CN105043772B - 固体冲压发动机自由射流三工况试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种固体冲压发动机自由射流三工况试验方法，通过设计合理的固体冲压发动机自由射流三工况试验的试验时序，使得现有的自由射流试验系统能够满足固体冲压发动机自由射流三工况试验的要求，解决了固体冲压发动机地面自由射流试验中助推段大流量高温燃气与续航段小流量高温燃气对自由射流试验系统的冲击，能够保持试验舱舱压稳定在试验工况，模拟发动机在飞行状态由助推段向续航段转级的过程；同时通过调整固体冲压发动机助推器以及燃气发生器的装药量，克服了试验窗口较短，发动机工作时间长的问题。

Description

固体冲压发动机自由射流三工况试验方法

技术领域

本发明涉及固体冲压发动机地面试验中自由射流试验技术领域，具体为一种固体冲压发动机自由射流三工况试验方法。

背景技术

固体冲压发动机通过贫氧固体推进剂在燃气发生器内燃烧产生富燃料燃气进入冲压燃烧室后，与进气道进入的来流空气进行掺混燃烧，燃气通过喷管膨胀加速后排出，从而产生推力。因固体冲压发动机具有结构简单、工作可靠、比冲高、工作时间长、推力可调等优点，成为中远程空空导弹动力装置的首选。

固体冲压发动机地面试验中通常采用直连试验和自由射流试验。直连试验需要的加热空气流量小，但不能模拟发动机真实飞行状态下的进气道性能，通常应用于发动机燃气发生器性能试验、燃烧性能试验等。自由射流试验是采用加热器加热空气，射流喷管产生高温、高速的试验工况，发动机置于射流喷管的等马赫数菱形区内，扩压器和环形引射器引射试验空气和发动机的高温燃气，维持试验舱低压状态模拟发动机飞行时的负压环境。

固体冲压发动机的工作过程主要由助推、转级、续航三个工况组成，其中转级工况是发动机研制的关键环节，研制难度极大。转级工况是在高空、高速、低静压状态下固体冲压发动机从助推状态转为冲压续航状态的整个过程，这一过程很难在直连式试验台上完全模拟。所以，理论上只能选择固体冲压发动机自由射流试验系统作为固体冲压发动机三工况试验平台。

固体冲压发动机自由射流试验系统如图1所示，主要由加热器、混合器、射流喷管、试验舱、试验架、扩压器、燃气发生器、环形引射器等组成。加热器采用空气、氧气、酒精三组元燃烧方案，然后在混合器中掺混大流量空气得到自由射流所需试验工质，在射流喷管出口形成试验所需等马赫数菱形区，模拟发动机飞行时的马赫数、总温、总压。扩压器与环形引射器引射试验工质和发动机燃气，在试验舱形成高空低压环境模拟发动机飞行高度的静压。试验时，模拟弹头部和进气道安装于等马赫数菱形区内，能够模拟弹头对来流的预压缩和进气道捕获空气的能力，使地面试验更接近于真实飞行状态，减小天地差异。自由射流试验系统测控方案采用PXI+PLC，具有多路急停逻辑判断功能，能够在系统异常状态下紧急关闭试验系统。

理论上在自由射流试验系统上能够完成固体冲压发动机自由射流三工况试验，但固体冲压发动机自由射流三工况试验对该试验系统属于拓展试验能力，由于该试验系统造价高昂，拓展试验能力将存在很大的风险，目前还没有成功的先例。

在自由射流试验系统上完成固体冲压发动机自由射流三工况试验存在的主要技术问题有：

(1)自由射流试验系统设计时扩压器和环形引射器引射能力是针对固体冲压发动机续航级工作状态设计的，助推级工作时将喷出大流量高温、高速燃气，流量比续航级高出一个量级。当试验时序设计不匹配时，瞬时大流量高温高速燃气可能使扩压器已经建立的激波系发生很大变化，导致拥塞，使试验舱舱压快速升高。

(2)自由射流试验系统试验窗口短，固体冲压发动机工作时间较长。

(3)自由射流试验系统的安全问题。可能影响自由射流试验系统安全问题的因素主要有：发动机在助推级工作时推力很大，如果推力测量系统不能提供较高的安全系数，发动机失去约束将窜入射流喷管中，毁坏自由射流试验系统；发动机助推级点火时喷管堵盖喷出可能击伤扩压器或环形引射器；自由射流试验系统关闭时，发动机喷管还有火苗喷出，可能烧毁扩压器。

发明内容

要解决的技术问题

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种固体冲压发动机自由射流三工况试验方法，通过设计试验时序以及控制三工况工作时间，在自由射流试验系统上完成固体冲压发动机自由射流三工况试验。

技术方案

在本发明的一个方面，本发明提出一种固体冲压发动机自由射流三工况试验方法，其特征在于：采用以下试验时序进行固体冲压发动机自由射流三工况试验：

1、固体冲压发动机自由射流试验系统启动；

2、自由射流试验系统试验舱内压力降低至试验工况静压时，自由射流试验系统向时序控制系统发送触发信号，时序控制系统判断后向弹载控制器发送牵动信号，弹载控制器发出固体冲压发动机助推器点火指令；

3、固体冲压发动机助推器工作结束后，延迟2s到达转级点；

4、弹载控制器发出转级指令，固体冲压发动机进气道入口堵盖打开；

5、固体冲压发动机进气道出口堵盖打开；

6、固体冲压发动机燃气发生器点火；

7、固体冲压发动机工作结束；

8、自由射流试验系统关闭；

9、吹除明火；

其中通过调整固体冲压发动机助推器推进剂装药量，使固体冲压发动机助推器工作时间缩短为2s；通过调整固体冲压发动机燃气发生器装药量，使固体冲压发动机续航级工作时间缩短为10s。

