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1、固体火箭发动机测试与试验技术主讲：刘平安College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineering第一章 概 论 固体火箭发动机试验与测量技术是固体推进技术的重要组成部分。固体火箭发动机在研制过程研制过程中和在交付使用前，必须经历一系列试验，主要有：(1)部件试验部件试验：如燃烧室壳体静力试验、喷管摆动试验、点火装置发火试验等(举例举例：保险机构打不开)；(2)发动机地面点火地面点火试验；(3)使用性试验，即模拟发动机使用时所处环境条件使用时所处环境条件的试验；(4)遥测飞行试验：发动
2、机作为全弹(箭)动力装置参与飞行参与飞行试验。本书主要论述地面点火试验地面点火试验、试验装置与设备试验装置与设备、试验中的测量方试验中的测量方法法、数据处理与不确定评估方法数据处理与不确定评估方法以及试验测试常用的传感器、仪器仪表与系统。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 研制新型号固体火箭发动机一般要经历研究、设计、试制、试验研究、设计、试制、试验等四个基本环节组成的一个循环。试验在这个循环中处于关键地位。这不仅因为发动机的性能、精度、可靠性需要通过实验来评
3、定、验证，而且还因为发动机研制过程中一些主要问题要依靠试验来暴露，依靠试验来寻找解决问题的途径。举例举例：某超高速鱼雷使用两台固体发动机，性能靠试验来保证。o 试验在发动机研制的预研、模样、初样、试样预研、模样、初样、试样和批生产批生产诸阶段都起着重要作用。o 在预研阶段预研阶段，侧重于发动机新的设计理论、新的结构形式、新材新的设计理论、新的结构形式、新材料、推进剂新的配方料、推进剂新的配方等单项技术研究与攻关单项技术研究与攻关。这期间不仅要做单项或部件试验，同时也要把诸项新技术综合设计在一个“综合试验发动机”上做地面点火试验，进行综合考核，来验证发动机新的设计设计理论的正确性、新的结构形式的
4、可行性、新材料与新配方的先进性理论的正确性、新的结构形式的可行性、新材料与新配方的先进性和工艺适应性和工艺适应性。一般说来，只有通过预研阶段充分试验考验过的新技术才允许在新的型号研制中采用。举例举例：某水冲压发动机的研制。1.1试验的地位与作用o 在模样阶段模样阶段，试验的主要作用在于考核发动机设计方案的可行性、结构合理性、所采用的各项新技术的相互匹配性、协调性各项新技术的相互匹配性、协调性。通过试验暴露问题，为改进设计指出方向和寻找途径。o 在初样阶段初样阶段，发动机的总体方案已经确定，各部件的结构、材料及推进各部件的结构、材料及推进剂配方已经基本确定剂配方已经基本确定，一般不再做重大调整。
5、这个阶段，发动机要进行大量的使用性试验即模拟使用环境条件的试验，如：振动、加速度、冲击、运输、温度循环、贮存等试验。经这些环境试验的发动机一般都要再做地面点火试验，考核发动机经过环境试验后工作的可靠性。同时还要对发动机的性能参数作出评价：是否满足全弹的战术技术要求。还要对工艺可行性、稳定性作出评价。o 在试样阶段试样阶段，一般要进行组成发动机试验，对发动机性能参数的精度作出精度作出评价评价，所以试样阶段的试验属于精度试验，为飞行试验提供数据。该阶段试验还要继续考核工艺稳定性，为定型生产提供依据。o 在批生产阶段批生产阶段，进行定型后的鉴定性抽样试验鉴定性抽样试验。其作用是检验工艺稳定性与可靠性
6、、检验发动机性能参数是否落在设计规定的范围内。o 综上所述，固体火箭发动机试验研究是固体火箭发动研制工作的重要组成部分，离开了试验，固体火箭发动机技术就无从发展。o 使用性试验就是发动机在使用过程中受到各种因素影响的试验。这些因素不论是对单个发动机还是对装在导弹上的发动机，在使用过程中都可能影响其工作性能和可靠性。为了考验发动机在各种环境因素影响下的可靠性，使用性试验是不可缺少的。o 使用过程中受到的影响因素很多，综合起来可分为机械影响、机械影响、气候影响及生态影响气候影响及生态影响。航天用发动机还可能受到真空影响、宇宙射线影响等。但是最常见的影响是机械影响与气候影响。机械影响来源于各种形式的
