模擬飛行條件下固體火箭發(fā)動機內(nèi)彈道性能測試技術(shù)研究

付 宇，陳亞奇，儀建華，孫 美，解珍珍

(1.中國兵器工業(yè)實驗測試研究院，陜西華陰 714200;2.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

近年來，隨著高機動性能戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展，對高橫向過載下發(fā)動機的工作穩(wěn)定性和安全性提出了越來越高的要求。高過載會對火箭發(fā)動機內(nèi)流場以及裝藥燃燒產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)彈道性能的顯著改變。

燃燒室壓強是發(fā)動機工作的重要參數(shù)，與比沖、推力、燃燒特性、結(jié)構(gòu)尺寸以及重量密切相關(guān)，通常燃燒室工作過程分為3 個階段:點火起動段、穩(wěn)態(tài)工作段和拖尾段。研究發(fā)動機燃燒室內(nèi)壓強隨時間變化的規(guī)律，是固體火箭發(fā)動機工作過程分析的主要方面。

目前，固體火箭發(fā)動機內(nèi)彈道性能測試基本只進行地面實驗，某些性能參數(shù)在地面實驗時無法獲取，或者因不滿足一定的激勵條件其數(shù)值與實際飛行條件下有較大差異，如:某固體火箭發(fā)動機在特定飛行過載條件下出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，但進行地面實驗時故障不復(fù)現(xiàn)，因此模擬高過載飛行條件進行內(nèi)彈道性能測試尤為重要。如:某固體火箭發(fā)動機在特定飛行過載條件下出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，但進行地面實驗時故障不復(fù)現(xiàn)，因此需要在模擬飛行過載條件下進行內(nèi)彈道性能測試，并無損回收被試品發(fā)動機用以數(shù)據(jù)分析。

基于以上背景，本文通過設(shè)計模擬飛行試驗(即:火箭橇試驗)，在特定飛行過載條件下進行被試品發(fā)動機燃燒室內(nèi)壓強測試，實現(xiàn)了被試品發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的故障復(fù)現(xiàn)，為該類型發(fā)動機的裝藥設(shè)計提供依據(jù)，進而改善發(fā)動機在高過載條件下的工作特性，提高發(fā)動機工作的安全性和可靠性。

1 火箭橇試驗方法設(shè)計

火箭橇試驗是武器研制過程中的一種重要的地面試驗手段，是介于實驗室試驗與飛行試驗之間的聯(lián)系天地之間的一種試驗系統(tǒng)，其最大的特點是模擬試驗件所需的速度和加速度。利用這一試驗方法，不僅能考核試驗件整機、部件的性能，也能考核它們對飛行環(huán)境的適應(yīng)性及可靠性。其飛行包絡(luò)基本能涵蓋飛行試驗，是1:1 試驗件所能考核的最有效試驗系統(tǒng)，其可在軌無損回收經(jīng)考核過的試驗件，供進一步試驗室分析。

固體發(fā)動機的火箭橇模擬飛行試驗，是將被試品發(fā)動機安裝在火箭橇橇體上，利用助推發(fā)動機使火箭橇橇體達到一定的速度和加速度，當(dāng)橇體達到設(shè)定的過載條件時被試品發(fā)動機開始工作，從而達到模擬飛行試驗特定過載條件下被試品發(fā)動機工作性能的目的。橇體上安裝過載測試系統(tǒng)和壓強測試系統(tǒng)，用來實時記錄橇體的運行過載和被試品發(fā)動機燃燒室壓強?；鸺猎囼炏到y(tǒng)如圖1 所示。

圖1 火箭橇試驗系統(tǒng)

2 測試系統(tǒng)構(gòu)建

以火箭橇為平臺的模擬飛行試驗與地面實驗不同，測試環(huán)境具有高過載、振動，高速氣流擾動等特點且測試系統(tǒng)的安裝空間有限?；鸺猎囼灂r壓力測試系統(tǒng)安裝于火箭橇橇體上隨火箭橇一起運行，因此測試系統(tǒng)需具備抗振動、過載能力，小型化，直流電源供電等特性，這也是地面試驗使用的測試設(shè)備不能直接用于火箭橇試驗的原因。測試系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號調(diào)理模塊及數(shù)據(jù)記錄儀組成，系統(tǒng)組成框圖如圖2 所示。

圖2 測試系統(tǒng)組成框圖

壓力傳感器感應(yīng)發(fā)動機燃燒室內(nèi)的壓力信息，并將壓力信息轉(zhuǎn)換為與壓力強弱成一定比例的微弱電信號;信號調(diào)理模塊將傳感器輸出的微弱電信號通過放大電路進行放大后，輸出0 ～5 V 的與壓力強弱成比例關(guān)系的電壓信號; 數(shù)據(jù)記錄儀將信號調(diào)理模塊輸出的模擬電壓信號經(jīng)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進行數(shù)據(jù)記錄、存儲，待試驗結(jié)束后讀取試驗數(shù)據(jù)進行分析處理。

