前言
運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈等運(yùn)載器所用的二級、三級、上面級火箭發(fā)動機(jī)以及衛(wèi)星、飛船等航天器所用的姿軌控發(fā)動機(jī)需要在高空環(huán)境下工作，為獲得這類發(fā)動機(jī)在實(shí)際工作環(huán)境下的性能、可靠性和熱防護(hù)措施可行性等，需要在地面建造一個近似高空飛行的模擬環(huán)境，將發(fā)動機(jī)置于這種環(huán)境下進(jìn)行試驗，這類試驗統(tǒng)稱為發(fā)動機(jī)高空模擬試驗。
高空模擬試驗系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)、真空獲取系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（如吊裝、電力、通信、氣體生產(chǎn)、分析化驗等）組成。發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)主要由推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等組成。這部分內(nèi)容有
專門書籍介紹。真空獲取系統(tǒng)一般由試驗艙、燃?xì)馍龎合到y(tǒng)、燃?xì)饨禍叵到y(tǒng)、燃?xì)獬槲到y(tǒng)、蒸氣生成系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，其作用是讓被試發(fā)動機(jī)在試驗艙內(nèi)形成滿流所需要的低壓力環(huán)境并維持該環(huán)境。試驗過程中這些分系統(tǒng)一起協(xié)調(diào)工作，完成發(fā)動機(jī)高空模擬試驗任務(wù)。
《液體火箭發(fā)動機(jī)高空模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計》一書主要介紹液體火箭發(fā)動機(jī)高空模擬試驗真空環(huán)境獲取系統(tǒng)的設(shè)計方法，內(nèi)容包括真空獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、核心裝置的設(shè)計和調(diào)試與驗證方法等。全書分為9章，第1章概論，主要介紹高空模擬試驗在發(fā)動機(jī)研制中的目的與特點(diǎn)、高空模擬試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型、高空模擬試驗技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢等；第2章高空模擬試驗系統(tǒng)總體設(shè)計，主要介紹總體設(shè)計的需求分析、設(shè)計依據(jù)和原則、總體功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計、總體技術(shù)指標(biāo)設(shè)計、指標(biāo)分解與氣動計算、環(huán)境條件總體設(shè)計、測控系統(tǒng)總體設(shè)計等；第3章試驗艙與環(huán)境條件設(shè)計，主要介紹試驗艙設(shè)計、真空環(huán)境條件設(shè)計、稀薄流環(huán)境模擬系統(tǒng)、真空環(huán)境大噴管保護(hù)條件設(shè)計等；第4章燃?xì)馍龎合到y(tǒng)設(shè)計，主要介紹發(fā)動機(jī)擴(kuò)壓器系統(tǒng)流動模型，擴(kuò)壓器設(shè)計，擴(kuò)壓器氣動、結(jié)構(gòu)及傳熱計算等；第5章燃?xì)饨禍叵到y(tǒng)設(shè)計，主要介紹氣體熱力性質(zhì)計算，燃?xì)饨禍仄�、換熱器設(shè)計計算，冷卻水流量控制和調(diào)試等；第6章燃?xì)獬槲到y(tǒng)設(shè)計，主要介紹真空管道設(shè)計、真空系統(tǒng)設(shè)計計算、氣體噴射泵的一維流設(shè)計方法、蒸氣冷凝器設(shè)計等；第7章蒸氣生成系統(tǒng)設(shè)計，主要介紹液氧酒精蒸氣發(fā)生器設(shè)計、空氣酒精蒸氣發(fā)生器設(shè)計、蒸氣發(fā)生器系統(tǒng)調(diào)試等；第8章高空環(huán)境參數(shù)測量，主要介紹高空模擬環(huán)境下推力、壓力、溫度等參數(shù)測量方法等；第9章系統(tǒng)調(diào)試與驗證，主要介紹真空獲取系統(tǒng)的調(diào)試內(nèi)容、冷卻水系統(tǒng)調(diào)試、蒸氣生成系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試、考臺試驗、系統(tǒng)性能評估等。
