組霧化水噴嘴，使冷卻水呈現(xiàn)霧狀與燃?xì)獬浞只旌?，并將溫度降至大約 。冷卻后的混合氣體通過(guò)直徑3.85mm的導(dǎo)管進(jìn)入排氣機(jī)組，再次壓縮后排入大氣。冷卻室所需的冷卻水耗量為 。College of Aerospace a

30、nd Civil EngineeringHarbin Engineering University第27頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二e機(jī)械排氣機(jī)組 排氣機(jī)組與冷卻室之間用直徑3.95m的導(dǎo)管連通，從導(dǎo)管送來(lái)的混合氣體經(jīng)排氣機(jī)組的多級(jí)增壓后達(dá)到略高于大氣的壓力，而后排入大氣。J-5高模臺(tái)配置的排氣機(jī)組總功率為 。抽氣能力為454kg/s。f蒸汽供給系統(tǒng) 環(huán)狀蒸汽噴射器及輔助蒸汽噴射器所用的蒸汽由一臺(tái)蒸發(fā)量19t/h、工作壓力為5MPa的燃油鍋爐和兩組蒸汽蓄熱器及熱網(wǎng)管道組成的供給系統(tǒng)來(lái)供給，兩組蓄熱器的總?cè)莘e為1791m3，蒸汽流量可達(dá) 。（2） 主要性能發(fā)動(dòng)機(jī)最大推

31、力為 ；燃?xì)饬髁繛?；發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間 ；試驗(yàn)艙溫度調(diào)節(jié)范圍為 ；能進(jìn)行可延伸噴管、推力向量控制、旋轉(zhuǎn)多分力測(cè)量等多種形式的試驗(yàn)。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第28頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.4.3 美國(guó)J-6高模試車臺(tái) 為了滿足MX導(dǎo)彈第二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)（最大推力達(dá)2200kN）及裝有高能推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的要求，美國(guó)在80年代中期即著手考慮建造新的大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車臺(tái)J-6，并且對(duì)J-6的方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)論證，最近的資料報(bào)導(dǎo)J-6高模臺(tái)己于1989

32、年開始建造，預(yù)計(jì)1994年10月可以交付使用。（1）主要組成 該試車臺(tái)由試驗(yàn)艙、擴(kuò)壓器、環(huán)狀蒸汽噴射器、燃?xì)饫鋮s室、除濕冷卻器、排氣機(jī)組、蒸汽供給系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等主要部分組成。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第29頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二a試驗(yàn)艙 試驗(yàn)艙（如圖4-7）為鋼制圓簡(jiǎn)形容器，直經(jīng)7.9m，長(zhǎng)22.6m，在艙的上方開有長(zhǎng)18.6m、寬6.1m的艙口供吊入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，艙的底部與基礎(chǔ)相連接。艙內(nèi)裝有多分力試車架、光學(xué)對(duì)準(zhǔn)裝置、緊急雨淋系統(tǒng)、觀察窗、監(jiān)

33、視攝影系統(tǒng)等。發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向推力通過(guò)傳力組件經(jīng)過(guò)艙的前端中心孔傳到艙外的承力墩上，可承受的最大軸向推力為2200kN，側(cè)向承力基礎(chǔ)可承受側(cè)向力300kN；在艙的后端有開孔與擴(kuò)壓器相連。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第30頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二b擴(kuò)壓器 J-6試驗(yàn)臺(tái)擬配備三個(gè)直徑分別為3.15m、4.88m和5.64m的直筒形水冷式擴(kuò)壓器，試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)不同的試驗(yàn)推力、噴管面積比、可延伸出口錐和擺角大小等因素選用擴(kuò)壓器以獲得所需的模擬高度。如在最大推力為2

34、200kN的試車時(shí)，選用直徑為5.64m的擴(kuò)壓器，可使試驗(yàn)艙壓力在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)間內(nèi)保持在0.342.8kPa的范圍內(nèi)。c環(huán)狀蒸汽引射器 它位于排氣擴(kuò)壓器下游，由多個(gè)沿圓周分布的蒸汽噴嘴及噴射器組成。其作用與工作過(guò)程與J-5高模臺(tái)的類似。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第31頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二d燃?xì)饫鋮s器 它位于環(huán)狀蒸汽噴射器之后，從蒸汽噴射器排出的燃?xì)馀c蒸汽的混合氣體在冷卻器中與冷卻水混合降溫，然后沿管道進(jìn)入除濕冷卻器。e除濕冷卻器 它是一個(gè)立

