CN112696993B - 一种水下火箭弹推力性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下火箭弹推力性能测试装置，涉及水下兵器推力测试技术领域，能够模拟火箭弹的水下工作环境，客观地反映出水下火箭弹工作性能，为水下火箭弹进一步优化设计提供技术参考。该装置包括包括火箭弹发动机、推力测试台架、数据采集系统、高压水蒸气瓶以及温度控制箱。本发明提供的水下火箭弹推力性能测试装置可实现水下环境推力测试，模拟了真实环境下的弹体发动机工作过程，克服了传统地面推力测试实验方法未考虑水介质影响的缺陷，由计算机控制完成多路数据采集，高压水蒸气进水流量控制、在线计算水下弹推力性能参数。该方法所获得数据能更客观、真实地反映水下弹工况，具有精度高、可信度强等优点。

Description

一种水下火箭弹推力性能测试装置
技术领域
本发明涉及水下兵器推力测试技术领域，具体涉及一种水下火箭弹推力性能测试装置。
背景技术
作为水下防御的一种预置装备，新型水下火箭武器发动机系统通常采用纳米金属铝粉为燃料，水为氧化剂，在一定条件发生剧烈反应，释放出大量的热能作功，能量密度是普通燃料的4倍，可大幅度提高其作战航程与航速。
发动机系统中的推进剂通常采用HTPB(端羟基聚丁二烯)为粘合剂，少量AP(高氯酸铵)为氧化剂，纳米金属铝粉为燃料，铝粉含量高达80％。铝基燃料在燃烧室内初次燃烧之后与进入燃烧室的水多次反应，生成大量氢气与水蒸气，通过喷管膨胀做功，其能量比冲高达500s，是普通柴油发动机能量的4倍，是常规固体火箭推进剂的3倍，可做为水下火箭弹提供高能动力。
传统的发动机推力测试试验中，一般以地面推力试车台试验为主，通常只考虑发动机轴向推力，用以评价发动机工作性能。然而，水下火箭弹工作环境与陆上具有本质区别，水下弹推力测试试验需要考虑流体动力对发动机稳定工作的影响，而且，地面测试环境下获得的发动机推力并不能准确反映出水下弹工作性能。此外，一般地面试车台试验只需将发动机部分进行点火测试，这与整弹测试有所区别。基于上述原因，传统的地面模拟点火试验与真实环境下弹体工作环境具有较大差别，且测量数据的准确性有待进一步提高。
通常地，在水下火箭弹推力测试系统实验中，准确获得发动机性能参数是相当困难的。由于水下试验环境的复杂性，开展水下弹推力测试实验具有大的局限性。此外，水反应金属燃料发动机系统本身属于复杂的颗粒燃烧与多相流流动过程，涉及多工况条件下纳米颗粒化学反应、湍流流动、非稳态燃烧等多种因素，发动机稳定工作是水下火箭弹持续高速航行的保证。
因此，目前亟需一种能够对火箭弹六分力推力进行模拟测试的装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种水下火箭弹推力性能测试装置，能够模拟火箭弹的水下工作环境，客观地反映出水下火箭弹工作性能，为水下火箭弹进一步优化设计提供技术参考。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种水下火箭弹推力性能测试装置，包括火箭弹发动机、推力测试台架、数据采集系统、高压水蒸气瓶以及温度控制箱。
推力测试台架放置于水池中，用以模拟火箭弹的水下工作环境。
火箭弹发动机与火箭弹的整弹连接，水平放置于推力测试台架上；
推力测试台架包括底座、前支撑部、后支撑部、头部支撑座、动架、主承载装置、侧向力传感器、垂直方向推力传感器、轴向推力传感器、温度传感器接口、压力传感器接口、进水系统接口以及燃速测试接口。
底座位于试车台底部；前支撑部设置在底座前端，用于支撑火箭弹发动机的前端。
后支撑部设置在底座后端，用于支撑火箭弹发动机的后端。
动架包括前支撑板、后支撑板以及支撑杆；前支撑板卡接在火箭弹发动机的前端，后支撑板卡接在火箭弹发动机的后端，支撑杆连接前后支撑板。
主承载装置设置于底座上，用于支撑火箭弹发动机头部，承受火箭弹发动机的弹体轴向受力；火箭弹发动机头部沿轴向设置轴向推力传感器，用于测得火箭弹发动机的弹体轴向受力；
当弹体产生侧向分力时，侧向力传感器测得火箭弹发动机的侧向分力。
垂直方向推力传感器测得火箭弹发动机垂直方向的分力；垂直方向为与火箭弹发动机轴向垂直。
火箭弹发动机上设置温度传感器接口、压力传感器接口，均接入火箭弹发动机的燃烧室；温度传感器接口处接温度传感器，用于实时测得燃烧室温度；压力传感器接口处接压力传感器，用于实时测得燃烧室的压力和喷管出口压力。
