2024年5月，我國首個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)垂直高空模擬試驗(yàn)臺(tái)考臺(tái)點(diǎn)火試驗(yàn)取得圓滿成功。7月，新一代載人運(yùn)載火箭三級液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)通過該試驗(yàn)臺(tái)，完成了高空模擬環(huán)境長程試驗(yàn)，驗(yàn)證了我國最大噴管面積比液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)長程工作的可行性，試驗(yàn)取得圓滿成功。
近日，亞洲最大空間發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)臺(tái)在陜西銅川建成投用，實(shí)現(xiàn)了空間發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)?zāi)芰Φ闹卮罂缭剑故玖宋覈诟呖漳M試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，標(biāo)志著我國載人登月工程落月主減速發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，將有力保障和支撐載人月球探測工程的順利開展。
空間發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)是什么？有何作用？高空模擬試驗(yàn)臺(tái)又有何特別之處？一文了解。
什么是空間發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)？
在航天領(lǐng)域有這樣一個(gè)共識：“發(fā)展航天，動(dòng)力先行”。在太空探索中，空間發(fā)動(dòng)機(jī)為運(yùn)載火箭等航天器提供了飛向太空的動(dòng)力。若將發(fā)動(dòng)機(jī)看作火箭的“心臟”，那么空間發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)就好比火箭“心臟”的監(jiān)測儀，它是一種專門用于測試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的地面試驗(yàn)設(shè)施，通常由試車間、承力墩、導(dǎo)流槽、測控中心、測控系統(tǒng)、試車架等部分組成，能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境，以驗(yàn)證和考核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、功能、強(qiáng)度、可靠性等方面，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際飛行中能夠穩(wěn)定可靠地工作。
為什么要建造空間發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)？
空間發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作是一項(xiàng)復(fù)雜且精細(xì)的工程，不僅需要深厚的理論基礎(chǔ)和先進(jìn)的計(jì)算模擬技術(shù)，更依賴于實(shí)際的點(diǎn)火測試來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。因而在發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中，理論與實(shí)際的結(jié)合是不可或缺的。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上裝備了各類高精度傳感器，它們是發(fā)動(dòng)機(jī)測試的“感官”，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火測試中的關(guān)鍵參數(shù)。通過這些精密的測量，科研人員可以直觀地觀察發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作中的表現(xiàn)，從而對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有一個(gè)全面深入的了解。這些試驗(yàn)參數(shù)不僅為科研人員提供了發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)，也會(huì)作為評估發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要依據(jù)，通過將測試結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期進(jìn)行對比，科研人員可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足，進(jìn)而對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行必要改進(jìn)和優(yōu)化。
為何不同的發(fā)動(dòng)機(jī)需要“量身定制”的試驗(yàn)臺(tái)？
從類型角度看，由于各類發(fā)動(dòng)機(jī)都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和性能參數(shù)，決定了測試時(shí)所需的特定環(huán)境和條件，這就意味著一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)不能解決“一攬子”發(fā)動(dòng)機(jī)試車工作，需根據(jù)不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)建造不同類型的試驗(yàn)臺(tái)，使試車環(huán)境和發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境盡量一致。為此，試驗(yàn)臺(tái)也可進(jìn)行分類。例如：
按照試驗(yàn)臺(tái)規(guī)模
根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)劑儲(chǔ)箱容量以及測量控制設(shè)備等方面的不同，可分為大型試驗(yàn)臺(tái)和中小型試驗(yàn)臺(tái)。
按照發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑類型
可分為液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和常溫可儲(chǔ)存發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。
按照發(fā)動(dòng)機(jī)推力測試時(shí)間長短
可分為穩(wěn)態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試兩種試驗(yàn)臺(tái)。前者主要測試發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)推力、壓力性能指標(biāo)，通過長時(shí)間穩(wěn)定工作來驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量，后者則注重推力、壓力上升段過渡過程和下降段后效沖量變化特性研究。
按照發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)安裝姿態(tài)
可分為水平試驗(yàn)臺(tái)和垂直試驗(yàn)臺(tái)。水平試驗(yàn)臺(tái)用途廣泛，工作過程中發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量變化對推力測量影響小，但同時(shí)這種試驗(yàn)臺(tái)對側(cè)向力敏感性較低。垂直試驗(yàn)臺(tái)又分為正立式和倒立式兩類。
從安全角度看，試驗(yàn)臺(tái)必須確保在測試過程中的安全性，不同發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的推力和熱流會(huì)存在差異，因此需要特制的導(dǎo)流槽和冷卻系統(tǒng)來應(yīng)對。
從測量角度看，為了獲得準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)臺(tái)上的傳感器和測量設(shè)備需要與發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)相匹配。例如，推力測量系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確測量特定范圍內(nèi)的推力。
從模擬環(huán)境看，試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)旨在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際飛行中可能遇到的各種條件，包括高空模擬、振動(dòng)環(huán)境等，不同發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行條件可能有所不同，因此需要特定的模擬環(huán)境。
從成本效率看，為不同的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和建造專用試驗(yàn)臺(tái)可提高測試的效率和準(zhǔn)確性，長期而言可節(jié)省時(shí)間和資源。
從技術(shù)發(fā)展看，空間發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)的進(jìn)步將伴隨新的測試需求，建造專用的試驗(yàn)臺(tái)能夠?yàn)樾滦桶l(fā)動(dòng)機(jī)提供必要的測試支持。
高空模擬試驗(yàn)臺(tái)為何成為發(fā)展趨勢？
運(yùn)載火箭上面級等航天器發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)處于80公里以上的高空低氣壓狀態(tài)，其高空性能與地面表現(xiàn)大不相同。由于影響發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的氣動(dòng)和熱力負(fù)荷在地面靜止?fàn)顟B(tài)下無法模擬，因此需要高空模擬試驗(yàn)臺(tái)來創(chuàng)造高空條件，通常通過抽真空形成30~40公里的低氣壓環(huán)境，模擬高空飛行狀態(tài)。高空模擬試驗(yàn)臺(tái)主要用于考核發(fā)動(dòng)機(jī)在低壓和真空環(huán)境下的噴管結(jié)構(gòu)和性能，確保高空工作可靠性。通過高空模擬熱試車，可以提高試驗(yàn)安全性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障，為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供關(guān)鍵支持。
隨著空間發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)的不斷建設(shè)完善，將為各類航天器發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與測試提供一個(gè)更為先進(jìn)可靠的平臺(tái)。
