發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試第四章

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試第四章第1頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四章高空模擬試車(chē)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(chēng)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(chē)臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)高模試車(chē)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)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；CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第2頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.1.2高模試車(chē)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(chē)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(chē)臺(tái)要解決的首要技術(shù)關(guān)鍵，其次是試驗(yàn)艙及滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的專(zhuān)用設(shè)備的設(shè)計(jì)。決定高模試車(chē)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(chē)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(chē)臺(tái)的模擬高度一般選擇在30~33km。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第3頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.1.3高模試車(chē)臺(tái)的主要技術(shù)要求高模試車(chē)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(mǎn)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)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(chē)并進(jìn)行多分力測(cè)量；

4）具備旋轉(zhuǎn)試車(chē)條件；

5）能夠在試車(chē)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(chē)前的保溫；

7）在試車(chē)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，試車(chē)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?/p>

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)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第4頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.1.4高模試車(chē)臺(tái)的基本類(lèi)型全程持續(xù)工作的高模試車(chē)臺(tái)根據(jù)其排氣系統(tǒng)的排出方式可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是“泵-擴(kuò)壓器”型高模試車(chē)臺(tái)，習(xí)慣稱(chēng)之為被動(dòng)引射高模試車(chē)臺(tái)；另一類(lèi)是“擴(kuò)壓器十外加抽吸系統(tǒng)”型高模試車(chē)臺(tái)，習(xí)慣稱(chēng)之為主動(dòng)引射高模臺(tái)。被動(dòng)引射高模試車(chē)臺(tái)在早期的發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車(chē)中被廣泛采用，但由于其存在的固有缺陷。已經(jīng)不能滿(mǎn)足先進(jìn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車(chē)的要求。在國(guó)外己被主動(dòng)引射高模試車(chē)臺(tái)所取代。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第5頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.2被動(dòng)引射高模試車(chē)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）

CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第6頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）原理被動(dòng)引射高模試車(chē)臺(tái)在進(jìn)行高模試車(chē)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)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第7頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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(kāi)試驗(yàn)艙與真空泵相連的閥門(mén)、開(kāi)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(kāi)擴(kuò)壓器冷卻水供給系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)按程序進(jìn)行點(diǎn)火.點(diǎn)火后發(fā)動(dòng)機(jī)排出的燃?xì)鉀_開(kāi)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绊懀诖藭r(shí)將位于試驗(yàn)艙后端的補(bǔ)氣閥門(mén)打開(kāi)，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(chē)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第8頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第9頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.2.2性能與局限性

（1）模擬高度此類(lèi)高模試車(chē)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18～23km，也難于保證大面積比噴管（時(shí)）在工作期間滿(mǎn)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(chē)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(chē)臺(tái)的嚴(yán)重缺陷。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第10頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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(mén)反壓高，為了保護(hù)擴(kuò)壓器能夠正常啟動(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(chē)臺(tái)上進(jìn)行擺動(dòng)噴管的試車(chē)。（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(mǎn)流和回流沖擊，推力和沖量測(cè)量不真實(shí)。不能滿(mǎn)足推力和總沖的不確定度要求。（5）不能在試車(chē)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(chē)后的校準(zhǔn)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第11頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.3主動(dòng)引射高模試車(chē)臺(tái)主動(dòng)引射高模試車(chē)臺(tái)是指發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高模試車(chē)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(chē)全過(guò)程中得到控制，并有效地防止燃?xì)饣亓?。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第12頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一主動(dòng)引射高模試車(chē)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第13頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.3.1“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(chē)臺(tái)的示意圖如圖4-4所示。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第14頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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(mén)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(kāi)隔離閥門(mén)、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(mén)和引射器構(gòu)件所能承受的溫度（一般控制在200~300℃）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(chē)全過(guò)程葉，處于穩(wěn)定的低壓環(huán)境。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第15頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒結(jié)束后，已無(wú)燃?xì)馀懦觯申P(guān)閉隔離閥門(mén)，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(chē)后的校準(zhǔn)。

蒸汽供給系統(tǒng)是此類(lèi)高模臺(tái)的重要系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車(chē)時(shí)（特別是大推力發(fā)動(dòng)機(jī)）在試車(chē)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(mǎn)足短時(shí)間內(nèi)提供流量大而壓力穩(wěn)定的蒸汽的要求。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第16頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.3.2“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(chē)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第17頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第18頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.3.3主動(dòng)引射高模試車(chē)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)與被動(dòng)引射式高模試車(chē)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(chē)全過(guò)程中處于滿(mǎn)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)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(méi)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%；CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第19頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(mǎn)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(chē)臺(tái)功能的增加，可以在一次試車(chē)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(chē)數(shù)量。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第20頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.4典型主動(dòng)引射高模試車(chē)臺(tái)介紹4.4.1意大利ISA-2高模試車(chē)臺(tái)