35、式圓筒形結(jié)構(gòu)，位于燃?xì)饫鋮s器之后，總?cè)莘e為127000m3，其作用是對(duì)進(jìn)入的混合氣體通過(guò)噴水使其中的蒸汽冷凝成水；另一作用是收集試驗(yàn)中排出的水和氣體。在試驗(yàn)前除濕冷卻器通過(guò)直徑為2.2m、長(zhǎng)610m的管通與排氣機(jī)組相連，并進(jìn)行抽真空，使之達(dá)到 ，然后關(guān)閉除濕冷卻器與排氣機(jī)組之間的隔離閥。由于除濕冷卻器的容積很大，足以收集發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣和蒸汽，并使試驗(yàn)艙保待所需要的模擬高度和滿足發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后減少回流的要求。該臺(tái)所用的排氣機(jī)組與J-4、J-5相同。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第32頁(yè)，共

36、79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 f蒸汽供給系統(tǒng) 該系統(tǒng)由鍋爐、5個(gè)蒸汽蓄能器及相應(yīng)的管道、閥門組成。鍋爐的蒸汽供給量為23000kg/h，工作壓力為5Mpa，蓄熱器的工作壓力范圍在之間 ，每次試驗(yàn)山蓄熱器供給的蒸汽總量為230000kg，壓力大于1.7 Mpa。g冷卻水供給系統(tǒng) 由一個(gè)貯水量為13000m3的大型水池和管道閥門組成，供水壓力為0.5 Mpa，冷卻水通過(guò)管道閥門及控制系統(tǒng)分別向擴(kuò)壓器、燃?xì)饫鋮s器、除濕冷卻器以及試驗(yàn)艙的雨淋系統(tǒng)等供水。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering Uni

37、versity第33頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二2）工作過(guò)程 如圖4-8所示，在試驗(yàn)前，由排氣機(jī)組對(duì)除濕冷卻器、試驗(yàn)艙、燃?xì)饫鋮s器等空間進(jìn)行抽空、達(dá)到要求后，關(guān)閉隔離閥門，用氮?dú)鈱?duì)試驗(yàn)艙和除濕冷卻器進(jìn)行惰性化處理，并對(duì)試驗(yàn)艙檢漏，再次打開隔離閥，排氣機(jī)組再次抽空使之達(dá)到14kPa，關(guān)閉隔離閥，在點(diǎn)火前1分鐘左右，啟動(dòng)環(huán)狀蒸汽噴射器，并在臨近點(diǎn)火前向各有關(guān)系統(tǒng)供給冷卻水。 在試驗(yàn)結(jié)束后1min左右環(huán)狀蒸汽噴射器停止工作，關(guān)閉冷卻水，再次對(duì)試驗(yàn)艙及除濕冷卻器充氮進(jìn)行惰性化處理，如需繼續(xù)保持試驗(yàn)艙至較低的壓力，可打開隔離閥，用排氣機(jī)組再次對(duì)試驗(yàn)艙飛進(jìn)行抽空。College

38、 of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第34頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.4.4 法國(guó)MESA高模試車臺(tái) MESA高模試車臺(tái)如圖4-9）是供法國(guó)M系列潛地導(dǎo)彈和S系列地-地導(dǎo)彈第二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高模試驗(yàn)的試車臺(tái)，該臺(tái)于1979年開始一方案論證與統(tǒng)計(jì)，1984年建成并投入使用。（1）主要組成 MESA高模臺(tái)由試驗(yàn)艙、擴(kuò)壓器、環(huán)狀蒸汽噴射器、隔離閥、燃?xì)饫鋮s室、回收井、主蒸汽噴射器、蒸汽供給系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等組成。College of Aerospace and Civil En