火箭弹发动机上还设有进水系统接口以及燃速测试接口；进水系统接口接入发动机供水系统，进水系统接口处接高压水蒸气屏的水蒸气出口，水蒸气进入发动机供水系统，为水反应金属燃料发动机工作提供条件；燃速测试接口处连接燃速传感器，用于测量金属推进剂燃速；
传感器数据采集系统、高压水蒸气瓶以及温度控制箱置于岸基上；
传感器数据采集系统通过数据线连接侧向力传感器、垂直方向推力传感器、轴向推力传感器、温度传感器、压力传感器以及燃速传感器，获取各传感器采集的数据。
高压水蒸气瓶置由温度控制箱电加热水蒸气，温度控制箱与传感器数据采集系统连接，由人工通过传感器数据采集系统控制高压水蒸气温度。
进一步地，推力测试台架置于水池下水深5m处。
进一步地，前支撑部由两侧的前支撑台柱、底部的前支撑底柱以及顶部的前支撑顶架，前支撑台柱分布在火箭弹发动机的前端的两侧用于支撑，前支撑底柱设置在火箭弹发动机的前端的底部用于支撑；后支撑顶架横置于两后支撑台柱顶部；前支撑台柱与火箭弹发动机的弹体侧壁之间连接侧向力传感器；前支撑底柱与火箭弹发动机的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器；前支撑顶架与火箭弹发动机的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器。
进一步地，后支撑部由两侧的后支撑台柱以及底部的后支撑底柱；两后支撑台柱分布在火箭弹发动机的后端的两侧用于支撑，后支撑底柱设置在火箭弹发动机的后端的底部用于支撑；后支撑台柱与火箭弹发动机的弹体侧壁之间连接侧向力传感器；后支撑底柱与火箭弹发动机的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器。
进一步地，高压水蒸气瓶置由温度控制箱电加热水蒸气至400℃。
有益效果：
1、本发明提供的水下火箭弹推力性能测试装置可实现水下环境推力测试，模拟了真实环境下的弹体发动机工作过程，克服了传统地面推力测试实验方法未考虑水介质影响的缺陷，由计算机控制完成多路数据采集，高压水蒸气进水流量控制、在线计算水下弹推力性能参数。该方法所获得数据能更客观、真实地反映水下弹工况，具有精度高、可信度强等优点。
2、本发明提供的火箭弹推力性能测试装置，充分考虑弹体首尾两段侧向力、垂直分力的影响，克服了传统方法单纯考虑轴向力，从而造成测量数据误差过大，准确度过低的缺陷，提高了水下弹推力测试精度。
3、本发明提供的火箭弹推力性能测试装置具有在水下环境对整弹测试功能，相比较于传统测试方法，单独对发动机部件进行测试，测量数据具有更高客观性、可靠性。
附图说明
图1为本发明的水下火箭弹示意图；其中，1-1：空化器；1-2：引信；1-3：战斗部；1-4：发动机；
图2为水下火箭弹推力测试装置组成图；其中1：火箭弹发动机；2：侧向力传感器；3：垂直方向推力传感器；4：温度传感器接口；5：压力传感器接口；6：支撑；7：底座；8：动架；9：轴向推力传感器；10：主承载装置；11：支撑底座；12：进水系统接口；13：燃速测试接口；14数据采集系统；15：高压水蒸气瓶；16温度控制箱。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种水下火箭弹推力性能测试装置，包括火箭弹发动机1、推力测试台架、数据采集系统14、高压水蒸气瓶15以及温度控制箱16，具体如图2所示。
推力测试台架放置于水池中，用以模拟火箭弹的水下工作环境；为更好地模拟水下工作环境，版面费实施例中将推力测试台架设置于水池下水深5m处。
火箭弹发动机1与火箭弹的整弹连接，水平放置于推力测试台架上；
推力测试台架包括底座7、前支撑部、后支撑部、头部支撑座11、动架8、主承载装置10、侧向力传感器2、垂直方向推力传感器3、轴向推力传感器9、温度传感器接口4、压力传感器接口5、进水系统接口12以及燃速测试接口13；
底座7位于试车台底部；前支撑部设置在底座7前端，用于支撑火箭弹发动机1的前端；前支撑部由两侧的前支撑台柱、底部的前支撑底柱以及顶部的前支撑顶架，前支撑台柱分布在火箭弹发动机1的前端的两侧用于支撑，前支撑底柱设置在火箭弹发动机1的前端的底部用于支撑；后支撑顶架横置于两后支撑台柱顶部；前支撑台柱与火箭弹发动机1的弹体侧壁之间连接侧向力传感器2；前支撑底柱与火箭弹发动机1的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器3；前支撑顶架与火箭弹发动机1的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器3。
