国外液体火箭发动机试验设施述评.pdf

第4 1 卷第1 期 2 0 1 5 年2 月 火箭推进 J O U R N A L0 FR O C K E TP R O P U I S l 0 N V 0 1 4 1 1 F e b 2 0 1 5 国外液体火箭发动机试验设施述评 罗维民 ( 西安航天动力试验技术研究所，陕西西安7 1 0 1 0 0 ) 摘要：对美国、俄罗斯、日本等国家及欧空局的液体火箭发动机试验设施、大推力发 动机试验能力、高空模拟试验能力、试验设施测控能力、发动机边界条件与可靠性试验、吸 气式动力装置试验、新型动力装置试验进行了较详细介绍。分析了国外液体火箭发动机试验 设施、试验能力、试验技术和发展趋势，指出了我国液体动办试验设施、试验技术水平与国 外存在的差距，对我国航天液体动力试验设施建设和技术发展方向，特别是重型运载火箭发 动机和新型动力装置试验设施建设提供参考和借鉴。 关键词：液体火箭发动机试验设施；试验能力；试验技术 中图分类号：V 4 3 4 3 4文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 0 1 0 9 R e V i e wo ft e s tf a c i l i t i e sf o r1 i q u i d r o c k e te n g i n e sa b r o a d L U 0W e i m i I l ( X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nT e s tT e c t u l i q u eh l S t i t u t e ，X i a I l7 1 0 1 0 0 ，C h i n a ) 触，s 啾：T h et e s tf a c i l i t i e s ，h i 曲- t h m s te n 百n et e s ta b i l i 吼s p a c e 锄a l o gt e s ta b i l i t y ，a n de n g i l l e b o u I l d a r yc o n d “i o n s ，a sw e U a sr e l i a b i l i 够t e s t ，a i r - b r e a t h i n gp o w e ru n i tt e s ta n dn o V e lp o w e r1 l n i tt e s t o fl i q u i dr o c k e te n g i l l e si nt h eU n i t e dS t a t e so fA m e r i c a ，I U s s i a ，E u r o p e a l lS p a c eA g e n c y ( E S A ) 狮d J 印a na r eb r i e n yi n 仃o d u c e di nt 1 1 i sp a p e r T h et e s tf a c i l i t i e s ，t e s ta b i l i t ) r ，t e s tt e c h l l o l o 西e s a n d d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ff o r e i 弘l i q u i dr o c k e te n 西n e sa r ea n a l y z e d T h eg a pb e 觚e e nC h i n aa I l d o t h e ra d v a n c e dc o u n t r i e si nt h ea 印e c t so f1 i q u i dp o w e rt e s tf a c i l i t i e sa n dt e s tt e c l l n o l o g yl e V e li s p o i m e do u t T h ea n a l y s i so f t h et e s tf a c i l i t i e sf o rl i q u i dr o c k e te n g i I l e s ，e s p e c i a l l yf o rh e a V yl i f tm c k e t e n 百n e sa n dn o v e Ip o w e ru n i t si nt h e 、V o r l dc a nb eu s e da Sar e f e r e n c ef o rt h et e s tf k i l i t yc o n s t r I l c t i o n t e c h n o l o g i c a ld e V e l o p m e I l ti nC h i n a 瞄e y w o r d s ：l i q u i dr o c k e te n 画n et e s tf a c i l i t y ；t e s ta b i l i t y ；t e s tt e c l l I l o l o g y 收稿日期：2 0 1 4 1 0 - 2 1 ；修回日期：2 0 1 4 一1 2 1 l 作者简介：罗维民( 1 9 6 2 一) ，男，高级工程师，研究领域为液体火箭发动机试验技术 万方数据 2火箭推进 2 0 1 5 年2 月 O5 l 舌 液体火箭发动机研制过程需要进行大量的地 面和高空模拟试验。发动机试验是一项技术复 杂、耗资巨大的系统工程，是试验发动机设计方 案可行性、评定发动机性能指标、验证发动机结 构可靠性、检验发动机生产工艺稳定性、全面评 价发动机固有质量的主要手段。世界航天大国都 十分重视试验装备和关键试验技术的研究，并为 此建立了大量的试验设施，形成了众多试验基 地。美国和俄罗斯是世界上火箭发动机试验设施 最多、能力最强、技术水平最高的国家。