根据本发明的实施例，该固体冲压发动机自由射流三工况试验方法，通过设计合理的固体冲压发动机自由射流三工况试验的试验时序，使得现有的自由射流试验系统能够满足固体冲压发动机自由射流三工况试验的要求；同时通过调整固体冲压发动机助推器以及燃气发生器的装药量，克服了试验窗口较短，发动机工作时间长的问题。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：自由射流试验系统示意图；

其中：1、加热器，2、混合器，3、射流喷管，4、等马赫数菱形区，5、固体冲压发动机，6、试验架，7、试验舱，8、扩压器与环形引射器。

图2：自由射流三工况试验时序。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

目前的固体冲压发动机地面试验有直连试验和自由射流试验，理论上在自由射流试验系统上能够完成固体冲压发动机自由射流三工况试验，但常常有以下问题：

(1)自由射流试验系统设计时扩压器和环形引射器引射能力是针对固体冲压发动机续航级工作状态设计的，助推级工作时将喷出大流量高温、高速燃气，流量比续航级高出一个量级。当试验时序设计不匹配时，瞬时大流量高温高速燃气可能使扩压器已经建立的激波系发生很大变化，导致拥塞，使试验舱舱压快速升高。

(2)自由射流试验系统试验窗口短，固体冲压发动机工作时间较长。

(3)自由射流试验系统的安全问题。可能影响自由射流试验系统安全问题的因素主要有：发动机在助推级工作时推力很大，如果推力测量系统不能提供较高的安全系数，发动机失去约束将窜入射流喷管中，毁坏自由射流试验系统；发动机助推级点火时喷管堵盖喷出可能击伤扩压器或环形引射器；自由射流试验系统关闭时，发动机喷管还有火苗喷出，可能烧毁扩压器。

为此，本发明提出了一种固体冲压发动机自由射流三工况试验方法，通过设计合理的固体冲压发动机自由射流三工况试验的试验时序，调整固体冲压发动机助推器以及燃气发生器的装药量，实现固体冲压发动机自由射流三工况试验。

固体冲压发动机自由射流三工况试验的试验时序如图2所示：

1、固体冲压发动机自由射流试验系统启动；

2、自由射流试验系统试验舱内压力降低至试验工况静压时，即引射系统起动正常，此时为0s时刻，自由射流试验系统向时序控制系统发送触发信号，经时序控制系统判断后向弹载控制器发送牵动信号，弹载控制器发出固体冲压发动机助推器点火指令；

3、在固体冲压发动机实际工作控制时，助推器工作结束后就将发出转级信号，但在自由射流三工况试验中，考虑到系统舱压恢复时间，合理的调整了转级信号时间，在固体冲压发动机助推器工作结束后，延迟2s到达转级点；

4、弹载控制器发出转级指令，固体冲压发动机进气道入口堵盖打开；

5、固体冲压发动机进气道出口堵盖打开；

6、固体冲压发动机燃气发生器点火；

7、固体冲压发动机工作结束；

8、自由射流试验系统关闭；

9、为防止发动机工作结束后明火烧毁扩压器，手动开启头部空气吹除明火。

在上述时序设计中，体现了固体冲压发动机工作过程中的三个工况(助推-转级-续航)，其中转级是发动机在高空、高速飞行中由助推工况向续航工况转换的关键环节，主要动作包括进气道入口堵盖打开、进气道出口堵盖打开、进气道起动等，转级的性能和可靠性是固冲发动机工作中的难点，在固体冲压发动机自由射流试验三工况试验中主要模拟转级的工况。

但由于固体冲压发动机自由射流试验的试验窗口较短，而发动机工作时间长，为了准确捕捉固体冲压发动机转级工况，采用缩短助推级工作时间和续航级工作时间以适应自由射流试验系统窗口。即通过调整固体冲压发动机助推器推进剂装药量，使固体冲压发动机助推器工作时间缩短为2s，通过调整固体冲压发动机燃气发生器装药量，使固体冲压发动机续航级工作时间缩短为10s，满足试验窗口的要求。

综上所述，本发明提出的固体冲压发动机自由射流三工况试验方法，通过设计合理的固体冲压发动机自由射流三工况试验的试验时序，使得现有的自由射流试验系统能够满足固体冲压发动机自由射流三工况试验的要求；同时通过调整固体冲压发动机助推器以及燃气发生器的装药量，克服了试验窗口较短，发动机工作时间长的问题。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种固体冲压发动机自由射流三工况试验方法，其特征在于：采用以下试验时序进行固体冲压发动机自由射流三工况试验：

1)、固体冲压发动机自由射流试验系统启动；

2)、自由射流试验系统试验舱内压力降低至试验工况静压时，自由射流试验系统向时序控制系统发送触发信号，时序控制系统判断后向弹载控制器发送牵动信号，弹载控制器发出固体冲压发动机助推器点火指令；

3)、固体冲压发动机助推器工作结束后，延迟2s到达转级点；

4)、弹载控制器发出转级指令，固体冲压发动机进气道入口堵盖打开；

5)、固体冲压发动机进气道出口堵盖打开；

6)、固体冲压发动机燃气发生器点火；

7)、固体冲压发动机工作结束；

8)、自由射流试验系统关闭；

9)、吹除明火；

其中通过调整固体冲压发动机助推器推进剂装药量，使固体冲压发动机助推器工作时间缩短为2s；通过调整固体冲压发动机燃气发生器装药量，使固体冲压发动机续航级工作时间缩短为10s。