7、运输、装卸起吊及飞行中的加速度、离心力，贮存时装药的自重等等。气候影响如何使用地域上的温差、昼夜温度交变、高湿度、烟雾、风暴尘埃等。为了保证导弹系统在各种影响因素作用下都可靠地工作，进行一系列使用性试验来评定、考验发动机的使用安全性与可靠性是十分必要的。(举例：运到巴基斯坦的发动机)1.2使用性试验的作用与内容 o 固体火箭发动机使用性试验，包括下列几种：o (1)振动试验振动试验o 固体火箭发动机振动试验是在振动试验台上进行的。振动试验台由振动激振器、发动机固定装置及控制系统组成。振动试验方法可分为两类。即谐波激振法和随机激振法。对于军用产品，用随机振动模拟使用条件较为合理。o (2)冲击试
8、验冲击试验o 冲击试验的目的是检验发动机在预定的冲击载荷作用下工作性能和可靠性。冲击试验在冲击试验台上进行。最简单的冲击试验台是自由落体式试验台，它将发电机提升到一定高度并吊住后释放，发动机自由落体下冲击到有一定垫层要求的台体基础上，然后检验发发动机落下冲击后的结构变化与性能变化情况。o (3)运输试验运输试验o 运输设备的振动无明显重复性，产生的力是非周期性的，由于道路不平，引起的冲击扰动是随机性的振荡，按美国专家给出的数据，在公路上运输的振动频率为23Hz,1020Hz及80100Hz，加速度幅值约为 ；在铁路运输时，频率为35Hz，加速度幅值为 。发动机公路运输条件要规定公路路面等级、运
9、输的距离及速度。铁路运输试验要规定试验路程、速度等。o (4)环境条件试验环境条件试验o 环境条件指温度、湿度、气压等条件。环境试验的一种主要形环境试验的一种主要形式是试验各种温度状态对发动机性能的影响式是试验各种温度状态对发动机性能的影响，参考文献1推荐可用以下温度试验评定短期贮存时发发动机的设计特性：o 1)热环境条件 在温度305K条件下保温10h，再在5h内升温至325K，保温4h，然后在5h内降低温度至305K;o 2)冷环境条件 在223K温度下保持24h再降至219K;o 3)温度循环 建议发动机在整装状态下作一星期的温度循环试验。o (5)贮存试验贮存试验o 便于长期贮存是固体
10、火箭发动机的优点之一，但其贮存期要通过贮存试验来确定。o 发动机处于较长服役期内，其性能的稳定性要求非常严格。影响性能稳定性的因素很多。首先，固体推进剂的基体是高分子聚合物，其物理和化学性能随着贮存时间的增长产生老化，这就会给发动机的性能和工作带来影响或危险性；其次，近来发动机壳体、喷管广泛采用各种聚合物材料，如玻璃钢、有机纤维复合材 料等，这些非金属材料也会随着时间的延长而产生老化，即使是金属材料也会出现锈蚀或变形；此外，各种密封件的老化、永久变形，严重时，会产生密封失效；发动机长期水平放置时，由于重力的影响，装药的几何尺寸会发生变化，严重时会出现裂纹和脱粘，一旦出现这种现象，很可能导致发动
11、机点火时爆炸。凡此种种因素的影响，无法用计算的方法加以评定，只有靠贮存试验来考核。o 长期贮存试验的目的就是要确定发动机服役的有效期目的就是要确定发动机服役的有效期。要编制贮存试验大纲，内容包括贮存试验的发动机台数、随机贮存的各种材料的试验件数量、贮存库房的环境条件要求、贮存期内的检查和到期发动机的地面点火试验。o 对某些材料的试件还可以做快速老化的试验快速老化的试验来获得敏感的老化参数。o 根据掌握的有关数据，编制维修工作计划，更换短寿命的零件更换短寿命的零件(如密封圈之类)，最后规定固体火箭发动机的服役期限。举例举例：关于密封圈的更换o 地面点火试验又称试车试车，相对于飞行试验而言可称其为
12、静止试验静止试验，其特点可以归纳为以下几点：o (1)工作时间短且测量环境恶劣o 固体火箭发动机工作时间短，只有零点几秒到数十秒，最长不过百余秒，在很短的时间内，燃烧室中推进剂燃烧要释放出巨大的能量，产生高温(30004000K)、高压(325Mpa)的燃气，通过喷管喷出，流速可达2000m/s,同时伴随着强烈的振动和发出巨大的噪声，这样就形成了非常恶劣的测量环境。o 同时由于工作时间短，各种参数变化快，对各参数的测量传感器和仪器要求具有快速测量能力和防高温、耐高压、抗冲击及抗干扰的能力，因此对测量技术的要求是很高的。o (2)技术领域广，工作系统多o 试验与测量集中了许多现代科学技术(包括管
