火星探测姿控发动机稀薄来流高空模拟试验系统的制作方法

本发明涉及液体火箭发动机试验技术领域，涉及一种姿控发动机高空模拟试验系统。

背景技术：

自1964年美国成功发射的飞行器marine揭开了现代探索火星的序幕以来，美、俄、日、印、欧等国家积极进行火星探测方面的研究，美国作为先进航天强国已多次完成火星表面的探测任务，并取得了一定成就的研究成果。我国在向航天大国逐步发展的道路上，也已取得了“探月工程”及“载人航天工程”等多项研究成果。

火星探测器进入火星大气环境着陆飞行过程中，由于火星表面存在一定高度的稀薄大气层，稀薄大气会对火星探测器产生一个逆向的阻力，可能对快速移动的姿控发动机点火存在一定的干扰风险，因此需要开展姿控发动机火星大气稀薄来流条件下的高空模拟试验，以验证姿控发动机的性能参数及工作可靠性，从而保证变推力发动机在火星大气环境中的工作适应性。

现有的发动机高空模拟试验系统一般用于液体火箭姿控发动机高空模拟试验，包括依次连接的真空模拟装置、燃气升压降温装置、燃气引射排气装置、蒸汽生产供应装置及辅助设施。该高空模拟试验系统只能进行一定飞行高度环境的发动机点火、稳态及脉冲试验，试验系统不具备火星大气稀薄来流模拟环境，无法进行火星探测器姿控发动机在火星大气环境中的流场点火模拟试验。

技术实现要素：

为了解决现有发动机高空模拟试验系统无法进行火星探测姿控发动机在稀薄来流条件下的高空模拟试验的问题，本发明提供一种火星探测姿控发动机稀薄来流高空模拟试验系统。

本发明的技术解决方案如下：

本发明的火星探测姿控发动机稀薄来流高空模拟试验系统，包括依次连接的真空模拟装置、燃气升压降温装置及燃气引射排气装置；所述真空模拟装置包括真空舱及设置于真空舱内的发动机安装架，所述发动机安装架用于安装发动机；所述燃气升压降温装置包括扩压器，所述扩压器的入口位于真空舱内，所述发动机的喷管出口朝向扩压器的入口，其特殊之处在于：

还包括稀薄来流模拟装置及二氧化碳生产供应装置；

所述稀薄来流模拟装置设置于真空舱内；

所述稀薄来流模拟装置包括来流喷气组件及来流回流腔；

所述来流喷气组件及来流回流腔均与扩压器同轴设置；

所述来流喷气组件包括喷气环、导流筒及第一固定组件，所述喷气环位于扩压器中，所述喷气环包括同轴嵌套设置的内环筒和外环筒，所述内环筒和外环筒之间具有间距，所述内环筒与外环筒的一端封闭，另一端为敞口，封闭的一端对称设置有多个进气口，敞口的一端为出气口，所述出气口的出气方向与喷气环中心轴的夹角α的范围为30-60度；