39、gineeringHarbin Engineering University第35頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二a試驗(yàn)艙 試驗(yàn)艙為容積約300m3、長(zhǎng)約16m的鋼制圓筒形容器，艙內(nèi)安裝有六分力試車架、承力墩和攝影系統(tǒng)等。擴(kuò)壓器從艙的尾端進(jìn)入，艙還與輔助蒸汽引射器的第一級(jí)相連，由輔助蒸汽噴射器（為三級(jí)串連）提供試驗(yàn)前艙壓為2kPa的模擬高度。承力墩最大可承受600kN的軸向推力。b擴(kuò)壓器 擴(kuò)壓器為二次喉道型夾套水冷式結(jié)構(gòu)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)推力、燃?xì)饷肓髁亢蛧姽苊娣e比的變化，擴(kuò)壓器可使試驗(yàn)艙維持的壓力 。c隔離閥 它位于擴(kuò)壓器的出口處，其作用是試車前關(guān)閉，以保持試驗(yàn)艙點(diǎn)火前的真空

40、度；發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)打開，使擴(kuò)壓器與主蒸汽噴射器相通，并借助蒸汽抽吸燃?xì)?；試?yàn)結(jié)束后再次關(guān)閉，繼續(xù)保持內(nèi)的低壓環(huán)境。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第36頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二d環(huán)狀蒸汽噴射器 它由多個(gè)沿周向分布的噴嘴及噴射器擴(kuò)壓器組成，其作用是：在發(fā)動(dòng)機(jī)工作即將結(jié)束時(shí)，由于擴(kuò)壓器不能正常工作，這時(shí)啟動(dòng)蒸汽噴射器來(lái)接替擴(kuò)壓器的工作，維持試驗(yàn)艙的負(fù)壓和防止燃?xì)饣亓?。e燃?xì)饫鋮s器 它位于環(huán)狀蒸汽噴射器之后，為一鋼制圓筒，直徑4m、長(zhǎng)35m，其內(nèi)部設(shè)置有若干組冷

41、卻水噴嘴；其作用是使燃?xì)鈴?000冷卻到60，并使部分蒸汽得到冷凝；另一作用是洗滌和中和燃?xì)鈨?nèi)含有的 粒子和 ，以減少排氣對(duì)環(huán)境的污染，噴水流量為6300kg/s。f回收井 它位于燃?xì)饫鋮s器之后，為一容積約1600m3的半地下構(gòu)筑物，用于貯存和回收試驗(yàn)期間排出的污水，井內(nèi)裝有一個(gè)氣/液分離器，井的頂部并聯(lián)有3個(gè)主蒸汽噴射器。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第37頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二g主蒸汽噴射器 在回收井的上方垂直并聯(lián)裝有3臺(tái)單級(jí)噴射器，每臺(tái)噴射器消

42、耗蒸汽量為50kg/s，蒸汽壓力為1.5 MPa，3臺(tái)蒸汽噴射器可以單臺(tái)啟動(dòng)亦可同時(shí)啟動(dòng)，3臺(tái)同時(shí)工作時(shí)可使2000rn3以上的容積的壓力在70s內(nèi)從101kPa降至5kPa。h蒸汽供給系統(tǒng) 該系統(tǒng)由鍋爐和3個(gè)容積為220m3的蒸汽蓄熱器組成，最大壓力為4.5MPa，在工作期間可提供壓力為1.5MPa的水蒸氣44t，最大蒸汽流量為206kg/s。 i冷卻水供給系統(tǒng) 冷卻水由水泵送至一個(gè)容積為1150m3的球形容器中，再由壓力為0.6MPa的壓縮空氣增壓而后供給各用水系統(tǒng)。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering U

43、niversity第38頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二（2）工作過(guò)程 點(diǎn)火試驗(yàn)前，用氮?dú)鈱?duì)有關(guān)設(shè)施進(jìn)行清理并做惰性化處理，關(guān)閉隔離閥，啟動(dòng)輔助蒸汽噴射器對(duì)試驗(yàn)艙抽空，直至艙壓為5kPa后停止抽吸；點(diǎn)火前110s左右開動(dòng)主蒸汽噴射器對(duì)燃?xì)饫鋮s器和回收井抽真空，當(dāng)隔離閥近處的壓力達(dá)到約1kPa時(shí)，打開隔離閥門，并逐個(gè)打開各冷卻水系統(tǒng)，最后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。（3）主要性能發(fā)動(dòng)機(jī)最大尺寸： ；最大燃?xì)饬髁?；工作時(shí)間 ；最大工作推力 ；點(diǎn)火模擬高度大于28km ；試驗(yàn)期間模擬高度27km ；溫度調(diào)節(jié)范圍045；可進(jìn)行擺動(dòng)噴管和延伸噴管的試驗(yàn)。College of Aerospace

