CN109781424B - 姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，解决现有发动机高空低温环境无法满足发动机试验对温度控制精度的要求、温度分布不均匀以及推进剂容易结冰的问题。该装置包括推进剂加热系统、低温制冷系统、氮气置换系统、抽真空系统和发动机喷管固定组件；推进剂加热系统包括伴热带和保温材料，伴热带缠绕在推进剂供应管路上，保温材料包覆在缠绕伴热带后的推进剂供应管路上；低温制冷系统包括液氮供应单元、液氮排放单元及低温环境舱；低温环境舱内部设置有多组冷却环管，液氮供应单元、液氮排放单元分别与冷却环管连通；氮气置换系统包括均与低温环境舱连通的氮气进气管路和氮气出气管路；抽真空系统用于给发动机入口管路抽真空。

Description

姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置

技术领域

本发明涉及航天发动机试验领域，具体涉及一种姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置。

背景技术

随着武器型号研制的进一步发展、对姿控发动机在使用过程中的性能要求进一步提高。发动机研制过程中除基本的发动机性能试验外，还需进行多种力学性能试验和环境试验，根据发动机使用过程中所处的高空低温环境条件，对发动机研制过中高空低温环境模拟试验提出更多要求，也对高空低温环境模拟试验能力提出了更加严格的要求。目前，许多姿控发动机在研制过程中均需要进行高空低温环境下的热点火试验，考核发动机在高空低温环境下的性能，这就需要发动机点火试验前发动机所处环境满足高空低温环境。

传统的高空低温环境条件，通过对真空舱进行抽真空可满足高空环境条件，通过低温热沉系统对真空舱进行降温即可满足低温环境条件，但这种方式实现的高空低温环境存在以下几点不足：

(1)因为高真空环境下缺少传热介质，无法进行换热，发动机和试验系统管路等要达到一定温度只有采取热辐射的方式进行温度控制，而热辐射根据材料不同温度变化速度也不同，降温过程将导致发动机和试验系统管路温度分布不均匀或温度相差较大，无法满足发动机试验对温度控制精度的要求；

(2)按照传统模式进行高空低温环境模拟，需要通过大功率机械泵组或引射系统实现试验系统所需76km真空要求，试验过程准备周期长且耗能高；

(3)真空环境下通过热辐射方式实现发动机试验所需低温环境，最终满足发动机点火前对温度的控制要求，耗时长、耗能高且温度分布不均匀；

(4)许多姿控发动机低温环境要求已经低于该发动机所用推进剂的冰点，低温环境下推进剂容易结冰。

发明内容

本发明的目的是解决现有发动机高空低温环境无法满足发动机试验对温度控制精度的要求、试验过程准备周期长且耗能高、温度分布不均匀以及推进剂容易结冰的问题，提供一种姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置。

本发明的技术方案是：

一种姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，包括推进剂加热系统、低温制冷系统、氮气置换系统、抽真空系统和发动机喷管固定组件；所述推进剂加热系统包括伴热带和保温材料，所述伴热带缠绕在推进剂供应管路上，所述保温材料包覆在缠绕伴热带后的推进剂供应管路上；所述低温制冷系统包括液氮供应单元、液氮排放单元及低温环境舱；所述低温环境舱用于放置发动机，且内部设置有多组冷却环管，所述液氮供应单元、液氮排放单元分别与冷却环管连通；所述氮气置换系统包括均与低温环境舱内腔连通的氮气进气管路和氮气出气管路；所述抽真空系统用于给发动机入口管路和发动机喷管抽真空；所述发动机喷管固定组件设置在低温环境舱内发动机喷管出口，包括喷管固定盘、固定块、膜片固定板、膜片；所述固定块为环状结构，其内表面为与发动机喷管相匹配的锥面，所述固定块设置在喷管固定盘一侧的安装槽内通过螺纹进行连接，且喷管固定盘的安装槽底端设置有通孔，所述膜片位于喷管固定盘的另一侧，且通过膜片固定板压紧。