所述导流筒为锥形圆筒结构，导流筒的大径端与外环筒敞口的一端固定连接，小径端伸出扩压器与来流回流腔固定连接；

所述第一固定组件包括至少一个固定支耳，所述来流喷气组件通过固定支耳与扩压器固定连接；

所述来流回流腔包括回流环、延伸筒及第二固定组件；

所述回流环沿径向分为中心区及回流区，所述中心区为圆形平板，所述圆形平板的中心设置有中心孔，所述中心孔用于与发动机喷管配合安装；

所述回流区为圆环形，截面形状为圆弧状，回流区朝向发动机头部内凹；

所述延伸筒的一端与回流环的外壁连接，所述延伸筒的另一端位于导流筒的外侧，所述延伸筒与导流筒之间设置有间隙，所述来流回流腔通过第二固定组件与扩压器固定连接；

所述二氧化碳生产供应装置与来流喷气组件的多个进气口连接。

进一步地，所述二氧化碳生产供应装置包括依次连接的二氧化碳气体生产组件、二氧化碳气体贮箱及二氧化碳气体供应管路；

所述二氧化碳气体生产组件包括二氧化碳液瓶组、汇流排、液体减压阀、加热器、气体减压阀及第一管路；

所述二氧化碳液瓶组包括多个二氧化碳液瓶，所述多个二氧化碳液瓶并联设置；

所述汇流排包括多个入口和一个出口；

所述多个二氧化碳液瓶的出口与汇流排的多个入口一一对应连通；

所述汇流排的出口通过)液体减压阀与加热器的入口相连接；

所述加热器的出口通过第一管路与二氧化碳气体贮箱的入口相连接；

所述气体减压阀设置在第一管路中；

所述二氧化碳气体供应管路包括供气主管路、调压阀组、气动截止阀、集气分配腔及多个供气支管路；

所述供气主管路的入口与二氧化碳气体贮箱的出口连接，所述调压阀组及气动截止阀依次设置在供气主管路上；

所述集气分配腔包括一个入口和与气体分支管路一一对应的多个出口；

所述集气分配腔的入口与供气主管路的出口连接，所述集气分配腔的多个出口与多个供气支管路一一对应连接，所述供气支管路上还设置有节流元件。

进一步地，所述喷气环的多个进气口沿外环筒的切向设置。

本发明喷气环的进气口沿切向设置的目的是改变流体方向，使流体沿切向进入喷气环内减速后形成均匀稳压环境，通过改变供应方向减少进气口位置对喷气流场均匀性影响。通过设置切向的进气口，使气流在真空环境下在半封闭喷气环内减速稳压，并沿喷气环的敞口端以一定夹角向内喷气，形成撞击交汇均匀逆向喷气气流，气流沿导流筒向发动机喷管出口端移动，从而保证喷管前端来流速度场的均匀性。

进一步地，所述多个出气口的出气方向与喷气环中心轴的夹角为45度。

本发明的出气方向与喷气环中心轴夹角会影响交汇撞击流场的柱状直径包络范围，优选出气方向会利于形成合适的逆向喷管来流速度场包络，可根据发动机喷管出口直径及喷管出口位置设置出气口的夹角。

进一步地，所述内环筒和外环筒封闭的一端采用截面为弧形的圆环板封闭，所述圆环板朝向扩压器外凸。

进一步地，进一步地，为了便于单个液化二氧化碳瓶气化生产完成后的独立更换，同时不影响其余液化二氧化碳气瓶供的供液气化生产过程；所述多个二氧化碳液瓶均通过各自的输出管与汇流排连接，每个输出管上都设置有截止阀。

进一步地，为了对气化过程中的压力及温度进行监测，以保证生产后的二氧化碳气体压力达到设计要求，同时保证生产过程中不结冰，确保二氧化碳生产过程的顺利进行。本发明的二氧化碳气体生产组件的第一管路上还设置有压力测量仪表及温度测量仪表。

进一步地，为了从二氧化碳气体生产源头上防止多余物进入二氧化碳气体贮箱内，保护二氧化碳气体贮箱内的清洁，同时可防止在二氧化碳气体供应过程中的多余物引入稀薄流场环境中，造成发动机的损伤的风险，所述二氧化碳气体生产组件的第一管路上还设置气体过滤器。

本发明的有益效果：

1、本发明的火星探测姿控发动机稀薄来流高空模拟试验系统，通过在现有的发动机高空模拟试验系统的结构基础上增加了稀薄来流模拟装置及二氧化碳生产供应装置，其中的二氧化碳生产供应装置是为模拟火星大气成份及压力，稀薄来流模拟装置是为发动机高模试验过程营造逆向稀薄来流环境，使得火星探测姿控发动机在稀薄来流条件下的高空模拟试验能够顺利进行。

2、本发明的火星探测姿控发动机稀薄来流高空模拟试验系统，为我国火星探测发动机研制进度提供了重要的技术保障，利用探月工程发动机高空模拟试验系统进行火星探测发动机试验研究，节约了研制成本与研制周期，拓展了探月工程高模台试验能力，提高了火星探测姿控发动机试验研制效率。