44、 and Civil EngineeringHarbin Engineering University第39頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二4.5 擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)4.5.1 擴(kuò)壓器的作用、結(jié)構(gòu)型式與性能要求 （1）作用 擴(kuò)壓器是發(fā)動(dòng)機(jī)高模試驗(yàn)中不可缺少的沒備。擴(kuò)壓器的作用，一是使在其中流動(dòng)的超聲速氣流產(chǎn)生壓力恢復(fù)（即增壓），到擴(kuò)壓器出口截面上氣流靜壓恢復(fù)到當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ笈欧诺酱髿庵校欢抢冒l(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬鞒槲囼?yàn)艙內(nèi)的空氣，起到引射作用，從而達(dá)到保持噴管滿流和維持試驗(yàn)艙內(nèi)穩(wěn)定的低氣壓環(huán)境的目的。College of Aerospace and Civil Enginee

45、ringHarbin Engineering University第40頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 擴(kuò)壓器的這種功能是由燃?xì)饬髟谄鋬?nèi)部的流動(dòng)過(guò)程所決定的。和在噴管內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程相反，燃?xì)庠跀U(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)是個(gè)壓縮過(guò)程，即當(dāng)從噴管內(nèi)噴出的超聲速氣流繼續(xù)膨脹到擴(kuò)壓器入口壁面上時(shí)，由于壓縮作用而在擴(kuò)壓器內(nèi)形成封閉的激波系。此激波系的形成可進(jìn)一步引發(fā)出以下兩個(gè)效應(yīng)：其一，激波系的傳播會(huì)在擴(kuò)壓器入口段產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)，于是噴管周圍及試驗(yàn)艙內(nèi)的空氣便可通過(guò)擴(kuò)散、滲透和混合作用而進(jìn)入低壓區(qū)，并隨同超聲速氣流一起被驅(qū)開，也就是起到了對(duì)試驗(yàn)艙內(nèi)空氣的抽吸作用；其二，燃?xì)饬魍ㄟ^(guò)激波系后，氣

46、流參數(shù)發(fā)生突躍式變化，速度從超聲速降為亞聲速，而壓力卻得到明顯增加，即產(chǎn)生了壓力恢復(fù)，當(dāng)擴(kuò)壓器出口面壓力高于其出口反壓（即大氣壓力）時(shí)，便可以順利地排放到大氣中。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第41頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二（2）結(jié)構(gòu)型式 擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)型式，按型面分有直筒式和二次喉道式兩種，其中二次喉道式又有長(zhǎng)喉道 和短喉道 之分；按防熱方式，分為隔熱式和水冷式兩種，其中水冷式又有從外部噴水冷卻和夾套通水冷卻兩種情況。水冷式擴(kuò)壓器具有抗熱性能好、使用方便

47、、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較廣，而且常采用夾套冷卻的水冷擴(kuò)壓器。（3）性能要求 擴(kuò)壓器應(yīng)滿足下列性能要求： 1）氣動(dòng)性能 擴(kuò)壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后能盡快啟動(dòng)，進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，從而保持噴管滿流和試驗(yàn)艙壓力穩(wěn)定； 2）抗熱性能 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間內(nèi)擴(kuò)壓器不被燒穿； 3）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能 在水壓作用下擴(kuò)壓器不破壞、不失穩(wěn)、不滲漏。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第42頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二氣動(dòng)性能 （1）燃?xì)庠跀U(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)特性 a 發(fā)動(dòng)機(jī)-擴(kuò)壓器系統(tǒng)的流動(dòng)模

48、型 為簡(jiǎn)單明了，以直筒式擴(kuò)壓器為例進(jìn)行討論。 根據(jù)燃燒室（在冷流試驗(yàn)條件下稱為工作室或前室，以下統(tǒng)稱燃燒室）壓力與擴(kuò)壓器面積比之間的匹配關(guān)系，燃?xì)庠趪姽芘c擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)有以下三種可能的狀態(tài)，流動(dòng)模型如圖4-10所示。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第43頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 狀態(tài)噴管內(nèi)流動(dòng)分離狀態(tài) 當(dāng)燃燒室壓力（簡(jiǎn)稱室壓，以下同）較低，不足以將激波推出噴管時(shí)，就會(huì)在噴管內(nèi)部產(chǎn)生流動(dòng)分離（即氣流的離壁現(xiàn)象）。分離區(qū)域是從噴管喉部開始到噴管出口面為止，壓

