火箭發動機的“終極考場”在哪裡？
2024年5月，我國首個發動機垂直高空模擬試驗檯考臺點火試驗取得圓滿成功。7月，新一代載人運載火箭三級液氫液氧發動機通過該試驗檯，完成了高空模擬環境長程試驗，驗證了我國最大噴管面積比液氫液氧發動機長程工作的可行性，試驗取得圓滿成功。液氧發動機長程工作的可行性，試驗取得圓滿成功。近日，亞洲最大空間發動機高空模擬試驗檯在陝西銅川建成投用，實現了空間發動機高空模擬試驗能力的重大跨越，展示了我國在高空模擬試驗技術領域的領先地位，標誌着我國載人登月工程落月主減速發動機高空模擬試驗關鍵技術取得重大突破，將有力保障和支撐載人月球探測工程的順利開展。空間發動機試驗檯是什麼？有何作用？高空模擬試驗檯又有何特別之處？一文了解。
什麼是空間發動機試驗檯？
在航天領域有這樣一個共識：“發展航天，動力先行”。在太空探索中，空間發動機爲運載火箭等航天器提供了飛向太空的動力。若將發動機看作火箭的“心臟”，那麼空間發動機試驗檯就好比火箭“心臟”的監測儀，它是一種專門用於測試火箭發動機性能的地面試驗設施，通常由試車間、承力墩、導流槽、測控中心、測控系統、試車架等部分組成，能夠模擬發動機的工作環境，以驗證和考覈火箭發動機的性能、功能、強度、可靠性等方面，確保發動機在實際飛行中能夠穩定可靠地工作。
爲什麼要建造空間發動機試驗檯？
空間發動機的研製工作是一項複雜且精細的工程，不僅需要深厚的理論基礎和先進的計算模擬技術，更依賴於實際的點火測試來驗證設計的準確性和可靠性。因而在發動機的研製過程中，理論與實際的結合是不可或缺的。發動機試驗檯上裝備了各類高精度傳感器，它們是發動機測試的“感官”，能夠實時監測發動機在點火測試中的關鍵參數。通過這些精密的測量，科研人員可以直觀地觀察發動機在實際工作中的表現，從而對發動機的性能有一個全面深入的瞭解。這些試驗參數不僅爲科研人員提供了發動機工作狀態的各項指標，也會作爲評估發動機性能的重要依據，通過將測試結果與設計預期進行對比，科研人員可以發現設計中的不足，進而對發動機進行必要的改進和優化。
爲何不同的發動機需要“量身定製”的試驗檯？
從類型角度看，由於各類發動機都有其獨特的設計和性能參數，決定了測試時所需的特定環境和條件。這就意味着一個試驗檯不能解決“一攬子”發動機試車工作，需根據不同類型的發動機建造不同類型的試驗檯，使試車環境和發動機的實際工作環境儘量一致。爲此，試驗檯也可進行分類。例如：
按照試驗檯規模
根據試驗檯臺體結構、推進劑儲箱容量以及測量控制設備等方面的不同，可分爲大型試驗檯和中小型試驗檯。
按照發動機的推進劑類型
可分爲液氧液氫發動機試驗檯、液氧煤油發動機試驗檯和常溫可儲存發動機試驗檯。
按照發動機推力測試時間長短
可分爲穩態測試和動態測試兩種試驗檯。前者主要測試發動機穩態推力、壓力性能指標，通過長時間穩定工作來驗證發動機設計和製造的質量，後者則注重推力、壓力上升段過渡過程和下降段後效衝量變化特性研究。
按照發動機試驗時安裝姿態
可分爲水平試驗檯和垂直試驗檯。水平試驗檯用途廣泛，工作過程中發動機質量變化對推力測量影響小，但同時這種試驗檯對側向力敏感性較低。垂直試驗檯又分爲正立式和倒立式兩類。
從安全角度看，試驗檯必須確保在測試過程中的安全性，不同發動機在點火時產生的推力和熱流會存在差異，因此需要特製的導流槽和冷卻系統來應對。
從測量角度看，爲了獲得準確的測試數據，試驗檯上的傳感器和測量設備需要與發動機的具體參數相匹配。例如，推力測量系統必須能夠準確測量特定範圍內的推力。
從模擬環境看，試驗檯的設計旨在模擬發動機在實際飛行中可能遇到的各種條件，包括高空模擬、振動環境等，不同發動機的飛行條件可能有所不同，因此需要特定的模擬環境。
從成本效率看，爲不同的發動機設計和建造專用試驗檯可提高測試的效率和準確性，長期而言可節省時間和資源。
從技術發展看，空間發動機研製技術的進步將伴隨新的測試需求，建造專用的試驗檯能夠爲新型發動機提供必要的測試支持。
高空模擬試驗檯爲何成爲發展趨勢？
運載火箭上面級等航天器發動機在啓動時處於80公里以上的高空低氣壓狀態，其高空性能與地面表現大不相同。由於影響發動機結構強度的氣動和熱力負荷在地面靜止狀態下無法模擬，因此需要高空模擬試驗檯來創造高空條件，通常通過抽真空形成30-40公里的低氣壓環境，模擬高空飛行狀態。高空模擬試驗檯主要用於考覈發動機在低壓和真空環境下的噴管結構和性能，確保高空工作可靠性。通過高空模擬熱試車，可以提高試驗安全性，及時發現和排除故障，爲先進發動機的研製提供關鍵支持。
隨着空間發動機試車臺的不斷建設完善，將爲各類航天器發動機的研製與測試提供一個更爲先進可靠的平臺。
本文轉載自：中國載人航天工程辦公室
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