一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置

1.本发明属于水下自主动力发射武器推力测试领域，具体涉及一种用于模拟深水条件下的固体火箭发动机动态推力测试装置。


背景技术：

2.近年来水下高速武器愈发受到各海洋大国的重视，相关武器的动力系统采用固体火箭发动机为多，此种类水下高速武器的应用也逐渐向更深海域发展，因此对模拟深水条件下的固体火箭发动机进行推力测试成为水下高速武器性能验证的重要组成部分。
3.对深水条件下工作的固体火箭发动机进行推力测试的难度远远大于地面推力测试，这是由水环境介质与发动机尾喷高温高速燃气之间的复杂相互作用造成的，这种相互作用会导致发动机推力产生一定程度的非定常振荡。此外，若使用传统的固体火箭发动机推力测试台架，整个测试系统将全部浸没在水中，需要将某些测试设备做防水处理，并且在深水高压环境下保证全部测试设备的正常工作极其困难，进一步导致测试工作的复杂化，甚至有可能由于防水失效造成测试失败。因此，目前亟需一种能够避免将测试设备浸入水中的固体火箭发动机深水推力测试装置。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，在保证固体火箭发动机工作在模拟深水环境中的前提下保证测试设备处于常压大气环境，以简化掉对测试设备的防水处理，避免由于设备防水失效而造成的测试失败。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.本发明公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，主要由耐高压水罐、柔性接口、被试固体火箭发动机、高精度拉压力传感器、传感器安装台架组成。
7.耐高压水罐由水罐主体、水罐顶盖和传感器安装台架导轨三部分组成，其中水罐顶盖和水罐主体之间由法兰连接，传感器安装台架导轨固定连接在水罐主体上；水罐顶盖上开有一个进水口、一个进气口、一个排气口、一个线缆开口；水罐主体底部壁面中央位置以及侧壁面靠下位置各开有一个开口，用以连接柔性接口；水罐主体侧壁面另开有一个观察窗，底部壁面边缘开有一个排水口。
8.被试固体火箭发动机由固体火箭发动机封头和固体火箭发动机主体组成，固体火箭发动机封头和固体火箭发动机主体通过法兰固定连接。被试固体火箭发动机由位于耐高压水罐内部的台架限制径向以及扭转运动。
9.柔性接口由内法兰、外法兰以及位于两者之间的若干弹性件、增强件组成，内法兰、外法兰、弹性件、增强件之间由强力粘结剂粘接。其中柔性接口外法兰与耐高压水罐底部壁面中央位置或侧壁面上的开口连接，柔性接口内法兰与被试固体火箭发动机固定连接，后者的连接方式为螺纹连接。增强件使用高强度合金或增强树脂基复合材料制作，弹性件与增强件相互交替粘接在一起，较易发生剪切形变，进一步使得柔性接口内法兰以及与
之连接的被试固体火箭发动机实现小位移量的轴向运动。
10.作为优选，弹性件使用天然橡胶或硅橡胶制作。
11.所述弹性件与增强件相互交替粘接在一起。
12.通过保证固体火箭发动机封头与柔性接口内法兰相匹配，实现对不同尺寸的固体火箭发动机推力进行测试。
13.对耐高压水罐进行注水并通入一定量高压气体，以模拟固体火箭发动机所处的深水高压环境。
14.传感器安装台架通过螺栓紧固在耐高压水罐的传感器安装台架导轨上，安装时先调整至合适距离，再将高精度拉压力传感器与被试固体火箭发动机以及传感器安装台架连接起来，锁紧螺栓，将传感器安装台架位置固定。
15.被试固体火箭发动机点火之后，由于高温高速燃气射流向后喷出，被试固体火箭发动机产生一定推力，又由于柔性接口的使用，使得被试固体火箭发动机在轴向上进行小位移量运动，因此被试固体火箭发动机产生的推力将被传导至高精度拉压力传感器上，高精度拉压力传感器测得在深水高压环境下的被试固体火箭发动机轴向推力。
16.本发明公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置的安装工作方法为：
