固体火箭发动机测试与试验技术教学内容
火箭发动机专业综合实验课程简介
火箭发动机专业综合实验课程简介课程目标从知识与技能的角度来讲，本课程的教学目标如下：（1）巩固和加深对专业理论知识的理解，掌握主要部件的工作特性；（2）学习火箭发动机的实验理论和实验方法，了解实验系统构成和实验设备；（3）通过具体实验过程，提高动手操作能力，掌握基本的实验技能，包括实验方案设计、系统调试、实验操作规程、实验现象观察以及数据处理等；（4）了解火箭发动机实验研究的发展动态，经过动手实践，熟悉先进的实验方法，具备初步的科研实验能力。
从素质与心理角度来讲，本课程的教学目标如下：在认知上，加深学生对专业理论知识和实验理论知识的记忆与理解（识记、领会层面）；正确地使用各项实验技能，设计合理的实验方案（运用层面）；分析实验现象，处理实验数据，提炼实验结论（分析层面）；根据研究目的，综合自身的理论知识和实验能力，实施一项完整的研究型实验过程（综合层面）；评估实验结果的正确性，评价实验本身的科学性与合理性（评价）。
在情感上，引导学生密切关注各种实验现象，加深直观感受（注意层面）；充分利用火箭发动机专业教学实验中声学、光学、电磁、气动等现象丰富这一优势，激发学生的实验积极性（反应层面）；培养学生科学规范的实验习惯和客观严谨的实验态度（价值评价层面）；让学生深刻体会到本课程与其未来职业发展的关联性，激发学生的职业性学习动机，培养创新意识（价值观组织层面）；促进学生培养务真求实的工作作风，培养紧密协同的团队意识，培养甘于奉献的职业精神（品格层面）。
在动作技能上，培养学生的动手操作能力，掌握典型设备的基本操作方法，能进行安装、调试与测量，熟练掌握各项应急处理措施。
课程性质与定位“火箭发动机专业综合实验”是北京航空航天大学飞行器动力工程（航天）专业的三大主干专业课程之一；是专业培养过程中的重要实践教育环节。
本课程是一门要求学生运用专业理论知识来分析、解决具体实践问题的课程。
课程以实验为载体，定位于各种联系的“桥梁”——即专业基础理论理解与综合运用的桥梁、专业人才培养与学生职业发展的桥梁。
(完整版)固体火箭发动机测试与试验技术第三章
3）发动机的几何中心线与发动机实际推力作用线间的最短距
离。
College of AerospБайду номын сангаасce and Civil Engineering
图3-19为卧式三分力试车测量示意图，用来测量推力矢量控制
机构产生的姿态控制力，利用各力对O点的力矩之和等于零的等式
即可求出推力向量控制力Fc的大小，即：
选坐标原点为力的简化中心，设主矢量和主矩各为： F Fx Fy Fz
。 M Mx M y Mz
空间力系的平衡条件是主矢量和主矩分别在3个坐标轴上的投
影同时为零，即：
x0 y0 z 0
Mx 0 My 0 Mz 0
由此可得到各分力合分力矩的计算公式为：
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固体火箭发动机测试与试验技术
主讲：刘平安
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（6）挠性件的设计与选用
挠性件是靠材料本身的弹性变形提供运动自由度的。
挠性件的优点：弹性变形引起材料的内摩擦，内摩擦与外摩擦相 比具有摩擦力小，重复性好的优点。
以F1和F6两传感器的理论轴线交点为坐标原点， F1传感器的理论轴线为x轴， F1
传感器理论轴线为z轴，通过O点平行于F2和F3的轴线为Y轴，安装传感器的方向为
各坐标轴的正方向。H、R为台架结构尺寸，是已知数。
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图3-17 立式六分力试车架测量示意图
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它采用了单工作段双板簧作为动架和静架之间的连接件，其弹阻力仅为推
火箭发动机原理教学大纲
《火箭发动机原理》课程教学大纲课程代码：110132307课程英文名称：Solid Rocket Motor课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0适用专业：弹药工程与爆炸技术大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本门课程是弹药工程与爆炸技术专业的一门专业选修课。
固体火箭发动机是卫星、火箭、飞机、导弹等产品的动力装置，它在现代科学技术研究，国民经济的发展，人们日常生活的改善等方面有着很大的利用价值，在本专业中对于火箭、导弹或炮弹增程有着极其重要的作用。
通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．熟练掌握固体火箭发动机的基本结构、工作原理，燃气在喷管与燃烧室内的流动过程，掌握固体火箭发动机内弹道的计算方法。