13、理科学)，是一项系统工程。o 固体火箭发动机是利用现代科学技术中若干最新成就所研制的尖端产品，对它进行试验要涉及许多技术领域，如现代测量技术、机械设计技术、电子技术、真空低温技术、精确计量技术、自动控制技术、计算机技术，对结果的分析还要用到现代数理统计及可靠性技术等等，只有把这多种技术、多种系统、分系统及分散在各岗位的技术人员组织起来使之有计划、有步骤地协同工作，试验才能完成。因此，只有采用系统管理科学，才能组织好地面点火试验。1.3 地面点火试验的特点o (3)试验费用高，次数少试验费用高，次数少o 大型固体发动机造价昂贵，每次试验耗资数十万甚至数百万元，每次试验耗资数十万甚至数百万元，而其
14、一台发动机只能试验一次而其一台发动机只能试验一次。昂贵的造价决定了用于点火的发动机数量不能太多，这就要求精心组织每次试验，做到稳妥可靠、万无一失，并尽可能多地获得一些测量数据。o (4)不安全因素多，危险性大不安全因素多，危险性大o 研制初期的发动机容易发生故障，甚至发生爆炸，因此试验中的安全技术措施非常重要，要做好各种防范措施。o (5)环境污染严重环境污染严重o 固体火箭发动机点火试验时，排除的大量燃气中，含有一定量的有害气体和氧化铝微粒，扩散到空气中，会造成大气污染，一旦试验失败，要动用消防水灭火，产生的污染水流入周围地区和河流，也会造成环境污染，必须进行检测和治理。举例举例：实验室门口
15、的树。o 由于点火试验具有上述特点，因此，对试车台的建立、试验设备的配置、发动机参数的测量系统等提出了特殊的要求，这些要求将在以后的各章中分别叙述。o 固体火箭发动机的试验研究是在专门的试验基地进行的。许多国家对试验基地建设非常重视，美国是世界上拥有固体火箭发动机试验基地最多的国家。o 这些基地一般拥有：卧式、立式试车台；高空模拟试车台；高温、低温试验室；振动、冲击试验台和贮存试验库；测量控制中心与计算中心；校准测量传感器的计量中心；对试验发动机进行检查、装配，试验后进行分解、测量的车间；试验技术、测量技术研究室。1.4 地面试验基地的组成o 固体火箭发动机试验与测量技术是根据火箭发动机技术发
16、展的需要，随着科学技术水平的提高而发展起来的。由于现代科学技术的发展，新型新型的高强度、低密度材料的出现，高能推进剂的研制成功，新的设计理论的的高强度、低密度材料的出现，高能推进剂的研制成功，新的设计理论的突破，固体火箭发动机的性能有了很大的提高突破，固体火箭发动机的性能有了很大的提高。这样对发动机试验技术与测量技术就提出了更高的要求提出了更高的要求。固体火箭发动机试验技术发展大约可归纳为以下几点：o (1)试验能力将会进一步提高试验能力将会进一步提高o 用于航天助推器的固体火箭发动机通常是非常大的如美国的“大力神-C3”火箭有两个直径3m的发动机，总推力达9000kN，美国还研制了直径4m和
17、6.6m的固体推进器、推力达几十兆牛。为试验这种巨型火箭发动机必须建造巨型试车台。首先遇到的是巨型试车架的设计与制造问题，运输、起吊问题，还有数十兆牛力值的传感器计量与校准，建立数十兆牛力值的标准等等，都需要突破一系列技术难关。o (2)测量系统的特殊要求测量系统的特殊要求o 一些具有特殊用途的发动机，如多次启动的发动机、宇宙飞船上弹射救生的逃逸发动机，有的工作时间极短，推力又非常大，这些发动机试验对测量系统要求测量系统有很好的动态特性，能不失真地测量推力脉动，这些都是目前尚待解决的技术难点。1.5 试验技术的发展与展望o (3)测量方法将有新的突破测量方法将有新的突破o 固体火箭发动机地面点
18、火试验中瞬时燃速的测量、瞬时质量流量测量、喷管摆动的瞬时中心的测量、内外流场测量等，随着高能直线加速器、X射线CT技术、激光全息技术等在火箭发动机试验中的应用，可望有新的突破。o (4)高空模拟试验的要求更高，范围更大高空模拟试验的要求更高，范围更大o 随着发动机技术性能提高，高空模拟试验领域内，不仅模拟高度要提高120km以上，同时还要模拟温度环境(气动加热)、宇宙射线辐射环境及微重力环境，甚至还要模拟宇宙间的“冷”、“黑”等环境，无疑这又将提出新的技术课题。举例举例：小卫星的发射，旋转发动机。o (5)计算机辅助试验与仿真技术的应用计算机辅助试验与仿真技术的应用o 为减少试验次数，节省费用