17.被试固体火箭发动机具体有两种安装方式，一种是垂直安装于耐高压水罐底部壁面上的开口，另一种是水平安装于耐高压水罐侧壁面上的开口。由于重力以及浮力的作用，被试固体火箭发动机在水下点火时，高速喷出的高温燃气会形成燃气泡并受重力、浮力作用而上浮，因此被试固体火箭发动机在水平安装时产生的推力方向会与轴向产生一定夹角，出现轴向推力损失，通过对比垂直安装以及水平安装条件下的被试固体火箭发动机推力差异，即能够测得被试固体火箭发动机在深水高压环境下水平点火时的轴向推力损失。
18.本发明公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，能够测得在深水高压环境下的固体火箭发动机推力以及水平点火时产生的轴向推力损失。
19.确定弹性件材料、尺寸满足设计需求的方法如下：
20.耐高压水罐加压以及被试固体火箭发动机推力会对柔性接口形成剪切力作用，在所述剪切力作用下，会使得柔性接口产生一定程度的轴向变形，柔性接口轴向变形量为μ，每一层弹性件的轴向位移量为μn，则有μ＝∑μn。
21.需要保证每一层弹性件所受到的切应力小于弹性件所用材料的极限抗剪强度。
22.无论被试固体火箭发动机垂直安装或是水平安装，所述柔性接口最大轴向变形量均出现在对耐高压水罐加压后，对此时的被试固体火箭发动机以及柔性接口内法兰整体进行受力分析，将被试固体火箭发动机以及柔性接口内法兰整体命名为整体结构。
23.整体结构呈轴对称，径向上的压力相互抵消，因此只对轴向上的受力进行分析。被试固体火箭发动机垂直安装与水平安装的受力相比有一定区别，现分别开展分析。
24.在对耐高压水罐加压后，被试固体火箭发动机垂直安装时的整体结构在轴向上受重力、内外压力以及弹性件对柔性接口内法兰上的弹力作用，由轴向受力平衡得：
25.f
外
+f
弹
＝f
内
+g
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
26.被试固体火箭发动机水平安装时的整体结构在轴向上受内外压力以及弹性件对柔性接口内法兰的弹力作用，由轴向受力平衡得：
27.f
外
+f
弹
＝f
内
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
28.式中，f
外
为外部大气压对整体结构施加的向内的压力，f
弹
为柔性接口弹性件对整体结构施加的弹力，f
内
为内部水压对整体结构施加的向外的压力，g为整体结构所受的重力；整体结构所受重力g有两部分组成，分别为柔性接口内法兰重力g
内法兰
和被试固体火箭发动机重力g
发动机
，并有以下关系：
29.g＝g
内法兰
+g
发动机
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
30.由式(1)、式(2)知，被试固体火箭发动机垂直安装时弹性件将承受更大的剪切力，故校核弹性件强度时，以被试固体火箭发动机垂直安装为校核标准。
31.柔性接口内法兰直径为φ1，被试固体火箭发动机封头直径为φ2，被试固体火箭发动机法兰直径为φ3，被试固体火箭发动机主体直径为φ4，耐高压水罐外部大气压强为p
气
，耐高压水罐内部水压为p
水
，且内外压强均匀分布在整体结构表面，则有以下关系式：
[0032][0033][0034]
将式(4)、式(5)代入式(1)，进一步地，有：
[0035][0036]
根据力的相互性原理，柔性接口弹性件所受力与f
弹
大小相等，方向相反，记为f
弹
′
，则有：
[0037]f弹
′
＝f
弹
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0038]
弹性件厚度为h1，增强件厚度为h2，且二者宽度均为l。每一层弹性件所受剪切力大小均为f
弹
′
，但由于越靠近外层的弹性件直径越大，所受剪切应力越小，最内侧弹性件变形量是最大的，因此只需校核最内侧弹性件强度即能够满足强度要求。
[0039]
由于弹性件以及增强件厚度、宽度均较小，应力均匀分布，取最内侧弹性件的中间层计算所受应力τ：
[0040][0041]
式中a
弹1
为最内侧弹性件的中间层等效面积。