进一步地，所述液氮供应单元包括液氮槽车、供应管路和低温节流阀，所述液氮槽车通过供应管路与冷却环管连通，且供应管路上设置有低温节流阀。

进一步地，所述液氮排放单元包括排放管路和排空阀，所述排放管路与冷却环管连通，且排空阀设置在排放管路上。

进一步地，所述真空泵通过真空管与发动机入口管路连通，且真空管上设置有手动截止阀和真空计。

进一步地，所述真空泵与真空管之间还设置有金属软管。

进一步地，所述氮气进气管路设置有第一截止阀。

进一步地，所述氮气出气管路设置有第二截止阀。

进一步地，所述膜片和膜片固定板之间通过O型圈密封。

进一步地，所述固定块与发动机喷管相接触的面上还设置有密封垫。

进一步地，所述推进剂供应管路上还设置有温度传感器。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明装置可在地面低温试验环境中只对发动机喷管进行抽真空，实现姿控发动机点火试验前低温真空环境。

2.本发明装置可控制推进剂供应管路温度，确保低温环境下点火过程中推进剂不结冰。

3.本发明装置中快响应真空爆破膜片在确保发动机喷管低温真空环境下密封的同时，又在发动机点火瞬间可爆裂，不会影响发动机点火效果。

4.本发明装置在满足同等高空低温发动机点火条件的同时，可采用小型真空泵实现发动机76km高空条件，无需对整个试验舱进行抽真空。

5.本发明装置在地面条件下进行产品降温，通过一定时间的热传递即可完成低温条件且温度分布均匀。

附图说明

图1为本发明姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置结构图；

图2为本发明发动机喷管固定组件结构图；

图3为本发明推进剂加热系统结构图。

附图标记：1-推进剂加热系统，2-液氮供应单元，3-液氮排放单元，4-低温环境舱，5-氮气进气管路，6-氮气出气管路，7-抽真空系统，8-发动机喷管固定组件，41-冷却环管，11-伴热带，12-保温材料，13-温度传感器，21-液氮槽车，22-供应管路，23-低温节流阀，31-排放管路，32-排空阀，51-第一截止阀，61-第二截止阀，71-真空泵，72-真空管，73-手动截止阀，74-真空计，75-金属软管，81-喷管固定盘，82-固定块，83-膜片固定板，84-膜片，85-O型圈，86-密封垫。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

为满足姿控发动机高空低温点火的试验要求，并解决推进剂冰点和高空低温环境的问题，本发明提供一种姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，该装置确保发动机喷管出口真空度满足76km高空试验要求，也可满足发动机点火试验前高空低温环境的要求。

本发明提供的姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置作为姿轨控发动机高空低温环境试验之用，该装置可在地面试验条件下，通过低温制冷系统完成试验要求的低温环境条件，通过抽真空系统和发动机喷管真空密封固定装置完成发动机喷管高空条件，并在试验过程中通过控制推进剂源头温度确保试验过程中推进剂进入低温管路中不会结冰，快响应真空爆破膜片确保发动机点火瞬间膜片破裂不会影响发动机点火效果。

如图1和图2所示的一种姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，包括推进剂加热系统1、低温制冷系统、氮气置换系统、抽真空系统7和发动机喷管固定组件8。

发动机推进剂供应系统由推进剂贮箱、供应管路、过滤器、手动截止阀、气动截止阀以及相关管路附件构成，试验过程中通过推进剂供应系统为发动机提供相应流量的推进剂。

推进剂加热系统1用于对推进剂供应管路加热，推进剂加热系统1包括伴热带11和保温材料12，伴热带11缠绕在推进剂供应管路上，保温材料12包覆在缠绕伴热带11后的推进剂供应管路上；通过伴热带11包覆低温环境外的局部管路，推进剂供应管路上还设置有温度传感器，伴热带11与外部控制系统连接，根据试验要求实时调整管路温度，保温材料12具体为保温棉。