19、开支，可通过少量试验，获得一定量试验数据，建立数学模型，利用计算机辅助试验或仿真来解决部分试验问题。当然计算机仿真技术不能完全代替发动机点火试验，最终还得靠热试车来验证、评定发动机性能参数。举例举例：药型设计的模拟以及在模拟方面的优势。2.1 概 述 地面点火试验是按试验任务书要求，将发动机以一定方式（以不影响推力测量为原则）安装在试车台架上，按着预先设置的程序点燃推进剂，使发动机工作并按指令完成规定的动作，同时进行参数测量的全过程。地面点火试验的主要目的如下：o考核结构的完整性和合理性；o考核各分系统的工作可靠性及其匹配关系；o评定发动机的内弹道特性；o测得发动机的能量特性；o测得其他特性参
20、数；College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering第二章 地面点火试验15College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering地面点火试验的基本特点和主要要求是：1）经济性 由于用于地面点火试验的发动机实物数量不可能很多，尤其是大型发动机地面点火试验的次数是很有限的，这就要求每次试验都能获得尽可能多的有用信息，并且这些信息是准确可靠的，即应以最少的投入获得最大的效益；
21、2）实用性 试验与测试设备应处于最佳工作状态，试验结果令人满意，不出现由于试验程序和其它人为因素而造成的附加影响甚至不良后果。3）先进性 主要表现为试验与测试设备性能的提高，使测得的各特征参数更加精确，进而使对发动机结构可靠性和性能可靠性的评定置信度更高。2010年8月31日美战神火箭发动机进行低温试验美战神火箭发动机进行低温试验 推力达推力达1633吨吨该项火箭发动机试验耗资7500万美元。1617College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering 地面点火试验是个比较复杂的工作
22、过程，通常都要经过试验准备、点火试验、试验结果分析与评定等主要阶段；在工艺上包括发动机吊运、试车架安装调试、传感器性能检定、测量系统的配套与调试、点火程序控制、参数测量及数据处理等若干个工艺环节。有的发动机还要进行温度环境试验。为了完成试验任务，取得良好的试验效果，达到预期的目的，地面点火试验时必须编制试验大纲，制定安全可靠的试验方案，采用满足试验要求的试验与测量设备，同时采取有效的安全技术措施。2.2 考核项目与测量参数 固体火箭发动机地面点火试验的考核项目与测量参数可分为两类：一类用于评定发动机的结构性能，另一类用于评定发动机的工作性能。18College of Aerospce and
23、Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering2.2.1 结构性能及其有关参数 发动机的结构性能多数是通过结构试验加以考核的。从评定结构可靠度的角度出发，可以把固体火箭发动机分为以下几个分系统：1).装药-点火系统；2).壳体-包覆层-绝热层系统；3).喷管-推力矢量控制系统。上述各分系统的结构完整性、工作可靠性以及各结合面的密封性能等通常都需通过地面点火试验加以考核和评定。虽然在试验阶段的发动机还不能与最终方案达到完全一致，但这并不妨碍对基本上与飞行状态相一致的各分系统的评定。通过结构试验可以获得下列结果：1).绝热层的热
24、防护性能及其粘结强度；2).壳体材料的应力、应变、温度等数据；3).喷管及其喉衬的耐烧蚀、抗冲刷和抗热震性能；4).推力矢量控制部件的工作性能；5).点火器的点火性能；6).喷管与壳体等各连接部件的连接强度和密封性能；7).与结构性能有关的其它参数；19College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering2.2.2 工作性能及其有关参数 发动机的工作性能主要包括内弹道特性和能量特性，与这两种特性有关的主要参数是压力-时间和推力-时间参数。（1）压力-时间历程 燃烧室压力-时间历程是地
25、面点火试验必须测量的参数，它是评定发动机内弹道性能的依据，通过对压力-时间测量结果的处理可以进一步得到下列各特征参数：最大压力；最小压力；压力冲量；压力比冲；工作时间平均压力；燃烧终点压力；装药的燃烧时间；发动机的工作时间；点火延迟时间；特征速度；燃气的平均秒流量；装药的平均燃烧速度。20o（2）推力-时间历程o发动机的推力-时间历程是评定发动机能量特性的依据，通过对推力-时间测量结果的处理可以得到下列各特性参数：o最大推力；最小推力；o燃烧时间平均推力；工作时间平均推力；o推力系数;发动机总冲;o有效冲量；发动机比冲；o真空推力（高空模拟实验）；真空比冲（高空模拟实验）；o真空推力系数（高空