[0042]
将式(3)、式(6)、式(7)代入式(8)，进一步地，有：
[0043][0044]
由于h1远远小于φ1，式(9)可进一步简化为：
[0045][0046]
只需令τ小于弹性件材料剪切应力极限τ
max
即可，即：
[0047]
τ＜τ
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0048]
则当前柔性接口弹性件所选用材料以及弹性件厚度h1、宽度l等尺寸能够满足设计需求。
[0049]
本发明公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，测量在深水高压环境下的固体火箭发动机推力以及水平点火时产生的轴向推力损失，包括如下步骤：
[0050]
步骤一、测量在深水高压环境下的固体火箭发动机推力；
[0051]
通过柔性接口将被试固体火箭发动机垂直安装于耐高压水罐底部壁面中央位置的开口上，随后对耐高压水罐进行注水并通入一定量高压气体，以模拟深水高压环境；
[0052]
安装传感器安装台架，并使用高精度拉压力传感器将被试固体火箭发动机与传感器安装台架连接起来；
[0053]
被试固体火箭发动机点火，产生推力，由于柔性接口的使用，可以使被试固体火箭发动机产生的推力传导至高精度拉压力传感器上，高精度拉压力传感器测得在深水高压环境下的被试固体火箭发动机推力；
[0054]
步骤二、测量在深水高压环境下的固体火箭发动机水平点火时产生的轴向推力损失；
[0055]
通过柔性接口将被试固体火箭发动机水平安装于耐高压水罐侧壁面靠下位置的开口上，随后对耐高压水罐进行注水并通入一定量高压气体，以模拟深水高压环境；
[0056]
安装传感器安装台架，并使用高精度拉压力传感器将被试固体火箭发动机与传感器安装台架连接起来；
[0057]
被试固体火箭发动机点火，产生推力，由于柔性接口的使用，可以使被试固体火箭发动机产生的推力传导至高精度拉压力传感器上，高精度拉压力传感器测得在深水高压环境下的被试固体火箭发动机轴向推力；
[0058]
由于重力以及浮力的作用，被试固体火箭发动机喷出的高速高温燃气会形成燃气泡并受重力、浮力作用而上浮，因此被试固体火箭发动机水平安装时产生的推力方向会与轴向产生一定夹角，出现轴向推力损失；
[0059]
由于被试固体火箭发动机垂直安装时不会产生推力损失，因此对比被试固体火箭发动机水平安装时以及垂直安装时的推力差异，即可测得在深水高压环境下的被试固体火箭发动机水平点火时产生的轴向推力损失。
[0060]
有益效果：
[0061]
1、相比较于传统的固体火箭发动机推力测试，本发明公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，能够保证被试固体火箭发动机工作在模拟深水环境中，同时又使得测试设备以及点火电缆等处于常压大气环境中，不需要对设备做严密的防水处理，显著简化测试流程，避免由于设备防水失效造成的测试失败。
[0062]
2、本发明公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，既能够对垂直安装的发动机进行推力测试，又能够对水平安装的发动机进行推力测试，从而计算出水平点火的固体火箭发动机在深水高压环境下产生的轴向推力损失。
[0063]
3、本发明公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，只需令被试固体火箭发动机封头能够与柔性接口内法兰相匹配，即能够对不同尺寸的固体火箭发动机推力进行测试。
附图说明
[0064]
图1为本半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置(被试固体火箭发动机垂直安装)的正视图；
[0065]
图2为本半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置(被试固体火箭发动机垂直安装)的侧视图；
[0066]