3 測試系統(tǒng)標(biāo)定

測試系統(tǒng)中所使用的壓力傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)記錄儀都單獨進行過計量檢定，但為了驗證系統(tǒng)的匹配性及系統(tǒng)精度，需要對電纜線在內(nèi)的整套測試系統(tǒng)進行標(biāo)定。

活塞式壓力計是基于帕斯卡定律及流體靜力學(xué)平衡原理產(chǎn)生的一種高準(zhǔn)確度、高復(fù)現(xiàn)性和高可信度的標(biāo)準(zhǔn)壓力計量儀器，主要用于計量室、實驗室以及生產(chǎn)或科學(xué)實驗環(huán)節(jié)作為壓力基準(zhǔn)器使用。本文采用活塞式壓力計對測試系統(tǒng)進行標(biāo)定，根據(jù)傳感器的量程(20 MPa)選用YS -250 型壓力計，該壓力計的測量范圍為0.5 ～25 MPa，準(zhǔn)確度為0.05級(±0.05%)。

壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定，是指給定多個不同的壓力點，獲取相應(yīng)的壓力傳感器的輸出電壓讀數(shù)，并形成一條靜態(tài)標(biāo)定曲線。為了標(biāo)定壓力傳感器存在的回程誤差，分別進行升程和回程兩次標(biāo)定。標(biāo)定時將壓力計加壓到某一給定值，等到壓力傳感器進入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后用測試系統(tǒng)對該壓力值進行采集。標(biāo)定系統(tǒng)組成框圖如圖3 所示，標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 標(biāo)定系統(tǒng)組成框圖

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)

將理論輸出電壓與升程、回程實測電壓值進行畫圖比較，圖中直線為壓強-理論輸出電壓關(guān)系曲線，圓圈代表升程電壓值，星號代表回程電壓值。從圖4 中可以看出，測試系統(tǒng)精度滿足要求，壓強與實測電壓值滿足線性關(guān)系。標(biāo)定曲線比對圖如圖4 所示。

圖4 標(biāo)定曲線比對

4 試驗驗證

某型固體火箭發(fā)動機地面實驗時燃燒室壓力曲線正常，但在飛行試驗時出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，為了復(fù)現(xiàn)該型號發(fā)動機的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象并對改進措施進行驗證，需要進行特定過載條件下的模擬飛行試驗，并對燃燒室壓力曲線進行測試。

4.1 試驗設(shè)計

根據(jù)某型固體火箭發(fā)動機在飛行試驗中出現(xiàn)的故障，初步判定不穩(wěn)定燃燒出現(xiàn)的條件為過載值達到16 g 且持續(xù)時間大于2 s。根據(jù)此情況進行火箭橇試驗彈道設(shè)計，試驗開始時助推發(fā)動機工作，橇體開始沿滑軌運動，過載值上升至設(shè)定值16 g 并持續(xù)2 s 后被試品發(fā)動機工作，橇體到達軌道設(shè)定位置時，采用水剎車技術(shù)無損回收被試品，橇體逐漸減速至靜止?；鸺猎囼灉y得過載曲線如圖5 所示。

過載測試系統(tǒng)與壓強測試系統(tǒng)安裝于橇體預(yù)留測試艙內(nèi)，為了獲取統(tǒng)一零時刻，當(dāng)被試品發(fā)動機開始工作時，兩套測試系統(tǒng)同時開始記錄，試驗結(jié)束后隨橇體回收。

圖5 過載曲線

4.2 結(jié)果與討論

針對該項試驗任務(wù)共進行了3 次試驗，第1 次為地面試驗，第2 次、第3 次為特定過載條件下的火箭橇試驗，其中第2 次試驗為故障復(fù)現(xiàn)，第2 次試驗為對改進措施進行驗證。地面試驗時燃燒室壓力曲線正常，如圖6 所示，說明沒有過載激勵的條件下故障不能復(fù)現(xiàn)。第2 次火箭橇試驗?zāi)M特定過載條件下(飛行過載達到軸向約20 g，大于16 g 過載持續(xù)時間大于2 s)被試品發(fā)動機出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，燃燒室壓力曲線如圖7 所示，故障復(fù)現(xiàn)。對被試品發(fā)動機裝藥改進后進行第3 次火箭橇試驗?zāi)M同上的特定過載條件，試驗測得燃燒室壓力正常，曲線如圖8 所示，說明改進措施有效。

圖6 地面試驗時燃燒室壓力曲線

圖7 故障復(fù)現(xiàn)

圖8 改進后燃燒室壓力曲線

5 結(jié)論

本文通過進行的3 次火箭橇試驗得出:①通過特定過載條件下的模擬飛行試驗壓力測試，復(fù)現(xiàn)了某型號發(fā)動機的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，并驗證了改進措施的成功有否，為試驗提供了數(shù)據(jù)支撐;②試驗保證了被試產(chǎn)品的無損回收;③模擬飛行試驗條件下發(fā)動機燃燒室壓力測試技術(shù)是可行的，測試重復(fù)性較好。

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