2．掌握固体火箭发动机的总体结构设计方法。
3．要求学生能将所学知识灵活运用于产品的设计和生活实践当中。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求要求学生理解并掌握《火箭发动机原理》这门课程，使学生对固体火箭发动机有一定的认识。
1.掌握固体火箭发动机原理的主要内容，包括固体火箭发动机的工作原理、固体火箭推进剂以及固体火箭推进剂在燃烧室中的燃烧过程、燃气在喷管中的流动过程、固体火箭发动机性能参数、固体火箭发动机的热力计算、固体火箭发动机的内弹道计算方法等方面的知识。
2.掌握固体火箭发动机设计的主要内容，包括固体火箭发动机的基本结构，主要设计参量的选择，发动机结构的初步设计等。
3.了解固体火箭发动机的应用及发展趋势，并能用所学知识指导在本领域的技术研究和产品的设计。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中重点对固体火箭发动机的基本概念，工作原理和设计方法进行讲解。
培养学生的思考能力和分析问题的能力。
在讲授中注意采用理论知识与实际应用相结合的方法，提高学生分析问题、解决问题的能力。
2．教学手段：在教学中主要采用电子教案、CAI 课件及多媒体教学系统等教学手段相结合。
固体火箭发动机测试与试验技术
1.5 试验技术的发展与展望
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 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。这样对发动机试验技 术与测量技术就提出了更高的要求。固体火箭发动机试验技术发展大约可 归纳为以下几点： (1)试验能力将会进一步提高 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。 (2)测量系统的特殊要求 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。
固体火箭发动机使用性试验，包括下列几种： (1)振动试验 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。 (2) 冲击试验 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。 (3) 运输试验 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2~3Hz,10~20Hz及80~100Hz，加速 度幅值约为 0.5 ~ 30m / s 2 ；在铁路运输时，频率为3~5Hz，加速度幅 值为 5m / s 2 。发动机公路运输条件要规定公路路面等级、运输的距离 及速度。铁路运输试验要规定试验路程、速度等。
固体火箭发动机测试与试验技术
应急演练实施
定期组织应急演练，提高人员的应急处置能力 和协同配合能力。
应急资源准备
提前准备必要的应急资源，如消防器材、急救药品等，确保在紧急情况下能够 及时响应。
07
总结与展望
研究成果总结回顾
固体火箭发动机性能提升
通过改进燃料配方、优化燃烧室设计等方式，提高了固体火箭发动机的推力和比冲性能 。
测试与试验技术创新
X射线或中子成像技术
通过非破坏性地对发动机内部结构进行成像，了解其内部缺陷、燃烧产物分布等情况。这 需要专门的成像设备和辐射防护措施。
激光诊断技术
利用激光干涉、激光多普勒等激光诊断技术，对发动机内部的流场、温度场等进行高精度 测量，为性能评估和优化设计提供重要依据。
03
固体火箭发动机试验技术
地面试验技术
半实物仿真
结合实物部件和计算机仿真模型 ，构建半实物仿真系统，对固体 火箭发动机进行更贴近实际的测 试和验证。
04
测试与试验数据处理及分析
数据处理基本方法
1 2
数据清洗
去除重复、无效和异常数据，保证数据质量。
数据转换
将数据转换为适合分析的形式，如标准化、归一 化等。
3
数据压缩
降低数据存储和处理成本，同时保留关键信息。
故障诊断与性能评估
故障特征提取
从测试数据中提取故障特征，如振动、温度等异常信号。
故障识别与分类
利用模式识别、机器学习等方法对故障进行识别和分类。
性能评估指标
制定评估指标，如推力、比冲、燃烧效率等，对发动机性能进行 量化评估。
结果可视化展示
数据可视化
将处理后的数据以图表、图像等形式展示，便于直观 理解数据分布和规律。
火箭发动机原理课程教学实验一
固体火箭发动机地面点火及推力、压强测试实验（火箭发动机原理课程教学实验一）实验指导书西北工业大学航天学院一、实验目的1、学习固体火箭发动机地面点火及推力、压强测试的方法；2、掌握实验中推力传感器、压强传感器的标定方法；3、利用实验结果（数据或曲线）、参照火箭发动机原理课程教学中介绍的方法，处理参试发动机的特征速度（*c）、比冲（s I）和推力系数（F C）。