图3为本半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置(被试固体火箭发动机垂直安装)的俯视图；
[0067]
图4为本半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置的柔性接口结构图；
[0068]
图5为本半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置的被试固体火箭发动机以及柔性接口内法兰整体结构轴向受力示意图(被试固体火箭发动机垂直安装)；
[0069]
图6为本半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置的柔性接口弹性件受力形变示意图。
[0070]
其中，1—水罐主体；2—水罐顶盖；3—柔性接口；4—密封堵盖；5—观察窗；6—传感器安装台架导轨；7—高精度拉压力传感器；8—传感器安装台架；9—进水口；10—进气口；11—排气口；12—线缆开口；13—排水口；14—固体火箭发动机主体；15—固体火箭发动机封头；2-1—柔性接口外法兰；2-2—柔性接口内法兰；2-3—弹性件；2-4—增强件。
具体实施方式
[0071]
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合说明书附图对发明内容做进一步说明。
[0072]
本发明的目的是在测试设备以及点火线缆等处于常压大气环境中且不需要做严密防水处理的前提下，测得固体火箭发动机深水推力，并进一步测得固体火箭发动机在深水高压环境水平点火时的轴向推力损失。
[0073]
如图1至图3所示，本实例公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，设计需求为模拟300m水深环境，并由耐高压水罐、柔性接口3、被试固体火箭发动机、高精度拉压力传感器7和传感器安装台架8组成，具体如图。
[0074]
耐高压水罐主要由水罐主体1、水罐顶盖2以及传感器安装台架导轨6三部分组成。水罐顶盖2上开有一个进水口9、一个进气口10、一个排气口11、一个线缆开口12，水罐主体1底部壁面中央位置以及侧壁面靠下位置各开有一个开口，用以连接柔性接口3，水罐主体1侧壁面开有一个观察窗5，水罐主体1底部壁面边缘开有一个排水口13。
[0075]
被试固体火箭发动机由与柔性接口3相匹配的固体火箭发动机封头15以及固体火箭发动机主体14组成，被试固体火箭发动机总重g
发动机
为56.0561n。
[0076]
如图4所示，柔性接口3由柔性接口外法兰2-1、柔性接口内法兰2-2以及位于两者之间的四层弹性件2-3和四层增强件2-4组成，四者之间由强力粘结剂粘接，其中柔性接口内法兰2-2直径φ1为62mm，弹性件2-3厚度h1为3mm，增强件2-4厚度h2为2mm，弹性件2-3以及
增强件2-4宽度l均为15mm，柔性接口内法兰2-2重力g
内法兰
为24.2374n。弹性件2-3所用材料为人造橡胶，其剪切应力极限τ
max
为40～70mpa。
[0077]
对柔性接口弹性件2-3进行剪切应力极限校核，应用上述式(8)、式(9)求得：
[0078][0079]
则当前柔性接口弹性件2-3所选用材料以及弹性件厚度、宽度等尺寸能够满足设计需求。
[0080]
步骤一、测量在300m水深环境下的固体火箭发动机推力：
[0081]
将柔性接口3与耐高压水罐底部壁面上的开口通过法兰连接起来，耐高压水罐侧壁面上的开口通过密封堵盖4密封。
[0082]
打开耐高压水罐顶盖2，将被试固体火箭发动机通过水罐内部安装在柔性接口3上，二者之间通过螺纹连接，被试固体火箭发动机由位于耐高压水罐内部的台架限制径向以及扭转运动。
[0083]
安装水罐顶盖2。
[0084]
关闭水罐底部的排水口13，开启水罐顶盖上的进水口9，开始进水，等待进水量达到水罐容积的4/5左右停止进水，关闭进水口9。
[0085]
水罐顶盖2内测安装有压力传感器，并通过水罐顶盖2上的线缆开口12与位于水罐外的压力监测设备相连接。开启水罐顶盖2上的进气口10，并通入高压气体，待水罐内压力达到设计的水深处压力时，停止进气，关闭进气口10。