后支撑部设置在底座7后端，用于支撑火箭弹发动机1的后端；后支撑部由两侧的后支撑台柱以及底部的后支撑底柱；两后支撑台柱分布在火箭弹发动机1的后端的两侧用于支撑，后支撑底柱设置在火箭弹发动机1的后端的底部用于支撑；后支撑台柱与火箭弹发动机1的弹体侧壁之间连接侧向力传感器2；后支撑底柱与火箭弹发动机1的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器3。
动架8包括前支撑板、后支撑板以及支撑杆；前支撑板卡接在火箭弹发动机1的前端，后支撑板卡接在火箭弹发动机1的后端，支撑杆连接前后支撑板；
主承载装置10设置于底座7上，用于支撑火箭弹发动机1头部，承受火箭弹发动机1的弹体轴向受力；火箭弹发动机1头部沿轴向设置轴向推力传感器9，用于测得火箭弹发动机1的弹体轴向受力；
当弹体产生侧向分力时，侧向力传感器2测得火箭弹发动机1的侧向分力；
垂直方向推力传感器3测得火箭弹发动机1垂直方向的分力；垂直方向为与火箭弹发动机1轴向垂直；
火箭弹发动机1上设置温度传感器接口4、压力传感器接口5，均接入火箭弹发动机1的燃烧室；温度传感器接口4处接温度传感器，用于实时测得燃烧室温度；压力传感器接口5处接压力传感器，用于实时测得燃烧室的压力和喷管出口压力；
火箭弹发动机1上还设有进水系统接口12以及燃速测试接口13；进水系统接口12接入发动机供水系统，进水系统接口12处接高压水蒸气屏15的水蒸气出口，水蒸气进入发动机供水系统，为水反应金属燃料发动机工作提供条件；燃速测试接口13处连接燃速传感器，用于测量金属推进剂燃速；
传感器数据采集系统14、高压水蒸气瓶15以及温度控制箱16置于岸基上；
传感器数据采集系统14通过数据线连接侧向力传感器、垂直方向推力传感器、轴向推力传感器、温度传感器、压力传感器以及燃速传感器，获取各传感器采集的数据；
高压水蒸气瓶15置由温度控制箱16电加热水蒸气，温度控制箱16与传感器数据采集系统14连接，由人工通过传感器数据采集系统14控制高压水蒸气温度。高压水蒸气瓶15置由温度控制箱16电加热水蒸气至400℃。
如图1所示，水下火箭弹由空化器1-1、引信1-2、战斗部1-3、金属燃料发动机1-4，水下弹高速推进依赖于水反应金属燃料高能能量。
如图2所示，一种新型水下火箭弹推力性能测试装置，通过所测量的发动机燃烧室温度、压强以及进水流量、进水速度、喷管出口处压强等参数，用来评估水冲压发动机工作性能，包括发动推力、比冲、特征速度等。由于本发明装置可精确测量发动机六分力推力，发动机轴向推力即为实际推力，该方法相比较于传统推力测试方法，可精确测得其它方向的分力大小。由于水反应金属燃料发动机燃烧过程是一个复杂的多相流流动与化学反应过程，发动机气流流向并非总是与发动机轴向方向一致，存在一定角度，由此产生的发动机推力方向与弹体轴向方向具有一定角度，通过受力分解可知，发动机产生的力可分为轴向力与垂直于轴向的分力、横滚方向分力的合力，传统方法测得的力实际是发动机的合力，而并非轴向力，这在理论上是存在一定误差的，从而造成发动机系统实际优化设计时理论上的缺陷，本发明通过六分力测试装置，将其它方向上的力从中分解出来，进一步提高水下弹推力测试的精度。
水冲压发动机推力模型
Figure BDA0002761524270000071
式中Ve为发动机喷管出口的工质速度(m/s)；Vh为水的来流速度(m/s)；Pe喷管出口压强(Pa)；Ph为发动机工作深度下水的流体静压(Pa)；Ae为喷管出口面积(m2)；
Figure BDA0002761524270000072
为发动机进水流量；
Figure BDA0002761524270000073
为燃料质量流量；
2)发动机喷管出口工质速度模型
Figure BDA0002761524270000081
3)发动机燃料燃速模型
Figure BDA0002761524270000082
式中Ab为燃料燃烧面积(m2)；ρp为燃料密度(kg/m2)；rp为燃料燃烧速率(m/s)；
4)发动机比冲Isp模型
Figure BDA0002761524270000083
式中φ为水燃比。
5)特征速度c*模型
Figure BDA0002761524270000084
Figure BDA0002761524270000085
为At为喷管喉部面积(m2)；