在航天 液体动力快速发展中，研究分析美国、俄罗斯等 航天强国液体火箭发动机试验设施现状、试验能 力、试验技术及发展趋势，认清我国在试验装 备、关键技术方面存在的差距，对我国液体火箭 发动机试验技术与能力的提高，特别是未来重型 运载火箭发动机和新型动力装置试验设施建设有 重要的参考和借鉴作用。 1 国外液体火箭发动机试验机构与 试验设施 美国和俄罗斯在世界上拥有最多、最庞大的 液体火箭发动机试验机构和试验设施。美国主要 大型综合试验基地有9 个，每个基地设有多个研 究部门和众多试验设施。俄罗斯从事宇航试验的 大型科研联合体有7 个，涉及7 7 个试验综合体和 9 2 9 个试验台( 工位1 。由表l 可以看出国外液体 火箭发动机主要试验机构与试验设施有以下特点： 1 ) 试验机构众多，试验设施规模大，一台 多工位。马歇尔T s 一5 0 0 台和德国P 1 台有6 个试 验工位，俄罗斯导弹与航天工业科学试验中心的 1 0 2 台有2 0 个试验工位，1 0 6 台有5 个台位，其 中1 0 6 一B 3 台位又有6 个试验工位。 2 ) 试验设施相对集中，功能齐全，配套完 善。试验基地具备发动机研制各阶段地面性能、 高空模拟、空间环境、边界条件等试验验证能 力，而且材料试验、组件试验、计量保障、数据 评估等是试验基地的组成部分。有的试验设施甚 至和火箭发射场建在一起，避免推进剂、气体、 水电、分析化验、计量等公用设施的重复建设。 3 ) 美国的试验基地多数建在平原、丘陵或 海边，试验设施多数钢架结构，容易功能扩展。 俄罗斯的大型发动机试验基地也未远离城市，但 均采取消音降噪措施，多数试验台采用钢筋混凝 土结构。 2 国外大型液体火箭发动机试验设 施能力 液体火箭发动机推力决定着火箭的运载能 力。为了在空间活动有更大突破，必须具备重型 运载能力。美国上世纪6 0 7 0 年代研制了6 8 0t 的F 一1 发动机，俄罗斯上世纪8 0 年代研制了 8 0 0t 的R D 一1 7 0 发动机。目前美国正在实施S L S 重型运载火箭项目，计划2 0 1 7 年发射，小型版 L E O 能力7 0t ，大型版1 3 0t 以上，将来最大实 现1 6 5t 。俄罗斯开始研制与美国S L S 相近的8 0t 和1 6 0t 量级“安加拉”重型运载火箭。表2 是 国外大推力液体火箭发动机试验设施能力。由表 2 可以看出：国外大型试验设施多，可满足相当 长一段时间内的多种大推力液体火箭发动机研制 需求。美国2 0 0t 级以上试验设施有2 0 个，4 0 0t 级以上有1 6 个；俄罗斯2 0 0t 以上的发动机有2 5 种系列，配套2 0 0 t 级以上试验台9 个，4 0 0t 级以 上6 个；欧空局2 0 0t 级试验设施有4 个、4 0 0t 级2 个；日本2 0 0t 级有4 个。 3 国外高空模拟试验设施能力 美、俄及欧空局液体火箭发动机高空模拟试 验设施齐全，具备二级、三级、上面级及轨姿控 发动机各种高空模拟试验能力，多数采用蒸汽引 射+ 真空泵抽真空形式。美国火箭发动机高空模 拟试验装置共有7 0 多个，航空喷气洛克达因公 司液体火箭发动机高空模拟试验设施有1 3 个； 格林研究中心B 一2 台可试验推力1 8 1t 的发动机， 模拟高度2 8 5k m ；白沙试验场7 个高空模拟设 施中6 个具备7 6k m 点火功能；空军研究实验室 1 一1 4 C 台模拟高度达到了2 1 0k m 。国外液体火箭 发动机主要高空模拟试验能力见表3 。 万方数据 第4 1 卷第1 期罗维民：国外液体火箭发动机试验设施述评 3 斯坦尼斯航天中心享箍蒜盒耋轰芸墓巍翥翥茹鬻嚣篱霎蒸嚣譬喜体用 马歇尔空间飞行中心 格林研究中心 白沙试验场 有4 0 多个试验装置。4 6 7 0 台有2 个试验工位，幡一5 0 0 台有6 个试验工位，佟一11 6 台有 5 个试验工位，T s 一1 1 5 台有3 个试验工位。能进行美国多数火箭发动机、空间运输动力 试验 有试验设施5 0 多个，3 大试验区，P B 普拉姆河试验站有1 5 个试验设施。主要进行液氢、 液氧涡轮泵及其组件各类高压试验 有7 个高空模拟试验台和3 个地面试验台，高空模拟能力强大 阿诺德工程发肿心蠢嚣小3 小4 卜5 剐等1 6 个试验台。主要任务是满足美国未来火箭上面姆试 美国 有1 4 个试验区，试验推力0 0 4 N 4 4 5 M N 。液体动力集中在1 一1 4 卫星发动机试验联合一有1 4 个试验区，试验推力0 0 4 N 一4 4 5 M N 。液体动力集中在1 一1 4 卫星发动机试验联合 美国空军研究实验室体、l 一4 2 空即境推进试验联合体、l 一5 6 大推力试验设施、l 1 2 0 大型液体发动机组件 及系统试验联合体、1 一1 2 5 大型系统试验联合体 A 台为冷气流试验装置，B 台是静态试验装置，能够在垂直方向进行固体、液体、气体和混 红石技术试验中心合火箭系统的静态地面试车；C 台进行大推力固体火箭发动机试验；D 台是进行发动机剖 切分解、解剖研究装置。具有独特的自燃液体火箭发动机静态点火试验能力 航空喷气公司有4 个液体火箭发动机试验区。A 区有4 个试验台，E 区有3 个试验台，G 航空喷气洛克达肺心拿塞霰善荔裘篇黧翟蒜茹墓喜警蒌暴怒三箍婺冀嘉篙 8 双工位高压低温试验台 T R w 公司有4 个液体发动机试验设施，全部是中低压( 5 2 7M P a ) 垂直试验台 万方数据 4火箭推进2 0 1 5 年2 月 续表1 国外液体火箭发动机主要试验机构与试验设施 T a b 1( C 佃廿n u e d ) M a i l lt e s to r g 锄i 翻廿。璐粕df h d U 吐鼯o f q 1 i dr k e te 雌i n 骼a b m a d 表2 国外大型液体火箭发动机试验设施能力 T 曲2A b m 6 髑o ft 骼tf h c 出6 e sf o rl a r g e s c 酊er o