[0086]
将高精度拉压力传感器7与被试固体火箭发动机封头15相连接，并通过线缆接入外部推力监测设备。
[0087]
将传感器安装台架8缓缓推入传感器安装台架导轨6，连接高精度拉压力传感器7。向传感器安装台架8施加一定预紧力，直至外部推力监测设备监测到一略小数值，立即使用螺栓将传感器安装台架8固定在传感器安装台架导轨6上。
[0088]
将高精度拉压力传感器7监测数值归零。
[0089]
由于固体火箭发动机在点火后会喷出大量燃气，会进一步升高水罐内压力，因此对位于水罐顶盖2上的压力传感器进行实时监测，水罐内压力高于设计值时打开排气口11，关闭进气口，进行排气，水罐内压力低于设计值时则关闭排气口11，打开进气口10，进行进气，保证水罐内压力始终维持在设计值。
[0090]
至此，整个半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置(被试固体火箭发动机垂直安装)已搭建完成。
[0091]
被试固体火箭发动机点火之后，产生推力，高精度拉压力传感器7受到推力挤压作用，并将推力数值信息实时传回到外部推力监测设备，测得在300m水深环境下的被试固体火箭发动机推力。
[0092]
步骤二、测量在300m水深环境下的固体火箭发动机水平点火时产生的轴向推力损失：
[0093]
将柔性接口3与耐高压水罐侧壁面上的开口通过法兰连接起来，耐高压水罐底部壁面上的开口通过密封堵盖4密封。
[0094]
打开耐高压水罐顶盖2，将被试固体火箭发动机通过水罐内部安装在柔性接口3
上，二者之间通过螺纹连接，被试固体火箭发动机由位于耐高压水罐内部的台架限制径向以及扭转运动。
[0095]
安装水罐顶盖2。
[0096]
关闭水罐底部的排水口13，开启水罐顶盖上的进水口9，开始进水，等待进水量达到水罐容积的4/5左右停止进水，关闭进水口9。
[0097]
水罐顶盖2内测安装有压力传感器，并通过水罐顶盖2上的线缆开口12与位于水罐外的压力监测设备相连接。开启水罐顶盖2上的进气口10，并通入高压气体，待水罐内压力达到设计的水深处压力时，停止进气，关闭进气口10。
[0098]
将高精度拉压力传感器7与被试固体火箭发动机封头15相连接，并通过线缆接入外部推力监测设备。
[0099]
将传感器安装台架8缓缓推入传感器安装台架导轨6，连接高精度拉压力传感器7。向传感器安装台架8施加一定预紧力，直至外部推力监测设备监测到一略小数值，立即使用螺栓将传感器安装台架8固定在传感器安装台架导轨6上。
[0100]
将高精度拉压力传感器7监测数值归零。
[0101]
由于固体火箭发动机在点火后会喷出大量燃气，会进一步升高水罐内压力，因此对位于水罐顶盖2上的压力传感器进行实时监测，水罐内压力高于设计值时打开排气口11，关闭进气口，进行排气，水罐内压力低于设计值时则关闭排气口11，打开进气口10，进行进气，保证水罐内压力始终维持在设计值。
[0102]
至此，整个半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置(被试固体火箭发动机水平安装)已搭建完成。
[0103]
被试固体火箭发动机点火之后，产生推力，高精度拉压力传感器7受到推力挤压作用，并将推力数值信息实时传回到外部推力监测设备，测得在300m水深环境下的被试固体火箭发动机水平点火时的推力。
[0104]
对比被试固体火箭发动机水平安装以及垂直安装时的推力差异，测得在300m水深环境下的固体火箭发动机水平点火时产生的轴向推力损失。
[0105]
通过使用柔性接口3，使得被试固体火箭发动机可以工作在模拟深水环境中，同时使得高精度拉压力传感器7、点火线缆等各种测试设备处于常压大气环境而无需做防水处理，显著简化测试流程，并能够进一步避免由于设备防水失效造成的测试失败。