ISA-2高模試車(chē)臺(tái)建于1980年左右，它是為了滿(mǎn)足歐洲航天計(jì)劃對(duì)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)Mage-Ⅰ、Mage-Ⅲ的高模試車(chē)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(lèi)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(chē)臺(tái)由試驗(yàn)艙、擴(kuò)壓器、燃?xì)饫鋮s器、隔離閥門(mén)、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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第21頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(kāi)啟的大門(mén)，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(chē)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(kāi)孔與擴(kuò)壓器入口相連。b．?dāng)U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(chē)過(guò)程進(jìn)行控制。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第22頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(chē)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(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)間在15s之內(nèi)。f．蒸汽發(fā)生器本試車(chē)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第23頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第24頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.4.2美國(guó)J-5高模試車(chē)臺(tái)

J-5高模臺(tái)是為滿(mǎn)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)而建造的大型專(zhuān)用高模試車(chē)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第25頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(mén)供吊入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，艙內(nèi)安裝多分力試車(chē)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)行推力校準(zhǔn)。擴(kuò)壓器通過(guò)試驗(yàn)艙尾部的開(kāi)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第26頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一b．?dāng)U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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第27頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第28頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.4.3美國(guó)J-6高模試車(chē)臺(tái)為了滿(mǎn)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(chē)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年開(kāi)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(chē)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第29頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(kāi)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(chē)架、光學(xué)對(duì)準(zhǔn)裝置、緊急雨淋系統(tǒng)、觀察窗、監(jiān)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(kāi)孔與擴(kuò)壓器相連。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第30頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一b．?dāng)U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2200kN的試車(chē)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0.34～2.8kPa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(lèi)似。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第31頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(mǎn)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第32頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(mén)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1.7Mpa。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(mén)組成，供水壓力為0.5Mpa，冷卻水通過(guò)管道閥門(mén)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第33頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2）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(mén)，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(kāi)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(kāi)隔離閥，用排氣機(jī)組再次對(duì)試驗(yàn)艙飛進(jìn)行抽空。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第34頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.4.4法國(guó)MESA高模試車(chē)臺(tái)

MESA高模試車(chē)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(chē)臺(tái)，該臺(tái)于1979年開(kāi)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第35頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(chē)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．?dāng)U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(chē)前關(guān)閉，以保持試驗(yàn)艙點(diǎn)火前的真空度；發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)打開(kāi)，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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第36頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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)饣亓鳌．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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第37頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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)噴射器消耗蒸汽量為50kg/s，蒸汽壓力為1.5MPa，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)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第38頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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(kāi)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(kāi)隔離閥門(mén)，并逐個(gè)打開(kāi)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0～45℃；可進(jìn)行擺動(dòng)噴管和延伸噴管的試驗(yàn)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第39頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.5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(méi)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?；二是利用發(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(mǎn)流和維持試驗(yàn)艙內(nèi)穩(wěn)定的低氣壓環(huán)境的目的。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第40頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一擴(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?chē)霸囼?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(kāi)，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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第41頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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、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(mǎn)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(mǎn)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第42頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.5.2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(chēng)為工作室或前室，以下統(tǒng)稱(chēng)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第43頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一狀態(tài)Ⅰ—噴管內(nèi)流動(dòng)分離狀態(tài)當(dāng)燃燒室壓力（簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)始到噴管出口面為止，壓力愈低，分離點(diǎn)愈靠近噴管喉部。這個(gè)狀態(tài)稱(chēng)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)Ⅱ—噴管滿(mǎn)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(mǎn)流狀態(tài)；狀態(tài)Ⅲ—普朗特一邁耶膨脹狀態(tài)

狀態(tài)Ⅱ僅僅使噴管達(dá)到滿(mǎn)流，擴(kuò)壓器還沒(méi)有滿(mǎn)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(chēng)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)。高模試驗(yàn)時(shí)要求擴(kuò)壓器在這一狀態(tài)一下工作。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第44頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一b．?dāng)U壓器特性曲線(xiàn)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(xiàn)是指室壓與艙壓的關(guān)系曲線(xiàn)，這個(gè)曲線(xiàn)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(xiàn)極為接近。圖4-11為直筒式擴(kuò)壓器的理論特性曲線(xiàn)，由圖可見(jiàn)：

1）每一條特性曲線(xiàn)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(xiàn)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(chēng)為擴(kuò)壓器的最小啟動(dòng)壓力，并用表示；

3）特性曲線(xiàn)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）。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第45頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第46頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一應(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)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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第47頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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Ⅰ—入口直筒段；Ⅱ—收斂段；Ⅲ—喉部段；Ⅳ—擴(kuò)散段。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第48頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第49頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一擴(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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第50頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一觀察和分析圖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(chēng)為極限收縮比，并記作。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第51頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一極限收縮比可根據(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。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity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(xiàn)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)獗葻岜榷兓?。?2頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第53頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第54頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第55頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第56頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第57頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第58頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第59頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)主講：劉平安CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第60頁(yè)，共79頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)