3、本发明的火星探测姿控发动机稀薄来流高空模拟试验系统，结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明高空模拟试验系统组成结构图；

图2为本发明实施例稀薄来流模拟装置的结构图；

图3为图2的右视图；

图4为稀薄来流模拟装置的工作原理图；

图5为二氧化碳物理性质转换原理图；

图6为二氧化碳生产供应系统结构图。

其中的附图标记为：

1-真空模拟装置、2-燃气升压降温装置、3-燃气引射排气装置、4-稀薄来流模拟装置、5-二氧化碳生产供应装置、11-推力台架固定基础、12-推力测量装置、13-发动机安装架、14-发动机、15-真空舱、21-扩压器、22-降温器、41-来流喷气组件、411-喷气环、412-导流筒、413-第一固定组件、414-进气口、415-出气口、42-来流回流腔、421-回流环、4211-中心区、4212-回流区、422-延伸筒、423-第二固定组件、51-二氧化碳气体生产组件、52-二氧化碳气体贮箱、53-二氧化碳气体供应管路、511-二氧化碳液瓶组、512-汇流排、513-液体减压阀、514-加热器、515-气体减压阀、516-供气主管路、531-调压阀组、532-气动截止阀、533-集气分配腔、534-供气支管路。

具体实施方式

为了实现火星探测姿控发动机稀薄来流高空模拟试验要求，本发明设计了火星探测姿控发动机稀薄来流高模试验系统，以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的火星探测姿控发动机稀薄来流高模试验系统包括依次连接的真空模拟装置1、燃气升压降温装置2及燃气引射排气装置3；真空模拟装置1包括真空舱及设置于真空舱内的发动机安装架13，发动机安装架13用于安装发动机14；燃气升压降温装置2包括扩压器21，扩压器21的入口位于真空舱15内，发动机的喷管出口朝向扩压器21的入口。本发明的火星探测姿控发动机稀薄来流高模试验系统中的真空模拟装置、燃气升压降温装置及燃气引射排气装置均可采用现有的发动机高空模拟试验系统中结构进行设置。

本发明在现有的发动机高空模拟试验系统的结构基础上增加了稀薄来流模拟装置4及二氧化碳生产供应装置5。

要营造逆向稀薄来流环境，须解决如下难题：

(1)制造均匀的逆向来流；

(2)在逆向来流存在的情况下，需保证真空舱内的真空度维持在一定的水平，故发动机的燃气和喷入真空舱内的来流气体不可在真空舱内堆积，需及时被真空抽吸系统抽走；

(3)来流模拟装置不能影响发动机的正常工作，不可阻挡发动机羽流，需确保发动机燃气可被真空抽吸系统正常抽走。

为此，如图2-3所示，本发明的稀薄来流模拟装置4包括来流喷气组件41、来流回流腔42及第一固定组件413；来流喷气组件41及来流回流腔42均与扩压器21同轴设置；来流喷气组件41包括喷气环411及导流筒412，喷气环411位于扩压器21中，喷气环411包括同轴嵌套设置的内环筒和外环筒，内环筒和外环筒之间具有间距，内环筒与外环筒的一端封闭，另一端为敞口，封闭的一端对称设置有多个进气口414，敞口的一端为出气口415，出气口415的出气方向与喷气环411中心轴的夹角α的范围为30-60度；导流筒412为锥形圆筒结构，导流筒412的大径端与外环筒敞口的一端固定连接，小径端伸出扩压器21与来流回流腔固定连接；第一固定组件413包括至少一个固定支耳，来流喷气组件41通过固定支耳与扩压器21固定连接；来流回流腔42包括回流环421、延伸筒422及第二固定组件423；回流环421沿径向分为中心区4211及回流区4212，中心区4211为圆形平板，圆形平板的中心设置有中心孔，所述中心孔用于与发动机喷管配合安装；回流区4212为圆环形，截面形状为圆弧状，回流区4212朝向发动机头部内凹；延伸筒422的一端与回流环421的外壁连接，所述延伸筒422的另一端位于导流筒412的外侧，所述延伸筒422与导流筒412之间设置有间隙，所述来流回流腔42通过第二固定组件423与扩压器21固定连接。