[0106]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，其特征在于：主要由耐高压水罐、柔性接口、被试固体火箭发动机、高精度拉压力传感器和传感器安装台架组成；耐高压水罐由水罐主体、水罐顶盖和传感器安装台架导轨三部分组成，其中水罐顶盖和水罐主体之间由法兰连接，传感器安装台架导轨固定连接在水罐主体上；水罐顶盖上开有一个进水口、一个进气口、一个排气口、一个线缆开口；水罐主体底部壁面中央位置以及侧壁面靠下位置各开有一个开口，用以连接柔性接口；水罐主体侧壁面另开有一个观察窗，底部壁面边缘开有一个排水口；被试固体火箭发动机由固体火箭发动机封头以及固体火箭发动机主体组成，固体火箭发动机封头和固体火箭发动机主体通过法兰固定连接；柔性接口由内、外法兰以及位于两者之间的若干弹性件以及增强件组成，内法兰、外法兰、弹性件、增强件之间固定连接；其中柔性接口外法兰与耐高压水罐底部壁面中央位置或侧壁面上的开口连接，柔性接口内法兰与被试固体火箭封头固定连接；弹性件与增强件组合会发生剪切形变，使得柔性接口内法兰以及与之连接的被试固体火箭发动机实现小位移量的轴向运动，进一步使得被试固体火箭发动机推力传导至高精度拉压力传感器上；传感器安装台架固定安装在耐高压水罐的传感器安装台架导轨上；高精度拉压力传感器与被试固体火箭发动机封头以及传感器安装台架相连接，并通过线缆接入外部推力监测设备。2.如权利要求1所述一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，其特征在于：确定弹性件材料、尺寸满足设计需求的方法如下，测试过程中柔性接口会受到剪切力作用，所述剪切力包括耐高压水罐内外压差产生的压力和被试固体火箭发动机点火产生的推力，被试固体火箭发动机垂直安装时所述剪切力还会包括被试固体火箭发动机自身的重力；在所述剪切力作用下，会使得柔性接口产生一定程度的轴向变形，柔性接口轴向变形量为μ，每一层弹性件的轴向位移量为μ
n
，有μ＝∑μ
n
；需要保证每一层弹性件所受到的切应力小于弹性件所用材料的极限抗剪强度；无论被试固体火箭发动机垂直安装或是水平安装，所述柔性接口最大轴向变形量均出现在对耐高压水罐加压后，对此时的被试固体火箭发动机以及柔性接口内法兰整体进行受力分析，将被试固体火箭发动机以及柔性接口内法兰整体命名为整体结构；整体结构呈轴对称，径向上的压力相互抵消；在对耐高压水罐加压后，被试固体火箭发动机垂直安装时的整体结构在轴向上受重力、内外压力以及弹性件对柔性接口内法兰的弹力作用，由轴向受力平衡得：f
外
+f
弹
＝f
内
+g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)被试固体火箭发动机水平安装时的整体结构在轴向上受内外压力以及弹性件对柔性接口内法兰的弹力作用，由轴向受力平衡得：f
外
+f
弹
＝f
内
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，f
外
为外部大气压对整体结构施加的向内的压力，f
弹
为柔性接口弹性件对整体结构施加的弹力，f
内
为内部水压对整体结构施加的向外的压力，g为整体结构所受的重力；整体结构所受重力g有两部分组成，分别为柔性接口内法兰重力g
内法兰
和被试固体火箭发动机重力g
发动机
，并有以下关系：g＝g
内法兰
+g
发动机
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
由式(1)、式(2)知，被试固体火箭发动机垂直安装时弹性件将承受更大的剪切力，故校核弹性件强度时，以被试固体火箭发动机垂直安装为校核标准；柔性接口内法兰直径为φ1，被试固体火箭发动机封头直径为φ2，被试固体火箭发动机法兰直径为φ3，被试固体火箭发动机主体直径为φ4，耐高压水罐外部大气压强为p
气
，耐高压水罐内部水压为p
水
，且内外压强均匀分布在整体结构表面，则有以下关系式：，且内外压强均匀分布在整体结构表面，则有以下关系式：将式(4)、式(5)代入式(1)，进一步地，有：根据力的相互性原理，柔性接口弹性件所受力与f
弹
大小相等，方向相反，记为f
弹
′
，则有：f
弹
′
＝f
弹