二、实验内容要求1、清点参试发动机的零部件、检查零部件的齐套情况；2、记录实验前发动机的喷管喉径、固体推进剂装药的结构参数；3、检查实验数据采集系统、点火控制系统，确保各系统正常可靠工作；4、标定实验中使用的推力、压强传感器；5、称量点火药并制作点火药盒、装配实验发动机，做好点火实验前的一切准备工作；6、发动机点火，并采集P~t和F~t曲线；7、完成实验数据处理及实验报告。
三、实验原理固体火箭发动机设计完成之后，要进行地面静止实验，测量P~t和F~t曲线，然后进行数据处理，检查技术指标是否达到设计要求。
如果没有达到，还要进一步修改设计，再次进行地面实验，直至达到设计要求。
因此，学习固体火箭发动机的实验方法，对一个固体火箭发动机设计人员来说就显得特别重要。
由于发动机工作时将伴随着强大的振动和噪声，有时还有毒性、腐蚀性和爆炸的危险，因此为了保证试验人员的安全和健康、保护贵重的仪器仪表，必须采用远距离操纵和测量的方法，即采用非电量电测法。
为了获得发动机的P~t和F~t曲线，通过安装在发动机上的压强传感器和推力传感器，将被测的压强和推力信号转变为电压信号，电压信号经放大后由计算机数据采集系统保存。
由于传感器输出的是电压信号，而实验需要得到的是推力和压强信号（实际物理量），因此实验前应对所采用的传感器进行标定，标定的目的是为了建立传感器电压信号和实际物理量之间的关系，只要将标定结果输入到计算机采集系统中，在信号采集时，采集系统将按照标定结果将测得的电信号转换成实际物理量，即可获得P~t 和F~t 曲线。
固体火箭发动机测试与试验技术第六章
College of Aerospace and Civil Engineering
Colቤተ መጻሕፍቲ ባይዱege of Aerospace and Civil Engineering
固体火箭发动机测试与试验技术
主讲：刘平安
热电偶基本原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在 温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一 效应来工作的。
为了减小动态误差可选择导热系数大的材料使用比热密度和体积均小的感温元件增大感温元件与被测表面的接触面积以及采取其他增大放热系数的措664非接触式测温采用非接触法测温时在温度参数的检测过程中检测元件与被测对象互不接触因此可以对高温对象热容量小的对象热接触困难或不希望扰乱其温度分布的对象以及运动体等的温度进行测量同时还可以实现快速测温和测量表面温度的分布
College of Aerospace and Civil Engineering
测量300℃以下的温度时，选用铜-康铜热电偶。这种热电偶热 电势率较高，加工性好，价格低廉，其最大特点是可以测量低温， 测量下限为70K。镍铬-镍硅热电偶的热电势率也较高，且热电势 与温度近似成线性关系，测量范围为0～1300℃。这两种热电偶是 发动机试验中用得最多的。铂铑10-铂和铂铑30-铂铑6的性能稳定， 精度高，但价格贵，可作为标准热电偶，多用于实验室精密测量， 也用于试验现场测量1000℃以上的高温。钨铼系列热电偶是目前 测温上限最高的，用于测量2000℃以上的高温。 普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。 根据测温范围和环境气氛，选择合适的热电极材料和保护管。此 种热电偶的安装采用螺纹连接或法兰连接。
火箭发动机专业综合实验(2.4.1)--固体推进剂燃速与燃速测量
固体推进剂燃速的定义一般有两种：
—— 线性燃速 r ：在单位时间内，推进剂燃面沿
其法线方推进的位移。
r
=
de dt
r
=
D）； t 代表时间 。
在给定工作条件下，测出烧去△ e 所需的
时间△ t 之后，即可算出在△ t 时间内的
—— 质量燃速平均m燃p速：r 在单位时间内单位燃面上沿 燃面法线方向所烧掉的推进剂质量 。
燃速压强指数
北京航空航天大学宇航学院 403 教研室
单 位 时 间 内 燃 烧 掉 的 推 进 剂 质 量 ：
m& p = r p Abr
r = a ￗpn
rp 为固体推进剂的密度， Ab 为燃烧面积， r
燃速 m& p = r p �Ab�a�pcn
固 体 火 箭 发 动 机 的 喷 管 流 量 公 式
③ 如果 n﹥1 ，压强升高造成的燃气生成 率增量会小于排气质量流量增量，燃烧 室内的燃气质量存在这减少的趋势，这 样会抑制压强的进一步升高，促使压强 恢 复 到 先 前 平火衡箭状发 动态机，专因业而综 合可实以验保 持 稳 定状态。
埃里（ Vieille ）r 公=式a：ￗpn
a 为燃速系数，是推进剂初温的函数；
p 是燃烧室压强，单位 MP ；
n 为燃速压强指数，是压强和推进剂初温的函
数。
火箭发动机专业综合实验
燃速压强指数
北京航空航天大学宇航学院 403 教研室
燃速压强指数体现了燃速对压强变化的敏感程度 ， 因此也是表征固体推进剂燃烧稳定性能的一个重要参 数。
