實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)使用燃?xì)舛婵刂乒腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量的導(dǎo)彈動(dòng)力裝置的性能，針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)舛娴男阅苓M(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，一般遵循“理論設(shè)計(jì)—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—性能試驗(yàn)”這一反復(fù)迭代過程。在實(shí)驗(yàn)過程中，涉及到火炸藥、固體推進(jìn)劑等危爆物品，實(shí)驗(yàn)所需的場(chǎng)地大、安全保障措施嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)成本極高，準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)過程甚為危險(xiǎn)且消耗大量的實(shí)踐，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以演示為主，學(xué)生無(wú)法實(shí)際準(zhǔn)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)、制備危爆實(shí)驗(yàn)零部件，更無(wú)法操作相關(guān)的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，無(wú)法提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的水平，達(dá)不到實(shí)踐教學(xué)的目的。本項(xiàng)目以了解固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及其推力矢量控制原理為基礎(chǔ)，掌握固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)舛嬖O(shè)計(jì)的方法，了解結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)舛娴男阅艿挠绊憽Ｍㄟ^虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，掌握固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推壓力高精度測(cè)量以及固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量的試驗(yàn)方法、步驟及測(cè)試測(cè)量?jī)x器設(shè)備的使用。通過對(duì)推力矢量控制燃?xì)舛娴墓腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)帶有燃?xì)舛娴墓腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、壓力及推力矢量特性進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，有利于學(xué)生領(lǐng)會(huì)先進(jìn)動(dòng)力裝置及其控制方式的設(shè)計(jì)方法，領(lǐng)會(huì)數(shù)字化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的思想，完全模擬帶矢量控制的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程，加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知。在提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐水平的同時(shí)，提升學(xué)生安全操作、安全生產(chǎn)及安全試驗(yàn)的意識(shí)。為此，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)火箭武器系統(tǒng)學(xué)習(xí)難點(diǎn)問題，設(shè)計(jì)三個(gè)模塊的教學(xué)內(nèi)容。首先，基于使用目的完成固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。然后，基于機(jī)動(dòng)要求完成燃?xì)舛嬖O(shè)計(jì)。接著，對(duì)設(shè)計(jì)完成的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在高精度臺(tái)上完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力及總推力的測(cè)量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能及安全性加以評(píng)估。最后，將配備燃?xì)舛娴墓腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在六分力試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)舛娴牟僮魈匦砸约皩?duì)推力矢量的影響進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)要求

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)舛嫱屏κ噶靠刂葡到y(tǒng)是在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上利用燃?xì)舛婵刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力在三維坐標(biāo)上的分量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、扭矩大、體積小、成本低、驅(qū)動(dòng)功率小、頻率響應(yīng)快和能實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航與滾轉(zhuǎn)三個(gè)方向的控制等優(yōu)點(diǎn)，全套矢量控制一體化的燃?xì)舛婵稍谄涔ぷ魍瓿珊髵伋?，在很短的時(shí)間或者很低的高度上完成彈體姿態(tài)角的大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，是現(xiàn)代導(dǎo)彈及制導(dǎo)武器系統(tǒng)快速機(jī)動(dòng)的有效途徑。因此，以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為起始獲得滿足推力及總沖要求的導(dǎo)彈，接著根據(jù)導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)特性設(shè)計(jì)用于推力矢量控制的燃?xì)舛妫詈笠詫?shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推壓力特性以及安裝有燃?xì)舛娴墓腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，完成固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)舛嫱屏κ噶靠刂葡到y(tǒng)的系列化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究工作。具體而言，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體內(nèi)容如下：

（1） 固體火箭推力矢量系統(tǒng)認(rèn)知。

（2） 固體火箭推力矢量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包含固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與燃?xì)舛嬖O(shè)計(jì)兩大部分。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為固體火箭推力矢量系統(tǒng)中能量的來(lái)源，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要由固體推進(jìn)劑、燃燒室、點(diǎn)火器、尾噴管等部分組成。其中，固體推進(jìn)劑主要有雙基推進(jìn)劑、改性雙基推進(jìn)劑以及復(fù)合推進(jìn)劑等三大類，同時(shí)含有燃料及氧化劑，在點(diǎn)火器產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)獾淖饔孟卤稽c(diǎn)燃后產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)獠⒕S持推進(jìn)劑的穩(wěn)定燃燒，將燃料所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管產(chǎn)生推力，從而推動(dòng)飛行器的快速飛行。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室為推進(jìn)劑燃燒提供燃燒的空間并作為導(dǎo)彈及智能彈藥殼體的一部分。在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，以發(fā)動(dòng)機(jī)推力、總沖量及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)極限為設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)裝藥類型，燃燒室、連接底、噴管結(jié)構(gòu)，噴管熱防護(hù)及點(diǎn)火藥量等內(nèi)容加以設(shè)計(jì)與計(jì)算。