26、模拟试验）。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering212.2.3 其他参数 在地面点火试验时还根据试验需求进行下述各类参数的测量：o发动机的振动加速度和振动频率；o喷管和其他零件的应变、温度；o推力偏心；o控制力和控制力矩；o喷管摆角和摆动角速度；o发动机在工作过程中各部件产生的位移；o推力终止参数；o发动机在试验前、后的质量；o喷管喉径和出口面直径在试验前、后的数值；o热防护层的剩余厚度。College of Aerospce and Civil Engineerin
27、gCollege of Aerospce and Civil Engineering222.3 试验类型o（1）常规试验o常规试验亦称为结构试验，这是一种最基本、最常用的试验方法,发动机在研制过程中的很多技术问题都需通过常规试验来暴露并加以解决。这类试验有两个主要目的，其一是考核和评定发动机结构的完整性和工作的可靠性；其二是测得发动机的内弹道性能参数。常规试验的主要特点是对试验无特殊要求，试验条件与测试要求比较容易达到，具体表现在以下几个方面：o对推力测量精度要求较低，甚至有时可以不进行推力测量；o采用普通试车架，试验工装成本较低；o测量的参数少，测量条件比较容易保证；o操作比较简单。o常规试
28、验适用于研制初期的各种型号的发动机。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering23o（2）性能试验o 性能试验亦称高精度试验，这也是一种常用的试验方法。性能试验主要用于精确测量发动机的能量特性，为总体提供较精确的比冲（或总冲）数据和推力-时间曲线，同时进一步考核结构性能和评定内弹道性能。这类试验的特点是对试车架的动、静态性能要求较高，试验时要求测量的参数多，操作程序复杂。性能试验适用于研制后期的发动机以及定型发动机的抽样检查试验。o（3）高空模拟试验o 高空模拟试验（简称高
29、模试验）是一种在地面进行的、使发动机在人为形成的高空低气压环境中点火工作并进行参数测量的试验方法。o 高模试验属于性能试验，用于精确测量发动机的真空比冲或总比冲和在高空条件下的推力-时间曲线，考核发动机，特别是大面大面积比积比的高空喷管在低气压条件下的结构可靠性与传热特性，评定发动机的高空点火性能和推力矢量控制性能等。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering24o 高模试验的特点是试验技术复杂、要求高，具体表现在如下几个方面：o1）试车设备和试车台的技术设施比较复杂，它不
30、但需要精度很高的试车架，而且需要产生和维持高空低气压条件所必须的试验舱、排气扩压器、预抽真空系统，还需要在发动机工作即将结束时使试验舱压力恢复到常压，防止燃气回流冲击的补气装置；o2）由于高模试验时发动机是在具有一定真空度的试验舱内工作的，一旦发生故障，其损失和危害都比其他类型的试验大，这就要求高模试验的发动机有更高的结构可靠性，为此，这类发动机必须经过充分的地面试验的考核；o3）由于试验设备的复杂化，使影响试验的不可靠环节增多，这就要求所有的试验设备都必须工作可靠，为此，试验前要对各系统进行认真的检查；o4）试验过程复杂，工作周期长，技术难度大；o5）测试项目多，精度要求高。o 高模试验适用
31、于高空条件下工作的发动机，如多级火箭的第二、三级发动机和发射卫星用的远、近地点发动机等。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering25o（4）旋转试验o某些导弹或卫星用的固体火箭发动机是在旋转状态下工作旋转状态下工作的，为了考核发动机在旋转状态下的工作性能与可靠性，就提出了做旋转试验的要求。o旋转试验是使发动机在以一定速度绕轴线旋转的状态下进行点火工作和参数测量的试验方法。通过旋转试验可以考核发动机在旋转状态下的点火性能和结构性能，评定由于旋转而带来的氧化铝沉积对燃速的影响