本書由史超、王志武等11位長期從事液體火箭發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)設(shè)計與試驗、具有豐富工程實(shí)踐經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)人員共同撰寫。其中，史超確定全書的主題思想與架構(gòu)、一二三級目錄及章節(jié)核心論述內(nèi)容，負(fù)責(zé)組織撰寫人員對各章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行多次審查修改并終定稿。本書第1章、第2章由史超、趙萬明撰寫；第3章由王志武、李廣會、王宏亮、賀宏撰寫；第4章、第5章、第6章由王志武撰寫；第7章由曹明明、趙曙撰寫；第8章由李廣會、唐斌運(yùn)、呂欣撰寫；第9章由周獻(xiàn)齊撰寫。梁小強(qiáng)、焦玉屏、安會剛、杜晨昕負(fù)責(zé)組織策劃、內(nèi)容審查、圖書出版管理等工作。羅維民研究員對全書進(jìn)行了認(rèn)真審查，提出了寶貴的修改意見。
目前，介紹液體火箭發(fā)動機(jī)試驗技術(shù)的專著很少，高空模擬系統(tǒng)設(shè)計方面的專業(yè)書籍更加鮮見。書中典型的理論計算引用了公開發(fā)表的參考文獻(xiàn)，部分計算公式、設(shè)計數(shù)據(jù)、調(diào)試結(jié)果、調(diào)試方法等是作者長期實(shí)踐經(jīng)驗的積累、總結(jié)和引自未公開發(fā)表的單位內(nèi)部資料，這些內(nèi)部資料未在參考文獻(xiàn)中列出。本書把從事液體動力試驗領(lǐng)域的專家和一線經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員掌握的顯性和隱性知識呈現(xiàn)出來，為從事液體火箭發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)設(shè)計與試驗的專業(yè)技術(shù)人員提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗參考，讓更多的年輕技術(shù)人員從中受益，為我國將來建造能力更強(qiáng)、技術(shù)更先進(jìn)的液體火箭發(fā)動機(jī)高空模擬試驗系統(tǒng)奠定人才基礎(chǔ)。全書理論與實(shí)踐相結(jié)合，貫徹工程經(jīng)驗必須經(jīng)過實(shí)際驗證的設(shè)計思想。作者在大量理論與仿真計算的基礎(chǔ)上，列舉了典型并成功應(yīng)用的設(shè)計實(shí)例，提升了本書的參考價值，幫助讀者快速理解設(shè)計理論和方法。本書所述內(nèi)容力求通俗易懂、針對性強(qiáng)。讀者對象為火箭發(fā)動機(jī)高空模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計與試驗人員，火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計人員，發(fā)動機(jī)試驗風(fēng)洞設(shè)計人員，高校從事火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計理論教學(xué)的教師和學(xué)生，熱愛航天事業(yè)的工程技術(shù)人員和航天愛好者。
本書的撰寫人員常年奮斗在液體火箭發(fā)動機(jī)試驗一線，完成了大量的液體火箭發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)設(shè)計與試驗任務(wù)，在承擔(dān)繁重的科研試驗任務(wù)的同時，努力完成了本書的撰寫、修訂等工作，付出了艱辛的勞動。在此，對參與本書撰寫、策劃、修改、出版等工作的所有人員深表感謝。在本書出版過程中，得到航天科技圖書出版基金的鼎力資助和中國宇航出版社的大力支持，在此深表感謝。
由于作者水平有限，書中內(nèi)容難免有疏漏和不妥之處，懇請液體火箭發(fā)動機(jī)試驗領(lǐng)域的專家、學(xué)者和專業(yè)技術(shù)人員及廣大讀者給予批評指正。
史超
2021年10月于西安
目錄
第1章概論1
1.1高空模擬試驗的目的與特點(diǎn)3
1.2高空模擬試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型5
1.2.1擴(kuò)壓器開式系統(tǒng)5
1.2.2擴(kuò)壓器閉式系統(tǒng)5
1.2.3組合開式系統(tǒng)6
1.2.4組合閉式系統(tǒng)7
1.2.5新型高空模擬試驗系統(tǒng)11
