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火箭发动机从开始研制到交付使用前所进行的各类试验

  前不久,中国人民解放军火箭军正式成立,这支部队以原第二炮兵为主、其他军种分属的战略核打击力量合并组建,是中国大国地位的战略支撑,是维护国家安全的重要基石。小编带大家看一看火箭的心脏,火箭发动机长什么样。

  一、什么是火箭发动机

  火箭发动机是喷气发动机的一种,将推进剂贮箱或运载工具内的反应物(推进剂)变成高速射流,由于牛顿第三运动定律而产生推力。大部分发动机靠排出高温高速燃气来获得推力,固体或液体推进剂(由氧化剂和燃料组成)在燃烧室中高压(10-200bar)燃烧产生燃气。火箭发动机可用于航天器推进,也可用于导弹等在大气层内飞行。大部分火箭发动机都是内燃机,也有非燃烧形式的发动机。

 

  国外一款能空天通吃的脉冲爆震发动机

 

  测试3D打印火箭发动机

 

  二、火箭发动机试验分类

  火箭发动机从开始研制到交付使用前所进行的各类试验。火箭发动机是在高温、高压、高转速和强烈振动等苛刻的条件下工作。为了检验发动机是否达到设计指标,交付使用前必须通过一系列严格的试验,对其结构可靠性、性能参数、使用寿命和适应性等作出评价。此外,试验也为发展新技术、改进设计以及在使用过程中出现故障时进行原因分析提供依据。

 

 

  按试验对象不同分为元件试验、组件试验和整机试验。元件试验是对具有特定功能的元件进行单项试验,如柔性元件的疲劳试验、轴承的介质试验、喷嘴的特性试验等。组件试验包括单项试验和综合试验,如推力室的燃烧试验、泵的特性试验、涡轮泵联动试验等。整机试验是在元件、组件试验成功的基础上对整台发动机所进行的试验,按试验目的可分为:

  ①预先研究性试验:为研究新结构、新系统、新推进剂、新工艺等进行的整机试验,以便为发展新型发动机提供依据。

 

 

  ②方案性试验:对各种设计方案进行筛选,借以确定正式设计方案。

  ③结构可靠性试验:在设计方案选定后,首先进行结构可靠性试验,如加大负荷、延长工作时间和偏离额定工作条件等试验。通过这些试验来发现结构的薄弱环节,经改进后再试验,直到满足可靠性要求。

 

 

  ④性能可靠性试验:在结构状态保持不变的条件下,通过多台发动机试验,获得足够性能参数的子样,以便对发动机性能是否满足要求作出评定。必要时对发动机作适当修改,再次重复试验直到性能满足要求。

 

 

  ⑤环境模拟试验:在模拟真实环境条件下进一步检验发动机。通常有高空、贮存、运输、振动、高低温等各项环境模拟试验。高空模拟试验用来测量发动机在高空环境下的性能并考验其工作可靠性。贮存模拟试验用来考验发动机在规定条件下长期贮存后是否满足要求。运输模拟试验用来考验发动机经过长途运输后的功能是否正常。振动模拟试验是在模拟火箭飞行时产生的振动环境下对上面级发动机进行振动试验。高低温模拟试验是检验发动机对各种温度环境的适应性。

 

 

  ⑥鉴定试验:发动机交付飞行试验前的考核试验。根据验收试验大纲对发动机的所有技术指标作全面考核,以考核结果作为验收发动机的依据。有的发动机在交付前进行校准试验,以校核发动机的性能,必要时更换元件,使性能满足设计要求。

 

 

  ⑦火箭级静态试验

  考核发动机在火箭上工作的协调性和可靠性(见火箭地面试车)。

 

 

  ⑧飞行试验:通过飞行器的飞行试验,最终对发动机作出最终评定。

 

 

  ⑨抽检试验:对批生产发动机的抽样试验,以检查材料、工艺和生产质量的稳定性。

 

 

  ⑩故障分析试验

  对已定型的发动机在使用中出现的故障进行研究性试验,为故障分析提供依据。

  三、火箭发动机试验站

  试验站是对火箭发动机及其组件进行各种冷、热试验的场所。由组合件试验台、发动机试验台、高空模拟试验台、测量数据处理中心、推进剂和能源供应系统以及消防、环保等辅助部门组成。有的试验站还包括火箭试车台。

 

 

  四、火箭发动机试验解决方案

  火箭发动机综合参数测试系统是北京瑞风协同科技股份有限公司专门针对发动机试验所提供的解决方案。

  火箭发动机综合试验参数主要包括:发动机推力、燃烧室压力、发动机表面及空间温度、发动机表面及喷管应变、位移、点火延迟时间、振动、噪声、点火时序、动态压力、点火零时刻等。试验参数种类众多,同时既包括稳态模拟量采集,又包括稳态数字量采集及振动等动态量的采集,因此需要考虑多种试验设备之间的兼容性。

 

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  由于火箭发动机点火时有一定的危险性,所以需要远程控制测试设备进行试验。并且试验的成本较高,试验本身又具有不可逆性,所以对设备的可靠性和稳定性有很高的要求。根据试验的特点,选用基于LXI总线的设备EX10xx系列精密热电偶/电压测量仪以及EX1629高性能远端应变/电压测量仪来搭建火箭发动机综合参数测试系统,可将设备放置在远离测控间的试验现场。

 

 

  对于发动机表面及空间温度,针对热电偶信号,可直接采用EX10xx系列的热电偶通道进行采集;针对热电阻信号,首先通过EX10SC信号调理平台进行调理,然后采用EX10xx进行采集,设备内置冷端补偿,可以简化传感器接线。

  对于发动机的振动信号、推力信号以及应变信号,可按照采样率的大小选择EX1629或EMX系列产品。

  综合参数测试系统被测参数种类众多,因此需要测试系统需要较高的兼容性,同时需要强大的数据处理能力。EXLab支持分布式测试和数据发布功能,用户可以把多种不同的试验设备接到同一个测试系统集中控制,进行综合性试验,并且不在试验现场的用户也可以实时多监控端监控采集到的数据,充分利用试验资源,提高试验效率,减少了试验过程中时间、空间的差异。

  系统软件主控端可控制局域网中的多个采集前端和监视端。数据通过主控端在局域网内发布后,其他有权限用户能远程实时监视关心通道的数据,并以组态控件显示。

  并且可接入现场的视频、音频信号,与试验数据同步显示,使试验状态更直观的呈现给试验操作人员。

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