● 摘要
喷管是火箭发动机的重要组成部分。其型面设计和加工精度是影响喷管性能的关键因素。在喷管的优化设计和生产过程中，可以通过测量推力来检验加工和型面是否达到要求。以往喷管的测量装置由于系统误差大等原因，可能导致无法判断对喷管改进的有效性。本文根据物理天平原理，设计了一个差动喷管冷流试验装置。该装置通过误差抵消，能测量出标准喷管与待测喷管产生的细微推力差，为火箭发动机小型喷管的性能检验提供了一种简单有效的方法。首先，本论文设计了差动喷管冷流试验装置。该装置包括标准喷管、待测喷管、工作圆筒组、立柱、应变套筒组、T型段组、喷嘴组、储气箱和减震器等几大部分，该试验装置的测力平台是由电阻式传感器和计算机组成，利用传感器获得标准喷管和待测喷管的推力差电信号。为了提高测试精度，标定方法最终选用砝码来模拟喷管推力的方法。其次，根据试验台的工作原理和喷管性能参数的定义，推导出了计算喷管性能参数的计算公式，并给出了算例对喷管的性能进行分析。最后，运用大型的计算流体力学软件FLUENT对试验装置进行分析研究，分别对标准喷管、工作圆筒和待测喷管内部的流动情况进行二维和三维的数值仿真，对喷管的数值模拟在多种工况下进行，即入口总压为10atm、20atm、50atm、100atm和150atm五种情况，分别给出了特定工况下喷管内气动参数（马赫数、密度、气流速度和压力）的分布图以及喷管产生的推力。其中因为五种工况的气动参数分布规律具有一定的相似性，所以本论文只给出了入口总压为100atm的情况。由数值模拟的结果可以看出，待测喷管型面的细微差别会影响喷管产生的推力，而本论文设计的试验台可以测出这种细微的差别；而且在相同工况下，标准喷管和待测喷管产生的推力差与喷管的入口总压基本成一次线性变化。由此可见，差动喷管冷流试验装置的设计是成功的，为试验台投入实际应用打下了基础。