1.3高空模擬試驗技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢12
1.3.1國內(nèi)外高空模擬試驗技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀12
1.3.2國外高空模擬試驗技術(shù)發(fā)展趨勢16
參考文獻(xiàn)18
第2章高空模擬試驗系統(tǒng)總體設(shè)計19
2.1需求分析19
2.2設(shè)計依據(jù)和原則20
2.2.1設(shè)計依據(jù)20
2.2.2設(shè)計原則20
2.3總體功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計21
2.3.1模擬環(huán)境21
2.3.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計23
2.4總體技術(shù)指標(biāo)設(shè)計27
2.5指標(biāo)分解與氣動計算29
2.6環(huán)境條件總體設(shè)計30
2.6.1發(fā)動機(jī)冷熱環(huán)境31
2.6.2發(fā)動機(jī)測試設(shè)備熱防護(hù)32
2.7測控系統(tǒng)總體設(shè)計34
2.7.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計34
2.7.2測量系統(tǒng)總體設(shè)計35
參考文獻(xiàn)36
第3章試驗艙與環(huán)境條件設(shè)計37
3.1試驗艙設(shè)計37
3.1.1外加強(qiáng)帶圓角矩形截面試驗艙強(qiáng)度計算38
3.1.2外加強(qiáng)對稱矩形截面試驗艙強(qiáng)度計算44
3.2真空環(huán)境條件設(shè)計48
3.2.1低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)48
3.2.2高溫環(huán)境模擬系統(tǒng)59
3.3稀薄流環(huán)境模擬系統(tǒng)73
3.3.1稀薄流環(huán)境73
3.3.2地球稀薄流環(huán)境模擬73
3.3.3火星稀薄流環(huán)境模擬78
3.4真空環(huán)境大噴管保護(hù)條件設(shè)計87
3.4.1系統(tǒng)設(shè)計87
3.4.2仿真計算91
3.4.3調(diào)試及結(jié)果評估92
參考文獻(xiàn)94
第4章燃?xì)馍龎合到y(tǒng)設(shè)計95
4.1發(fā)動機(jī)擴(kuò)壓器系統(tǒng)流動模型95
4.2圓柱形超聲速擴(kuò)壓器設(shè)計96
4.2.1圓柱形擴(kuò)壓器設(shè)計計算流程97
4.2.2圓柱形擴(kuò)壓器設(shè)計計算結(jié)果99
4.3二次喉道超聲速擴(kuò)壓器氣動計算100
4.3.1二次喉道超聲速擴(kuò)壓器設(shè)計理論100
4.3.2計算流程104
4.3.3二次喉道擴(kuò)壓器計算結(jié)果108
4.4空氣泄入式擴(kuò)壓器設(shè)計109
4.4.1計算模型110
4.4.2計算流程110
4.4.3空氣間隙對氣流參數(shù)的影響113
4.5擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算113
4.5.1內(nèi)外壁不連接條件下壁面強(qiáng)度計算114
4.5.2內(nèi)外壁稠密連接條件下應(yīng)力及承載能力計算116
4.5.3內(nèi)外壁稠密連接條件下局部撓度計算119
4.6擴(kuò)壓器傳熱計算120
4.7擴(kuò)壓器壁溫數(shù)值計算123
4.7.1相關(guān)公式推導(dǎo)123
4.7.2數(shù)值計算結(jié)果129
參考文獻(xiàn)131
第5章燃?xì)饨禍叵到y(tǒng)設(shè)計132
5.1氣體熱力性質(zhì)計算132
5.2直接接觸式燃?xì)饨禍仄髟O(shè)計計算135
5.2.1設(shè)計理論135
5.2.2冷卻水霧化和蒸發(fā)136
5.2.3影響因素分析138
5.2.4降溫器計算結(jié)果140
5.2.5結(jié)構(gòu)設(shè)計142
5.3翅片管換熱器設(shè)計計算145
5.3.1翅片管換熱器技術(shù)要求145
5.3.2傳熱和氣動計算146
5.3.3換熱器計算結(jié)果150
5.3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計151
5.4冷卻水流量控制和調(diào)試153
5.4.1流量控制裝置154