本发明中来流喷气组件41其作用是将成分气体通过扩散，掺混，使气流从来流喷气组件41出气口415均匀地流出，使得在发动机喷管区域形成交汇的逆向来流覆盖区域。

来流回流腔42的作用是将从来流喷气组件41喷出的气体进行收集和导流，使气流流动方向与试验系统抽吸方向一致，方便气流顺利进入扩压器后被抽吸系统顺利抽出，从而确保真空舱内的压力维持在一定的范围内。为方便来流回流腔42的安装，可将来流回流腔42劈分为左右两半。

以下对本发明来流喷气组件及来流回流腔的部件功能进行说明。

本发明的进气口414用于输送气体，其与外部气源连接，将气体导入来流喷气组件41内。

喷气环411用于气体的收集和缓冲，使环腔内聚集一定量的均匀气体，后气体以一定角度、一定速度从喷气环出气口415喷出，从而形成覆盖发动机喷管区域的逆向来流流场。导流筒412的作用是限制气流流动的区域，确保气流能够沿着与发动机燃气流动方向相反的方向流动，防止从喷气口喷出的气体被真空抽吸系统直接抽走。固定支耳用于将来流喷气组件41与试验台扩压器入口端面进行安装和固定，确保所述来流喷气组件41轴心与试验台扩压器轴心重合。回流环421用于将从来流喷气组件41喷出的气流进行收集和导向。延伸筒422作用为限制气流流动区域，使气流最终进入扩压器内。回流环421及延伸筒422同轴设置，回流环421的中心区4211的作用是防止发动机燃气回流，同时对逆向来流起到一定的遮挡作用，防止来流从发动机与回流环421间的间隙流出，影响真空舱的真空度。通过设置不同大小中心区4211可以使本发明用于不同推力量级的液体姿控发动机进行逆向稀薄来流高模试验；为了方便安装，回流环421的中心区4211一分为二，两半独立安装。

第二固定组件423用于将来流回流腔42与试验台扩压器入口端面进行安装和固定，确保来流回流腔42与来流喷气组件41及试验台扩压器三者轴心重合。

稀薄来流模拟装置的工作原理如图4，稀薄来流模拟装置采用低压条件下环状夹角进气方式(环状夹角指的是出气方向与喷气环中心轴具有30-60度的夹角)形成环状周向内喷气流，对称内喷的气流形成交汇撞击后，撞击区域形成一定的拥塞，从而撞击后的柱状气流沿轴向偏角方向移动，形成了发动机喷管前端的逆向来流条件，根据喷气组件内部压力不同可形成喷管前端不同速度大小的稀薄来流。

火星大气主要成份为二氧化碳气体(约占95.3％)，市面上常见的二氧化碳充装形式包含工业级液化二氧化碳、二氧化碳杜瓦、气态二氧化碳三种规格，二氧化碳纯度均接近火星大气成份比例要求，根据二氧化碳获取难易程度及生产系统建设与生产过程控制难易程度，选取标准工业级液化二氧化碳作为气体生产源，进行二氧化碳的气化生产，标准液化二氧化碳充装规格为40l、3.3mpa～5.5mpa、充装质量12kg～18kg，液化二氧化碳充装量受环境温度影响较大，环境温度较低时充装质量偏少。

二氧化碳的物性变化原理见图5，液态二氧化碳通过加热或减压可以转换为气态。

二氧化碳气化生产中需要进行减压、加热过程，保证气化生产时不至于结冰或冻结形成干冰等状态，常规的生产方式是采用加热型减压器进行气化的，该种方式输出压力为1.6mpa，气体生产较小，无法满足大流量二氧化碳气体的输出需求。