发动机喷管固定组件设置在低温环境舱内发动机喷管出口，发动机喷管固定组件8包括喷管固定盘81、固定块82、膜片固定板83、膜片84；固定块82为环状结构，其内表面为与发动机喷管相匹配的锥面，固定块82设置在喷管固定盘81一侧的安装槽内，且喷管固定盘81的安装槽底端设置有通孔，膜片84位于喷管固定盘81的另一侧，且通过膜片固定板83压紧，膜片84和膜片固定板83之间通过O型圈85密封，固定块82与发动机喷管相接触的面上还设置有密封垫86。该装置可将喷管出口锥面通过喷管固定盘81、密封垫86和固定块82进行密封，将锥面密封转换为平面密封后，通过O型圈、膜片84和固定块82进一步对喷管出口进行密封。

低温制冷系统包括液氮供应单元2、液氮排放单元3及低温环境舱4；低温环境舱4用于放置发动机，且内部设置有多组冷却环管41，液氮供应单元2、液氮排放单元3分别与冷却环管41连通。液氮供应单元2包括液氮槽车21、供应管路22和低温节流阀23，液氮槽车21通过供应管路22与冷却环管41连通，且液氮供应管路22上设置有低温节流阀23，液氮供应管路22通过穿舱法兰与低温环境舱4连通。

液氮排放单元3包括与冷却环管41连通的排放管路31和设置在排放管路31上的排空阀32，液氮排放管路31通过穿舱法兰与低温环境舱4连通。

氮气置换系统包括均与低温环境舱4内腔连通的氮气进气管路5和氮气出气管路6；氮气进气管路5设置有第一截止阀51，氮气出气管路6设置有第二截止阀62，氮气进气管路5和氮气出气管路6通过穿舱法兰与低温环境舱4内部连通。

试验准备过程中通过抽真空系统7为发动机入口管路和发动机喷管进行抽真空。抽真空系统7包括真空泵71、真空管72、手动截止阀73和真空计74，真空泵71通过真空管72与发动机入口管路连通，且真空管72上设置有手动截止阀73和真空计74，真空泵71与真空管72之间还设置有金属软管75作为抽真空管路。

膜片84为快响应真空爆破膜片，其为发动机喷管真空密封的关键部件，发动机点火前通过抽真空设备对发动机喷管进行抽真空，抽真空过程中该膜片必须确保通过真空密封固定装置固定完成后喷管的密封性，因此必须具备相应的强度，但发动机点火时该膜片必须立即打开，这就要求该膜片在点火过程中遇火即可快速燃烧，进而不影响发动机喷管出口，膜片材料具体采用现有的航空锦纶橡胶涂覆织物。

推进剂供应系统试验过程中通过推进剂供应系统为发动机提供相应流量的推进剂，推进剂加热系统用于将低温舱外推进剂加热至指定温度，根据试验要求实时调整管路温度；低温制冷系统用于将发动机点火试验前周围环境温度控制在试验要求的温度范围内，根据试验要求调整低温舱内环境温度，温度调整过程可通过液氮总供应阀门开度来控制；氮气置换系统在低温制冷系统开始制冷前对低温舱进行氮气置换，通过氮气置换可将低温舱内空气排出，避免降温过程中空气中的水分凝结在产品上，导致产品结霜或结冰；抽真空系统在低温环境准备完成后对发动机入口管路和喷管进行抽真空，发动机喷管真空密封固定装置和快响应真空爆破膜片对喷管出口进行真空密封；点火过程中控制系统阀门和产品阀门执行点火程序，点火开始后真空爆破膜片立即破裂。快响应真空爆破膜片用于发动机点火前确保发动机喷管出口的真空密封和点火时膜片迅速破裂不影响发动机点火。

姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置的工作流程为：

(1)在低温舱内通过产品试验台和安装板等固定发动机，根据发动机位置配置发动机入口管路和抽真空管路，推进剂供应管路由穿舱法兰进入低温舱内与入口管路连接，抽真空管路通过穿舱法兰与抽真空系统阀门和管路连接；