5.4.2流量控制模型及計算155
5.4.3水流量計算和調(diào)試結(jié)果156
5.4.4試驗數(shù)據(jù)驗證結(jié)果157
參考文獻(xiàn)158
第6章燃?xì)獬槲到y(tǒng)設(shè)計159
6.1真空管道設(shè)計160
6.1.1流態(tài)判別160
6.1.2分子流時質(zhì)量流量計算161
6.1.3黏滯流時質(zhì)量流量計算161
6.1.4湍流時管道流阻計算162
6.1.5真空管道強(qiáng)度計算164
6.2真空管道密封165
6.2.1橡膠密封材料165
6.2.2O形橡膠圈166
6.2.3空心金屬Ｏ形圈168
6.2.4高溫真空條件下管道密封169
6.3真空系統(tǒng)設(shè)計計算172
6.3.1真空系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容172
6.3.2真空系統(tǒng)設(shè)計流程172
6.3.3真空系統(tǒng)設(shè)計原則177
6.4氣體噴射泵的一維流設(shè)計方法178
6.5蒸氣噴射泵設(shè)計方法Ⅰ182
6.5.1氣體引射器設(shè)計182
6.5.2氣體壓縮器設(shè)計185
6.5.3氣體引射器計算結(jié)果185
6.6蒸氣噴射泵設(shè)計方法Ⅱ186
6.6.1流量系數(shù)計算186
6.6.2工作蒸氣耗量計算187
6.7蒸氣冷凝器設(shè)計方法188
6.7.1蒸氣冷凝器設(shè)計188
6.7.2蒸氣冷凝器計算結(jié)果189
6.8噴射泵結(jié)構(gòu)尺寸計算190
參考文獻(xiàn)193
第7章蒸氣生成系統(tǒng)設(shè)計195
7.1類型與組成195
7.2液氧酒精蒸氣發(fā)生器設(shè)計196
7.2.1點(diǎn)火裝置設(shè)計196
7.2.2發(fā)生器設(shè)計205
7.3空氣酒精蒸氣發(fā)生器設(shè)計214
7.3.1點(diǎn)火裝置設(shè)計214
7.3.2發(fā)生器設(shè)計222
7.4蒸氣發(fā)生器系統(tǒng)調(diào)試233
7.4.1點(diǎn)火器系統(tǒng)組成與調(diào)試233
7.4.2發(fā)生器系統(tǒng)組成與調(diào)試237
7.5發(fā)生器工程化應(yīng)用242
7.5.1工程化方案242
7.5.2工程化實(shí)施243
參考文獻(xiàn)246
第8章高空環(huán)境參數(shù)測量247
8.1推力參數(shù)測量247
8.1.1推力架結(jié)構(gòu)組成247
8.1.2測量系統(tǒng)設(shè)計248
8.1.3真空環(huán)境推力測量255
8.1.4系統(tǒng)調(diào)試及性能評估262
8.2真空壓力測量265
8.2.1真空壓力265
8.2.2試驗艙內(nèi)壓力參數(shù)測量267
8.3溫度參數(shù)測量270
8.3.1接觸式熱電偶測溫270
8.3.2非接觸式溫度測量272
8.3.3熱流密度測量274
參考文獻(xiàn)276
第9章系統(tǒng)調(diào)試與驗證277
9.1系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容277
9.2冷卻水系統(tǒng)調(diào)試278
9.2.1冷卻水流量調(diào)節(jié)形式279
9.2.2限流孔板的選擇279
9.2.3系統(tǒng)調(diào)試282
9.3蒸氣生成系統(tǒng)調(diào)試284
9.3.1系統(tǒng)冷調(diào)284
9.3.2系統(tǒng)熱調(diào)287
9.4系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試291
9.4.1調(diào)試目的291
9.4.2調(diào)試方法291
9.4.3負(fù)載氣量計算291
9.4.4負(fù)載噴嘴計算292
9.4.5真空環(huán)境下設(shè)備受力計算293
9.4.6調(diào)試后的檢查與數(shù)據(jù)分析294
9.5考臺試驗295
9.5.1試驗?zāi)康?95
9.5.2試驗流程295
9.6系統(tǒng)性能評估299
9.6.1真空機(jī)械泵組性能評估299
9.6.2試驗艙性能評估299
9.6.3燃?xì)馍龎合到y(tǒng)性能評估300
9.6.4燃?xì)饨禍叵到y(tǒng)性能評估300
9.6.5蒸氣噴射泵性能評估301
9.7調(diào)試總結(jié)與展望301
參考文獻(xiàn)303
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