燃?xì)舛媸枪腆w火箭推力矢量控制系統(tǒng)中常用的操控部件，通過燃?xì)舛娴钠D(zhuǎn)操作，可以令以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的導(dǎo)彈系統(tǒng)具備高機(jī)動(dòng)性，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：

1）具有足夠接近常值的升力梯度以滿足最大升力控制要求；

2）燃?xì)舛娌顒?dòng)時(shí)需滿足總體對(duì)橫滾控制要求；

3）保證燃?xì)舛孀枇π∫詼p小發(fā)動(dòng)機(jī)的推力損失，舵面鉸鏈力矩及其在整個(gè)工作期間變化要相對(duì)較小以降低對(duì)舵機(jī)功率的要求；

4）燃?xì)舛娉叽绫M可能小但要滿足強(qiáng)度和剛度的要求，安裝位置要合理，便于后續(xù)附屬零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝；

5）當(dāng)燃?xì)舛嫫D(zhuǎn)至最大角度時(shí)，不能產(chǎn)生機(jī)械干涉。

固體火箭推力矢量性能分析與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。利用燃?xì)舛鎸?shí)現(xiàn)固體火箭高機(jī)動(dòng)性能的系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的合理性、安全性，以及燃?xì)舛嫘阅艿姆€(wěn)定性與可靠性，是檢驗(yàn)固體火箭推力矢量系統(tǒng)的基準(zhǔn)條件。為此，本項(xiàng)目首先通過高精度推壓力仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，主要模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力-時(shí)間、壓力-時(shí)間等內(nèi)彈道參數(shù)的實(shí)驗(yàn)過程，針對(duì)實(shí)驗(yàn)中可能發(fā)生的特殊情況加以應(yīng)急處理，使學(xué)生掌握高精度推壓力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法，為開展高精度推壓力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)奠定基礎(chǔ)。然后，本項(xiàng)目在六分力虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，通過在實(shí)驗(yàn)臺(tái)兩個(gè)平行平面六個(gè)座標(biāo)軸方向上合理布置傳感器，可測(cè)量到推力在六個(gè)座標(biāo)軸的分量及其對(duì)空間三個(gè)軸的力矩分量，再把各分量合成，即可求得發(fā)動(dòng)機(jī)的推力向量，進(jìn)而求出發(fā)動(dòng)機(jī)的推力偏心參數(shù)。最后利用虛擬高精度推壓力實(shí)驗(yàn)臺(tái)及六分力實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過改變固體火箭裝藥結(jié)構(gòu)、燃?xì)舛娼Y(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究研究上述因素的變化對(duì)固體火箭推力矢量系統(tǒng)的合理性、安全性、穩(wěn)定性與可靠性的影響，從而獲得固體火箭推力矢量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、性能測(cè)試及與性能分析的深刻認(rèn)知。

1）專業(yè)與年級(jí)要求

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要面向航空宇航科學(xué)與技術(shù)中的飛行器設(shè)計(jì)等方向的大三、打死學(xué)生，同時(shí)也是飛行器動(dòng)力、武器系統(tǒng)與工程等相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程。

2）基本知識(shí)和能力要求

使用本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)前，對(duì)于參加實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)、武器系統(tǒng)與工程專業(yè)的大一、大二學(xué)生，要求學(xué)生已經(jīng)較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了工程流體力學(xué)、熱力學(xué)等課程；對(duì)于參加工程實(shí)踐和實(shí)習(xí)的大三、大四學(xué)生，要求較系統(tǒng)地完成《固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)》、《彈箭姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》、《導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制技術(shù)》等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握固體火箭推力矢量的基本理論，在專業(yè)能力方面要求學(xué)生對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)舛娴慕Y(jié)構(gòu)，工作原理及性能的特點(diǎn)，對(duì)相應(yīng)的理論知識(shí)有著深入的理解與認(rèn)知。