为了满足火星表面稀薄大气环境模拟要求，本发明提供一种二氧化碳生产供应装置，本发明二氧化碳生产供应装置的难点就在于如何实现二氧化碳气体大压力，大流量稳定输出。

基于此，本发明的二氧化碳气体供应装置包含二氧化碳生产、贮存、供应三部分；二氧化碳生产过程利用了二氧化碳的物理性质，建立了将工业级液体二氧化碳快速连续气化的装置，将液体二氧化碳变为气体并存贮于气体贮箱内，通过控制二氧化碳气体生产过程完成二氧化碳气体增压贮存的过程，将二氧化碳气体贮存至要求的工作压力以满足试验要求的二氧化碳气体供应压力及流量；在供应时，通过配置供应管路参数、调压阀组工作参数、均匀流量分配等措施；利用降压稳压流量分配特征实现二氧化碳气体模拟火星大气成份的技术要求，通过控制二氧化碳气体供应压力实现稀薄来流速度模拟要求。

以下结合附图6对本发明的二氧化碳生产供应装置进行详细说明。

如图6所示，本发明的二氧化碳生产供应装置5由二氧化碳气体生产组件51、二氧化碳气体贮箱52及二氧化碳气体供应管路53等组成。

二氧化碳气体生产组件51：包含标准的二氧化碳液瓶组511、汇流排512、液体减压阀513、加热器514、压力表、温度表、气体减压阀515及第一管路等。二氧化碳液瓶组511包括多个二氧化碳液瓶，多个二氧化碳液瓶并联设置；汇流排512包括多个入口和一个出口；多个二氧化碳液瓶的出口与汇流排512的多个入口一一对应连通；汇流排512的出口通过液体减压阀513与加热器514的入口相连接；加热器514的出口通过第一管路与二氧化碳气体贮箱52的入口相连接；气体减压阀515设置在第一管路中。

二氧化碳气体生产组件原理：先将标准工业级液化二氧化碳减压供应至汇流排512，再由高压的液体减压阀513缓慢将液化二氧化碳供应至管路，通过大功率加热器514实施液态二氧化碳加热气化，使生产后的二氧化碳气体温度大于20℃(液化压力约为3mpa～5mpa)，将二氧化碳气体通过第一管路贮存于气体贮箱，从而实现了二氧化碳气体的生产与贮存，二氧化碳气体生产及贮存中处于封闭干燥的系统中。

二氧化碳气体生产组件中液体减压阀及气体减压阀的设置非常关键，其中的液体减压阀513为低温减压阀，该阀可以实现液态二氧化碳的流量控制，保证二氧化碳供应流量与加热器514加热能力匹配，从而保证气体生产过程中的参数达到设计要求。气体减压阀是用于保证经过加热器后生成的气态二氧化碳压力必须高于贮箱压力，才能将二氧化碳气体持续向贮箱内充气，否则需要将减压阀关闭。

二氧化碳气体贮箱：采用设计压力大于5mpa、设计容积大于2m³的气体贮箱，以满足气化后二氧化碳大于3mpa的贮存要求，同时大容积可保证二氧化碳气体存量足够多，为二氧化碳气体供应时间的延长提供保障。

二氧化碳气体贮箱设计压力应大于标准液化二氧化碳的充装压力，保证二氧化碳气体生产过程的安全，同时保证二氧化碳气体充装压力尽可能增大以满足供应压力源要求；二氧化碳气体贮箱设计容积足够大，可保证充装二氧化碳气体容量足够，在二氧化碳气体降压方式大流量供应过程会造成有限容积的气源压力快速降低，通过增大贮箱容积和二氧化碳气体压力可使供应压力源降低幅度范围软长，提供更长时间的稳态二氧化碳气体供应。