稳态燃烧性能是其中的基础，这是因为从使用上讲，在设计
条件下的要求固体火箭发动机中的燃烧过程呈现稳定状态，不能 发生不可控制的变化；从研究上讲，只有充分理解与掌握了固体 推进剂的稳态燃烧性能，才能进一步地研究其他燃烧特性。
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固体火箭发动机测试与试验技术
主讲：刘平安
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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：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：保险机构打不开)； (2) 发动机地面点火试验； (3) 使用性试验，即模拟发动机使用时所处环境条件的试验； (4) 遥测飞行试验：发动机作为全弹(箭)动力装置参与飞行试验。
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
本书主要论述地面点火试验、试验装置与设备、试验中的测量方 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。
在模样阶段，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。通过试验暴露问题， 为改进设计指出方向和寻找途径。
在初样阶段，发动机的总体方案已经确定，各部件的结构、材料及推进 剂配方已经基本确定，一般不再做重大调整。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。
在公路上运输的振动频率为2~3Hz,10~20Hz及80~100Hz，加速
度幅值约为 0.5~30m/s2；在铁路运输时，频率为3~5Hz，加速度幅
值为 5m / s 2。发动机公路运输条件要规定公路路面等级、运输的距离
及速度。铁路运输试验要规定试验路程、速度等。
(4) 环境条件试验
环境条件指温度、湿度、气压等条件。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，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：
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。
(3) 运输试验
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，
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。
1.2使用性试验的作用与内容
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。
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、 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)
固体火箭发动机使用性试验，包括下列几种：
(1)振动试验
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
拟使用条件的目的是检验发动机在预定的冲击载荷作用下工作性能
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。
长期贮存试验的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。
对某些材料的试件还可以做快速老化的试验来获得敏感的老化 参数。
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 (如密封圈之类)，最后规定固体火箭发动机的服役期限。举例：关 于密封圈的更换
1.3 地面点火试验的特点
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;
2) 冷环境条件 在223K温度下保持24h再降至219K;
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。
(5) 贮存试验
便于长期贮存是固体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。
在试样阶段，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。
在批生产阶段，进行定型后的鉴定性抽样试验。其作用是检验工艺稳定 性与可靠性、检验发动机性能参数是否落在设计规定的范围内。