(2)低温舱外推进剂供应管路采用伴热带和包覆材料进行包覆，并连接供电和控制线缆至加热系统控制柜；

(3)控制系统和发动机测量系统连接控制线缆和相应的测量传感器；

(4)发动机喷管真空密封固定装置进行安装，先安装喷管锥面密封部分，安装完成后再安装快响应真空爆破膜片、O型圈，并进行固定；

(5)关闭低温舱门，准备进行低温制冷，低温制冷系统连接液氮供应管路22，打开氮气置换系统阀门对低温舱内进行氮气置换，空气置换完成后打开液氮系统各阀门，通过总供应阀调节液氮流量并控制低温舱温度至试验要求的温度；

(6)低温舱温度达到目标温度后，启动抽真空系统对发动机入口管路进行抽真空，打开发动机产品阀门再对发动机喷管进行抽真空，抽真空完成后关闭产品阀，并关闭抽真空系统阀门和真空泵，抽真空结束；

(7)推进剂供应系统准备完成后，打开推进剂供应系统各阀门，控制系统按照试验程序进行点火试验。

Claims (10)

1.一种姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：包括推进剂加热系统(1)、低温制冷系统、氮气置换系统、抽真空系统(7)和发动机喷管固定组件(8)；

所述推进剂加热系统(1)包括伴热带(11)和保温材料(12)，所述伴热带(11)缠绕在推进剂供应管路上，所述保温材料(12)包覆在缠绕伴热带(11)后的推进剂供应管路上；

所述低温制冷系统包括液氮供应单元(2)、液氮排放单元(3)及低温环境舱(4)；所述低温环境舱(4)用于放置发动机，且内部设置有多组冷却环管(41)，所述液氮供应单元(2)、液氮排放单元(3)分别与冷却环管(41)连通；

所述氮气置换系统包括均与低温环境舱(4)内腔连通的氮气进气管路(5)和氮气出气管路(6)；所述抽真空系统(7)用于给发动机入口管路抽真空；

所述发动机喷管固定组件(8)设置在低温环境舱(4)内，包括喷管固定盘(81)、固定块(82)、膜片固定板(83)和膜片(84)；所述固定块(82)为环状结构，其内表面为与发动机喷管相匹配的锥面，所述固定块(82)设置在喷管固定盘(81)一侧的安装槽内，且喷管固定盘(81)的安装槽底端设置有通孔，所述膜片(84)位于喷管固定盘(81)的另一侧，且通过膜片固定板(83)压紧。

2.根据权利要求1所述的姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述液氮供应单元(2)包括液氮槽车(21)、供应管路(22)和低温节流阀(23)，所述液氮槽车(21)通过供应管路(22)与冷却环管(41)连通，且供应管路(22)上设置有低温节流阀(23)。

3.根据权利要求2所述的姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述液氮排放单元(3)包括排放管路(31)和排空阀(32)，所述排放管路(31)与冷却环管(41)连通，且排空阀(32)设置在排放管路(31)上。

4.根据权利要求1或2或3所述的姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述抽真空系统(7)包括真空泵(71)、真空管(72)、手动截止阀(73)和真空计(74)；所述真空泵(71)通过真空管(72)与发动机入口管路连通，且真空管(72)上设置有手动截止阀(73)和真空计(74)。

5.根据权利要求4所述的姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述真空泵(71)与真空管(72)之间还设置有金属软管(75)。

6.根据权利要求5所述的控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述氮气进气管路(5)设置有第一截止阀(51)。

7.根据权利要求6所述的姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述氮气出气管路(6)设置有第二截止阀(61)。

8.根据权利要求7所述的姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述膜片(84)和膜片固定板(83)之间通过O型圈(85)密封。

9.根据权利要求8所述的控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述固定块(82)与发动机喷管相接触的面上还设置有密封垫(86)。

10.根据权利要求9所述的姿控发动机点火试验前高空低温环境模拟装置，其特征在于：所述推进剂供应管路上还设置有温度传感器(13)。

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