32、。这类试验对试验与测量装置的要求是：o试车架上需装有使发动机按一定转速旋转的动力装置和传动机构；o过渡架上需装有便于在旋转状态下传递测量参数的“集流环”或非接触测量时所用的信号传递装置。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering26o（5）推力矢量控制试验o固体火箭发动机的推力矢量控制机构有多种类型，近代大型固体火箭发动机较多采用的是柔性喷管。推力矢量控制试验的主要目的是考核推力矢量控制机构的工作可靠性，测量控制机构的控制特性，如控制力、控制力矩、摆角和摆动角加速度等。对摆
33、动喷管推力矢量控制试验的要求是：o试车台需配置一套专用的液压源；o发动机及试车架都需在喷管摆动方向上有可靠的限位与固定；o需要有指令信号发出装置；o需要有进行摆角、摆心、摆动角速度等参数测量的装置；o测试项目较多，除发动机参数外，通常还包括控制机构的起动、位置、暂态、速度频率和振动特性参数等。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering27o推力矢量控制试验中有时还要测量发动机的侧向力，即推力的分力。侧向力主要来源于控制机构（如喷管的摆动）和发动机的不对称性（如几何不对称性和
34、气动不对称性），一般地说，由于推力控制机构所产生的侧向力是比较大的，而由发动机的不对称性引起的侧向力是比较小的。当需要知道发动机的推力分量，进而知道推力偏心角和横向位移时，就需在多分力试车架上进行分力测量试验。o多分力试车架的设计及分力测量都有较大的技术难度，在分力测量中，多分力传感器具有较大的适用价值。o（6）推力终止试验o推力终止是指在发动机工作当中按指令将推力消除掉或使推力终止。液体火箭发动机的推力终止可通过关机来实现，而固体火箭不可能进行关机，因此其推力终止方法也与液体发动机不同。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of A
35、erospce and Civil Engineering28o固体火箭发动机的推力终止可有两种方法，一种是用发动机上自带的特制冷却剂将推进剂的燃烧熄灭；另一种是在发动机的前封头上开设一些小孔（这种小孔称为反向喷管）。后一种方法不但经济性好、比较容易实现，而且终止精度较高、效果较好，因此已被广泛应用。这种方法的工作原理是：当需要终止发动机的推力时，通过控制机构引爆起爆管，将反向喷管打开。反向喷管打开后即产生与主推力方向相反的反推力，当反推力与主推力略大于主推力，这样，发动机便会产生一定量的负推力。o推力终止试验的主要目的是考核反向喷管及其打开机构的工作可靠性，测量反向喷管打开时间及其同步性，测
36、量反向喷管打开后所产生的负推力的瞬变过程等。o进行推力终止试验时需注意下列事项：o反向喷管打开后，将在主推力方向上喷出火焰和抛出物，因此要特别注意试验设备和人身安全；o反向喷管打开后，发动机将存在负推力瞬变，因此，要求试车架及其测力组件具有承受一定反推力的能力。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering29o2.4 试验任务书与试验大纲o2.4.1 试验任务书o试验任务书是由设计部门根据发动机的研制计划与研制需要拟制的，它是试验单位编制试验计划（或试验大纲）的技术依据，对试
37、验任务书的要求是：o（1）时间要超前 试验任务书，特别是新型号发动机和对试验、测试有特殊要求的发动机，其试验任务书要为试验留有足够的准备时间。在准备时间内将要完成试验设备的设计与加工、测试设备的配置与调试和其它各项工艺技术准备工作；o（2）任务要明确 要明确提出试验时间、试验数量、试验目的和试验的技术要求：o（3）数据要完整准确 对于一般的试验，任务书中要给出下述各发动机参数：College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering30o总质量及装药量；o外形尺寸，包括总长度、直筒段长度