Figure BDA0002761524270000086
为工质质量流量。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水下火箭弹推力性能测试装置，其特征在于，包括火箭弹发动机（1）、推力测试台架、数据采集系统（14）、高压水蒸气瓶（15）以及温度控制箱（16）；
所述推力测试台架放置于水池中，用以模拟火箭弹的水下工作环境；
所述火箭弹发动机（1）与火箭弹的整弹连接，水平放置于推力测试台架上；
所述推力测试台架包括底座（7）、前支撑部、后支撑部、头部支撑座（11）、动架（8）、主承载装置（10）、侧向力传感器（2）、垂直方向推力传感器（3）、轴向推力传感器（9）、温度传感器接口（4）、压力传感器接口（5）、进水系统接口（12）以及燃速测试接口（13）；
所述底座（7）位于试车台底部；所述前支撑部设置在底座（7）前端，用于支撑所述火箭弹发动机（1）的前端；
所述后支撑部设置在底座（7）后端，用于支撑所述火箭弹发动机（1）的后端；
所述动架（8）包括前支撑板、后支撑板以及支撑杆；所述前支撑板卡接在所述火箭弹发动机（1）的前端，所述后支撑板卡接在所述火箭弹发动机（1）的后端，所述支撑杆连接前后支撑板；
所述主承载装置（10）设置于底座（7）上，用于支撑火箭弹发动机（1）头部，承受火箭弹发动机（1）的弹体轴向受力；所述火箭弹发动机（1）头部沿轴向设置轴向推力传感器（9），用于测得火箭弹发动机（1）的弹体轴向受力；
当弹体产生侧向分力时，所述侧向力传感器（2）测得火箭弹发动机（1）的侧向分力；
垂直方向推力传感器（3）测得火箭弹发动机（1）垂直方向的分力；所述垂直方向为与火箭弹发动机（1）轴向垂直；
所述火箭弹发动机（1）上设置温度传感器接口（4）、压力传感器接口（5），均接入火箭弹发动机（1）的燃烧室；所述温度传感器接口（4）处接温度传感器，用于实时测得燃烧室温度；所述压力传感器接口（5）处接压力传感器，用于实时测得燃烧室的压力和喷管出口压力；
所述火箭弹发动机（1）上还设有进水系统接口（12）以及燃速测试接口（13）；所述进水系统接口（12）接入发动机供水系统，所述进水系统接口（12）处接高压水蒸气瓶（15）的水蒸气出口，水蒸气进入发动机供水系统，为水反应金属燃料发动机工作提供条件；所述燃速测试接口（13）处连接燃速传感器，用于测量金属推进剂燃速；
传感器数据采集系统（14）、高压水蒸气瓶（15）以及温度控制箱（16）置于岸基上；
所述传感器数据采集系统（14）通过数据线连接侧向力传感器、垂直方向推力传感器、轴向推力传感器、温度传感器、压力传感器以及燃速传感器，获取各传感器采集的数据；
所述高压水蒸气瓶（15）置由温度控制箱（16）电加热水蒸气，温度控制箱（16）与传感器数据采集系统（14）连接，由人工通过传感器数据采集系统（14）控制高压水蒸气温度；
所述前支撑部由两侧的前支撑台柱、底部的前支撑底柱以及顶部的前支撑顶架，前支撑台柱分布在所述火箭弹发动机（1）的前端的两侧用于支撑，前支撑底柱设置在所述火箭弹发动机（1）的前端的底部用于支撑；所述后支撑顶架横置于两后支撑台柱顶部；
前支撑台柱与火箭弹发动机（1）的弹体侧壁之间连接侧向力传感器（2）；
前支撑底柱与火箭弹发动机（1）的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器（3）；
前支撑顶架与火箭弹发动机（1）的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器（3）；
所述后支撑部由两侧的后支撑台柱以及底部的后支撑底柱；两后支撑台柱分布在所述火箭弹发动机（1）的后端的两侧用于支撑，后支撑底柱设置在所述火箭弹发动机（1）的后端的底部用于支撑；
后支撑台柱与火箭弹发动机（1）的弹体侧壁之间连接侧向力传感器（2）；
后支撑底柱与火箭弹发动机（1）的弹体侧壁之间垂直方向连接垂直方向推力传感器（3）。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述推力测试台架置于水池下水深5m处。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压水蒸气瓶（15）置由温度控制箱（16）电加热水蒸气至400℃。
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