二氧化碳气体供应管路53包括气体供气主管路516、调压阀组531、气动截止阀531、集气分配腔533、供气支管路534及节流元件等；根据火星稀薄大气来流速度模拟要求，计算二氧化碳气体供应流量范围，设置二氧化碳供应系统管路、二氧化碳气体稳压调压阀组531、二氧化碳集气管路及节流元件尺寸，保证二氧化碳气体实现沿管路降压稳态流量稳应；本发明实施例调压阀组中设置阀前压力大于2.5mpa、阀后输出压力在0.2mpa～0.4mpa工作参数下，保证二氧化碳气体供应流量范围约0.6kg/s～1.2kg/s，调压阀组可满足一定时间段内(约10s～15s)二氧化碳气体流量参数的稳定，使供应气体进入真空模拟环境的速度及压力能够满足火星稀薄大气的模拟要求。

二氧化碳气体供应管路原理：采用降压供应方式，保证气态二氧化碳供应过程中沿供应管路中降压供应，通过调压阀组实现二氧化碳气体的大流量稳态供应，根据真空条件下稀薄来流模拟组件的流速模拟要求，计算降压供应至真空模拟环境中管路的流阻，设置合适的供应管路尺寸与节流装置，使二氧化碳气体沿供应管路均处于降压工作条件，且来流模拟装置各进气口的流量符合火星大气流速模拟要求。

本发明中的真空模拟装置1用于为姿控发动机高空模拟试验提供真空工作环境。真空模拟装置1还包括设置在真空舱15内的推力台架固定基础11和推力测量装置12。发动机安装于真空模拟装置1内，与推力测量装置12连接，由推力测量装置12实施发动机工作中的推力测量；真空模拟装置1具备推进剂供应条件、发动机工作参数测量及阀门控制条件；真空舱采用一端封闭，另一端开口的半封闭式容腔，真空舱开口端与燃气升压装置连接，可快速将发动机产生的燃气排至燃气引射排气装置，维持发动机点火前、工作过程中的真空模拟环境；真空模拟装置内部具备热防护措施，具备来流模拟装置安装固定条件，具备二氧化碳气体供应条件。

燃气升压降温装置2包括依次连接的扩压器21及降温器22，用于形成液体姿控发动机工作燃气的及时升压、排气，维持真空模拟环境的工作真空压力条件。

燃气引射排气装置3：包含级联式蒸汽喷射泵组、动力水蒸汽装置、冷却水分配装置、收集水池等；级联式蒸汽喷射泵组用于连续抽吸降温后的发动机燃气，经过降温及处理后排至大气环境，从而维持真空模拟装置内的工作参数；动力水蒸汽装置为喷射泵提供满足要求引射水蒸汽，使燃气引射排气装置维持正常抽吸工作状态；冷却水分配装置将喷射泵组多余冷凝水排出，降低后端设备引射负载。

火星探测姿控发动机稀薄来流高空模拟试验工作流程为：

(a)系统准备：包括发动机系统安装、发动机与稀薄来流模拟装置匹配状态调整、水蒸汽生产供应系统检查准备以及测量控制系统检查、测试准备；

(b)进行姿控发动机高空模拟试验系统工艺、测量及控制系统设备和参数测量，编制稀薄来流高空模拟试验的工作程序；

(c)介质准备：包括发动机系统推进剂、水蒸汽发生器供应介质、高模系统冷却水、稀薄来流二氧化碳气体等准备，二氧化碳气体需满足发动机工作应要求的供应贮箱压力；

(d)稀薄来流高模试验流程：首选确保高模真空系统密封性满足要求，起动水蒸汽生产装置保证高模台真空引射系统正常工作，当真空系统各设备工作参数达到高模试验要求后，开始进行火星大气环境稀薄来流系统供应，保证发动机点火前处于稀薄来流均匀流场环境中，当低压速度测量参数达到发动机起动条件后，开始进行稀薄来流条件下的发动机工作考核，获取稀薄来流条件下发动机工作参数。

(e)试后处理：待发动机完成所有工作程序后，按照高空模拟系统工作流程关闭各设备，待各设备完全关闭后进行系统排气、排水及介质回收。