航天发动机试车台门道多

    5月15日，亚洲最大、我国首个发动机垂直高空模拟试验台点火实验圆满成功。航天发动机试验台主要开展哪些工作？需要满足哪些苛刻要求？随着技术的进步和需求的变化，试验台还有哪些新趋势？

发动机试验台——门道多
    航天发动机作为航天器动力装置的核心，需要适应复杂恶劣的工作环境，因此成为故障敏感多发之处。一旦在飞行途中出现问题，航天器将损失动力，轻则无法完成任务，重则酿成惨剧。因此，在任何一台航天器发动机正式投入使用之前，必须通过各种试验对其性能、功能、强度、可靠性等具备充分认识和了解，以便安全、有效、合理地使用。
    发动机被誉为火箭的心脏，它的研制过程非常复杂。航天发动机是综合性系统工程，涉及多学科知识领域，包括空气动力学、工程热物理、传热传质、机械、强度、传动、密封、电子和自动控制等。同时，发动机内部的气动、热力和结构材料特性非常复杂，至今还无法通过理论上的详尽准确描述来解决，只能通过不断试验来暴露问题、排查隐患。为此，在发动机正式和航天器总装之前就必须开展地面试验。“试车”就是航天行业对火箭和航天器发动机开展的地面试验。采用试验的方法，可以验证发动机设计的合理性，扩展已有的经验，还有可能推动科研人员对物理机理的进一步认识。此外，发动机设计能力的提高依赖于试验数据的不断增加和完备、对已有经验的扩展以及理论分析的进一步完善。“试车”是发动机研制过程中的重要环节，种类多达几十种，会贯穿发动机研制前后的各个阶段，每个阶段的试车都有不同的意义，点火时长也从几秒到数百秒不等。
    “试车台”就是为火箭发动机地面点火试验专门开发的试验平台，通常包含建筑物和设施。通常发动机试车台包括试车间、承力墩、导流槽、测控中心、测控系统、试车架等几部分，其中试车架用于承受发动机及其附件的全部质量，传递推力。火箭发动机“试车”就是在将发动机安装在试车台的试车架上进行的，即把发动机或其组合件安装在试车台上，在试车台各工艺系统提供的工作条件和模拟环境下，使发动机或组合件按照预定程序完成所要求的工作，从而通过地面试验验证设计的可行性、工艺的可靠性以及考核检验调试的方法，对发动机和组合件的质量及性能作出评价，在火箭发动机研制发挥了至关重要的作用。

发动机试验台——任重道远
    为了应尽量满足发动机在不同研制阶段提出的各种试验要求，尽量使试车条件和发动机的工作条件一致，发动机试车台需要尽量能够复现和接近发动机实际工作状态。发动机试车台主要由两个子系统组成，即氧化剂供应子系统和燃料供应子系统，是发动机的动力源。每个子系统都分别包括增压系统、液路系统、吹除系统和排放系统。
    为了能够监测发动机地面试验过程中的各种试验数据，用与发动机的分析和改进，试车台中通常采用应变式压力传感器，其原理是综合运用金属电阻应变效应和转换电路，将被测物体的物理变形转化为电阻变化，通过转换电路将电阻变化转变为电量输出出来，从而获得发动机的压力和推力。推力和压力是两个最主要的被测参数。推力的大小及其随时间的变化规律，表征火箭发动机的性能。该指标直接影响火箭的射程和飞行特性，并可由试验测量的推力数值推算出发动机的其他重要参数，如平均推力、总冲、比冲等。这些火箭设计和发射的重要性能参数，都是在火箭发动机试车台上通过地面试验获得和验证的。
    通常试车台上开展的火箭发动机地面试验根据不同的测试需求有不同分类。根据火箭发动机推力测试时间长短,可分为稳态测试和动态测试两种试车台,前者主要测试发动机稳态推力、压力性能指标，而后者注重推力、压力上升段过渡过程和下降段后效冲量变化特性研究。另外，按照试车台按照试验时安装姿态可分为水平试车台和垂直试车台。水平试车台用途广泛，工作过程中发动机质量变化对推力测量影响小，但同时这种试车台对侧向力敏感性低。垂直试车台又可以分为两类：正立式和倒立式。
    为满足更多的测试需求，获得更准确的发动机参数，当前火箭发动机试车台系统逐渐发展为工艺系统、测量系统、控制系统、监测报警系统、故障诊断系统、通讯系统、吊装系统和安全消防系统组成的庞大的试验系统，集成了石油化工、工业自动化、智能测控等领域最新技术和成果。当前，未来的发动机试车台正在向自动化测控、智能化监控、故障自诊断、健康自管理、柔性化装调等技术方向发展。

高空模拟实验台——“未来新宠”
    众所周知，火箭上面级或卫星发动机，启动时其轨姿控发动机已处于80公里以上的高空低气压状态，然而发动机的高空性能与地面表现大不相同，影响发动机结构强度的最恶劣因素——气动、热力负荷点不会出现在地面静止状态条件下，那么我们怎么获得发动机在实际高空低压环境下的工作特性能。这就需借助专门的高空试验设备——高空模拟试车台。
高空模拟试验台就是人工“制造”高空条件，通常通过抽真空形成30-40公里的低气压环境，进而模拟高空飞行状态，包括飞行高度、飞行速度及飞行姿态，使安装在地面上的发动机能够像工作在高空一样，验证和考核其高空工作特性。高空模拟试验台主要用于考核发动机在高空低压和真空环境下喷管的结构和性能；高空工作可靠性和结构性能，获取有关性能参数和传热影响。通过发动机高空模拟热试车可以提高试验安全性，在试车过程中，一旦出现故障，能够及时发现和排除，避免对人员和设备造成损害，还可以揭示飞行器发动机在实际高空服役环境下的天地差异性，为先进发动机的研制提供关键的支撑。
    正是因为发动机热试车的重要性和不可替代性，航天科技水平较高的国家都十分重视试验装备的建设和试验技术的研究，为研制火箭和航天器发动机投入巨大，建成了众多试验基地。相信随着发动机试车台不断建设完善，更先进、更可靠的动力装置将驱动火箭和航天器取得更大的成就。