38、、直筒段直径等；o壳体材料；o工作时间；o预计的最大推力和平均推力；o预计的最大压力和平均压力；o对于高空模拟试验的发动机，还应给出下述各参数：o燃烧终点压力；理论p-t的曲线；o燃烧室总温；平均质量流量；o燃气比热比；喷管出口面气流和马赫数；o出口面静温与静压；出口面定压比热；o喷管出口半锥角。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering31o（4）其它要求 如对发动机的起吊与安装要求、发动机加工的质量情况及总装出厂时的技术状态等都需在适当的时候向试验单位进行比较详细的技术
39、交底。o2.4.2 试验大纲o试验任务书会签后，试验单位需根据试验任务书要求编制试验大纲。试验大纲是全面完成试验任务所必需的指导性文件，它应包括试验的计划管理工作、技术方案和质量保证措施等各项内容。编制试验大纲时要充分考虑本试验单位的试验能力，而试验能力取决于车台的建筑规模、技术设施完善程度、测试设备的先进性与完整性。o试验大纲应明确下述各项目：o试验期限；试验类型；o试验场地；试验设备及技术要求；o测试仪器及其技术要求；试验方案；o工艺路线；完成单位及进度要求；o试验的安全措施；试验的冷却措施；o关键岗位、关键数据及其控制措施；试验结果处理与评定；o试验报告及其技术要求。College of
40、 Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering32o2.5 试验过程与工作内容o地面点火试验的全过程可按时间顺序和工作性质分为试验准备、点火试验、试后现场处理、试验结果分析与评定等四个阶段。o2.5.1 试验准备阶段o试验准备阶段是指从试验任务书会签后到发动机上台前这一个时期的工作。试验准备阶段的工作量可因发动机型号和对试验的要求不同而不同。对于新型号发动机和对测试有特殊要求的发动机，在试验准备阶段往往要进行试验工装的设计与加工、测试仪器的配置与调试等，其工作量较大，所需的时间也较长。对于一般的试
41、验，这一阶段通常要完成下述各项工作：o（1）根据试验任务书和试验大纲要求，配备好试验工装并进行必要的性能调试；o（2）编制点火控制与测试程序并对测试设备进行性能调试；o（3）对试车台各分系统进行检查，使其达到正常工作状态；o（4）进行发动机上台前的预装和试装；College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering33o（5）根据任务书要求，对发动机进行保温处理保温处理；o（6）进行各项工艺技术准备，如编制工艺文件、绘制工艺图等。o2.5.2 点火试验阶段o通常把发动机进入试车台到发动机
42、点火完毕这一工作过程叫点火试验阶段（简称试验阶段），这一阶段的工作程序如下：o1）发动机吊起与转运；o2）发动机的安装与调试；o3）点火前的校准与检查；o4）发动机的点火与参数测量。o这一阶段的工作特点是环节紧凑、程序分明，每一环节都直接关系到试验的成败，因此对每项工作都有比较严格的技术要求。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering34o（1）发动机的起吊与转运o这一环节的最终目的是将发动机从产品运输车上平稳、安全、可靠地调运到试车架上就位，为达到这一目的，必须采取合理的
43、吊装方法，采用性能可靠的吊具与吊车。合理的吊装方法是指起吊位置与支撑位置相矛盾，尽量减少起吊发动机处于平稳状态，且不引起发动机变形。o（2）发动机的安装与调试o 发动机的安装调试是指发动机在试车架上就位以后的一系列安装与调整工作。这些工作包括发动机与动架之间的固定，过渡架、测力组件、校准组件的安装以及安装过程中发动机调整等。方位调整的目的是使发动机轴线、测力组件轴线和承力墩的承力面相垂直，使传感器免受安装力和力矩的影响，这对提高推力测量精度是十分有益的。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil
44、Engineering35o（3）点火前的校准与检查o为保证测控系统工作的可靠性和正确性，在发动机点火之前要进行预检和校准，其中包括点火控制程序的检查（此项检查通常称作合练）、各参数测量系统的校准等。高精度试验时还要进行原位校准。原位校准的目的是检查发动机的安装情况，确定推力测量系统的静标精度。对原位校准的要求是校准完毕后发动机的安装状态不再变动，如需进一步调整，调整后重新进行校准。原位校准时加、卸载循环次数不少于3次，校准点数不少于6点。o（4）发动机点火与参数测量o发动机点火必须在各项准备工作都充分做好以后再进行，而且要求点火电线的连接、合闸、启动等项操作都必须准确无误。参数测量是指发动机