49、力愈低，分離點(diǎn)愈靠近噴管喉部。這個(gè)狀態(tài)稱為噴管的過(guò)膨脹狀態(tài)，在高模試驗(yàn)時(shí)要避免這種狀態(tài)的出現(xiàn)； 狀態(tài)噴管滿流狀態(tài) 隨著室壓的升高，激波沿著噴管外移。當(dāng)室壓增加到一定數(shù)值時(shí)，激波便被推出噴管，這時(shí)噴管內(nèi)部不存在流動(dòng)分離，整個(gè)噴管都處于滿流狀態(tài)； 狀態(tài)普朗特一邁耶膨脹狀態(tài) 狀態(tài)僅僅使噴管達(dá)到滿流，擴(kuò)壓器還沒有滿流。當(dāng)壓強(qiáng)進(jìn)一步升高，致使噴管出口截面上的靜壓高于出口反壓時(shí)，噴管出口面上的壓縮波就被膨脹波所代替；當(dāng)膨脹波撞擊到擴(kuò)壓器入口壁面上時(shí)，便可在擴(kuò)壓器內(nèi)部形成封閉的激波系，這種狀態(tài)稱為普朗特一邁耶膨脹狀態(tài)，也就是擴(kuò)壓器的穩(wěn)定工作狀態(tài)，這時(shí)燃?xì)鈴膰姽芎聿康綌U(kuò)壓器入口壁面之間全部處于自由等熵膨脹狀態(tài)

50、。高模試驗(yàn)時(shí)要求擴(kuò)壓器在這一狀態(tài)一下工作。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第44頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二b擴(kuò)壓器特性曲線與最小啟動(dòng)壓力 擴(kuò)壓器的最小啟動(dòng)壓力是指氣流流過(guò)擴(kuò)壓器到達(dá)出口面上，其壓力剛好恢復(fù)到當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)所對(duì)應(yīng)的室壓，亦即使擴(kuò)壓器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)所需要的初始室壓。 擴(kuò)壓器的特性曲線是指室壓與艙壓的關(guān)系曲線，這個(gè)曲線可根據(jù)一維流動(dòng)理論算得，也可由冷流試驗(yàn)測(cè)得，結(jié)果表明，由這兩種方法得到的曲線極為接近。圖4-11為直筒式擴(kuò)壓器的理論特性曲線，由

51、圖可見： 1） 每一條特性曲線都可分為斜率不等、方向不同的3個(gè)區(qū)段，這3個(gè)區(qū)段分別代表如前所述的氣流在擴(kuò)莊器內(nèi)的3種流動(dòng)狀態(tài)。在前兩個(gè)階段內(nèi)艙壓隨室壓的升高而降低，且變化較快；在后一個(gè)區(qū)段內(nèi)艙壓隨室壓的升高而升高，且變化得比較緩慢； 2）每一條特性曲線都存在一個(gè)最低點(diǎn)，和這個(gè)最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的室壓稱為擴(kuò)壓器的最小啟動(dòng)壓力，并用 表示； 3）特性曲線的位置隨擴(kuò)壓器面積比值的不同而變化，面積比值愈大，所需要的啟動(dòng)壓力愈高，而艙壓卻愈低（這意味著所實(shí)現(xiàn)的模擬高度愈高）。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering Universi

52、ty第45頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第46頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 應(yīng)當(dāng)指出，增加擴(kuò)壓器的面積比（即增加入口直徑）雖然有利于提高模擬高度，但面積比愈大時(shí)所需要的啟動(dòng)壓力也愈高，當(dāng)擴(kuò)壓器的啟動(dòng)壓力高于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力時(shí)，擴(kuò)壓器就不能啟動(dòng)了，即達(dá)不到普朗特一邁耶爾膨脹狀態(tài)了；而且增加面積比時(shí)，模擬高度的增加也是很有限的，所以，使用單一的擴(kuò)壓器作為引射裝置不可能實(shí)現(xiàn)很高的模擬高度。 擴(kuò)壓器的最小啟動(dòng)