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)弹性件厚度为h1，增强件厚度为h2，且二者宽度均为l；每一层弹性件所受剪切力大小均为f
弹
′
，但由于越靠近外层的弹性件直径越大，所受剪切应力越小，最内侧弹性件变形量最大，最内侧弹性件所受剪切应力最大；由于弹性件以及增强件厚度、宽度均较小，应力均匀分布，取最内侧弹性件的中间层计算所受应力τ：式中a
弹1
为最内侧弹性件的中间层等效面积；将式(3)、式(6)、式(7)代入式(8)，进一步地，有：由于h1远远小于φ1，式(9)进一步简化为：令τ小于弹性件材料剪切应力极限τ
max
，即：τ＜τ
max
ꢀꢀ
(11)则当前柔性接口弹性件所选用材料以及弹性件厚度h1、宽度l等尺寸能够满足设计需求。
3.如权利要求1所述一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，其特征在于：弹性件的材料包括天然橡胶、硅橡胶；增强件的材料包括高强度合金和增强树脂基复合材料；所述弹性件与增强件相互交替粘接在一起。4.如权利要求1所述一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，其特征在于：被试固体火箭发动机由与柔性接口内法兰相匹配的固体火箭发动机封头和固体火箭发动机主体组成，被试固体火箭发动机由位于耐高压水罐内部的台架限制径向以及扭转运动。5.采用如权利要求1至4任意一项所述的装置进行测试的方法，其特征在于：测量在深水高压环境下的固体火箭发动机推力以及水平点火时产生的轴向推力损失，包括如下步骤：步骤一、测量在深水高压环境下的固体火箭发动机推力；通过柔性接口将被试固体火箭发动机垂直安装于耐高压水罐底部壁面中央位置的开口上，随后对耐高压水罐进行注水并通入一定量高压气体，以模拟深水高压环境；安装传感器安装台架，并使用高精度拉压力传感器将被试固体火箭发动机与传感器安装台架连接起来；被试固体火箭发动机点火，产生推力，由于柔性接口的使用，可以使被试固体火箭发动机产生的推力传导至高精度拉压力传感器上，高精度拉压力传感器测得在深水高压环境下的被试固体火箭发动机推力；步骤二、测量在深水高压环境下的固体火箭发动机水平点火时产生的轴向推力损失；通过柔性接口将被试固体火箭发动机水平安装于耐高压水罐侧壁面靠下位置的开口上，随后对耐高压水罐进行注水并通入一定量高压气体，以模拟深水高压环境；安装传感器安装台架，并使用高精度拉压力传感器将被试固体火箭发动机与传感器安装台架连接起来；被试固体火箭发动机点火，产生推力，由于柔性接口的使用，可以使被试固体火箭发动机产生的推力传导至高精度拉压力传感器上，高精度拉压力传感器测得在深水高压环境下的被试固体火箭发动机轴向推力；由于重力以及浮力的作用，被试固体火箭发动机喷出的高速高温燃气会形成燃气泡并受重力、浮力作用而上浮，因此被试固体火箭发动机水平安装时产生的推力方向会与轴向产生一定夹角，出现轴向推力损失；由于被试固体火箭发动机垂直安装时不会产生推力损失，因此对比被试固体火箭发动机水平安装时以及垂直安装时的推力差异，即能够测得在深水高压环境下的被试固体火箭发动机水平点火时产生的轴向推力损失。

技术总结
本发明公开的一种半浸没式固体火箭发动机深水推力测试装置，属于水下自主动力发射武器推力测试领域。本发明主要由耐高压水罐、柔性接口、被试固体火箭发动机、高精度拉压力传感器、传感器安装台架组成。耐高压水罐由水罐主体、水罐顶盖和传感器安装台架导轨三部分组成。被试固体火箭发动机由固体火箭发动机封头和固体火箭发动机主体组成。柔性接口由内法兰、外法兰以及位于两者之间的若干弹性件、增强件组成。本发明通过采用柔性接口的方式将固体火箭发动机半浸没于水中，使得发动机可以工作在模拟深水环境中的同时令测试设备等处于常压大气环境中，避免对设备做严密防水处理，进一步简化测试流程，同时避免由于防水失效造成的推力测试失败。成的推力测试失败。成的推力测试失败。


技术研发人员：司鹏飞 李世鹏 石琳 王德友 刘淑玮 冯慕杨
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/4