45、在工作过程中各种特征参数进行测量。测量参数及其测量路线的多少一般由试验任务书给出，在实际测量时，对主要参数（如推力、压强等）的获得率及其测量精度要重点加以保证。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering36o2.5.3 试后现场处理o（1）正常情况的处理oa 发动机冷却o对于大多数试验（高模试验除外），在发动机工作结束后要及时用冷却剂对燃烧室内腔和喷管外部进行冷却，冷却的目的是终止残余燃烧，保护绝热层和喷管，以利于分析这些部件结构材料的工作性能。常用的冷却方法是从喷管一端将
46、水以雾状形式喷射到燃烧室内，这样可以使水得到充分的蒸发和使燃烧室内表面得到均匀的覆盖，从而保持绝热层的完整性。ob 测试系统的检查o这里主要是指对各参数测量系统的工作情况进行检查，当测量数据出现失真时，通过检查可以判定失真的原因，提出解决的办法。根据需要有时还对推力测量系统进行试后的原位校准，此校准数据也可以作为原始数据的一部分纳入试验报告。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering37oc 发动机处理o试验结束后要根据任务书要求对发动机空壳做相应的处理，常见的处理内容是：
47、o分解发动机，卸下喷管和前顶盖；o称量壳体和主要部件的质量；o测量喷管喉径和出口面直径。od试验设备处理o试验结束后需对试车架等主要设备的完整性和技术状态进行检查，这不仅有助于试验结果的分析评定，也是对试验设备的维护保养所必需的。o（2）异常情况处理o地面点火试验中的异常情况主要有两种，一种是不能正常点火，另一种是点火后发动机工作发生故障，如壳体爆破、喷管吹掉等。当发动机不能正常点火时，要切断点火电源，检查点火线路，故障排除后（可通过打点火头验证）再按原程序点火。当出现壳体爆破引起台内燃烧的事故时，要维护好现场秩序，组织专门人员进行消防，尽量减少事故损失。同时，对现场、发动机残骸和碎片进行必要
48、的拍照，为事故分析提供原始资料。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering38o2.5.4 试验结果o（1）试验结果的分析与评定o发动机的地面点火试验共有四种可能的结果，即：成功、基本成功、部分成功、失败。发动机正常工作的时间历程、试验结束后部分部件的完整性、测试数据的完整性与真实性是评定试验成败的依据和标志，而数据处理结果则是评定发动机工作性能的依据。oa.发动机性能的分析与评定o发动机性能参数是通过对测试数据的处理而得到的。在发动机地面点火试验中需要测量的参数很多，但作
49、为主要参数，一般是指压力-时间和推力-时间的测量值。在发动机工作正常或基本正常的情况下，都要对这两个测量结果进行处理，进而得到表征发动机工作性能的特性参数，其中对压力-时间测量结果的处理可以得到用于评定发动机内弹道性能的特征值；对推力-时间测量结果的处理可以得到用于评定发动机能量特性的特征值。上述处理过程称为数据处理，数据处理的内容和工作量可因试验类型的不同而不同，但最基本的是上述两项处理内容。College of Aerospce and Civil EngineeringCollege of Aerospce and Civil Engineering39o数据处理及测量不确定度的评估是一
50、项技术性较强的工作，有关技术问题将在本书第九章专题论述。ob.材料性能分析与评定o从考核结构材料工作性能的角度出发，试验结束后通常要进行喷管测量，有时要进行壳体解剖。喷管测量的内容是：o1）测量喷管质量；o2）测量喷管的喉径和出口面直径；o通过这两种测量可以确定喷管材料的烧蚀率，再结合其他现象可以进一步确定其热结构性能；壳体解剖的主要目的是测量绝热层的剩余厚度，根据测量结果评定绝热层材料的抗烧蚀性能、绝热层与壳体材料间的粘结强度，进一步考核粘结工艺的合理性。oc.非正常情况的处理o在发动机非正常工作的情况下（如壳体爆破、喷管穿火与破坏），要根据各种现象进行事故分析，找出存在的问题，提出改进意见