53、壓力是指氣流流過(guò)擴(kuò)一壓器到達(dá)出口面上，其壓力剛好恢復(fù)到當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)所對(duì)應(yīng)的室壓，亦即使擴(kuò)壓器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)所需要的初始室壓。 最小啟動(dòng)壓力是由擴(kuò)壓器的型面結(jié)構(gòu)和型面參數(shù)值所決定的，設(shè)計(jì)擴(kuò)壓器時(shí)要選取適當(dāng)?shù)男兔婕捌溆嘘P(guān)參數(shù)，使其最小啟動(dòng)壓力低于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力，且應(yīng)有一定的余量。擴(kuò)壓器的最小啟動(dòng)壓力通常是通過(guò)氣動(dòng)理論計(jì)算求得的，但理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值之間往往存在差異，因此，經(jīng)常需要通過(guò)冷流試驗(yàn)加以驗(yàn)證或修正。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第47頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，

54、4點(diǎn)16分，星期二（2）擴(kuò)壓器型面對(duì)氣動(dòng)性能的影響 直筒式擴(kuò)壓器與二次喉道式擴(kuò)壓器的型面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)符號(hào)分別示于圖4-12和圖4-13中。 其中，二次喉道式擴(kuò)壓器多數(shù)由4段組成，即入口直筒段；收斂段；喉部段；擴(kuò)散段。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第48頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第49頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月2

55、0日，4點(diǎn)16分，星期二 擴(kuò)壓器的氣動(dòng)性能是其啟動(dòng)壓力、引射效率和模擬高度等技術(shù)指標(biāo)的綜合效果，其中啟動(dòng)壓力是最基本的技術(shù)指標(biāo)。一下面重點(diǎn)討論型面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)對(duì)啟動(dòng)壓力的影響。 擴(kuò)壓器的型面結(jié)構(gòu)及其主要參數(shù)與最小啟動(dòng)壓力之間的關(guān)系如圖4-4所示。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第50頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二 觀察和分析圖4-14，可以得出如下結(jié)論： 1）在擴(kuò)壓器幾何尺寸和燃?xì)獗葻岜认嗟鹊臈l件下，直筒式擴(kuò)壓器的啟動(dòng)壓力比二次喉道式擴(kuò)壓器高；在二次喉道式擴(kuò)壓

56、器中，短喉道的又比長(zhǎng)喉道的高。因此說(shuō)，長(zhǎng)二次喉道式擴(kuò)壓器的氣動(dòng)性能最好； 2）在長(zhǎng)二次喉道擴(kuò)壓器中，啟動(dòng)壓力隨收縮比的變化而變化，其變化規(guī)律是收縮比值愈小，啟動(dòng)壓力愈低； 3）不管是直筒式還是二次喉道式，擴(kuò)壓器的啟動(dòng)壓力都隨面積比的增加而增加。 應(yīng)當(dāng)指出，由圖4-14表明的擴(kuò)壓器啟動(dòng)壓力隨收縮比的減小而降低這一規(guī)律是有限度的。當(dāng)收縮比小到一定程度時(shí)，擴(kuò)壓器反而不能啟動(dòng)了，通常把收縮比的這個(gè)允許值稱為極限收縮比，并記作 。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第51頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5

57、月20日，4點(diǎn)16分，星期二 極限收縮比可根據(jù)激波發(fā)生在擴(kuò)壓器最大直徑處，按正激波理論和面積比公式算得，也可通過(guò)冷流試驗(yàn)測(cè)得。圖4-15給出了時(shí)的理論計(jì)算結(jié)果和時(shí)的理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量的兩種結(jié)果。College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University 圖4-15所表示的是，當(dāng)擴(kuò)壓器的實(shí)際收縮比值處在曲線的下方時(shí)就不能啟動(dòng)；但冷流試驗(yàn)的結(jié)果又表明，當(dāng)實(shí)際收縮比值小于理論計(jì)算的極限值時(shí)擴(kuò)壓器仍可以啟動(dòng)。同時(shí)表明，極限收縮比是隨入口馬赫數(shù)Ma和燃?xì)獗葻岜?而變化的。第52頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)1

58、6分，星期二固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第53頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第54頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安College of Aerospace and Civil

59、 EngineeringHarbin Engineering University第55頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第56頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第57頁(yè)，共79頁(yè)，2022年

60、，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第58頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安College of Aerospace and Civil EngineeringHarbin Engineering University第59頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)16分，星期二固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安College of Aerospace