燃气舵最早主要应用于飞出大气层的弹道导弹上,以期在没有空气的情况下利用使用燃气舵产生推力偏心来控制导弹的飞行姿态。对于采用垂直冷发射的防空导弹,垂直出筒一定高度后需要马上转向飞行目标方向,但此时导弹的速度很慢,只能通过燃气舵来实现导弹转向的目的。此外,现代先进的空空导弹都强调具有“越肩发射”能力,即导弹发射后必须迅速进行180度转弯。此时,燃气舵更易实现小范围内大角度转弯快速机动的需求。因此,提高固体火箭发动机推力矢量控制系统设计水平及实验能力,对于提高我国制导导弹的人才培养以及武器装备研制水平有着积极地意义。
本固体火箭发动机推力矢量虚拟设计与仿真实验系统构建的依据和目标如下:
1, 必要性。对设计的固体火箭发动机推力矢量系统必须研究发动机及其矢量控制系统的性能,对于用户:(1)固体火箭发动机设计的好坏对于制导导弹系统的安全性至关重要;(2)固体火箭发动机燃气舵及其控制系统设计受发动机推压力特性的影响;(3)高昂的实战成本使得固体火箭发动机燃气舵推力矢量变化规律及控制系统设计必须使用地面实验方法加以研究。传统性能试验不仅要测量设计工况下固体火箭发动机推压力特性以及燃气舵矢量控制性能,还需要研究燃气舵在飞设计工况下的性能。此外,为了提高设计精度,考核其工作的可靠性与稳定性,也有必要开展实验教学。
2, 安全性。固体火箭发动机的燃气舵是对其进行矢量控制的有效方式之一。采用试验方法对其性能进行操作特性进行系统研究是必要手段及途径,但实验过程找那个涉及到危爆物品(黑火药、固体推进剂)以及高温高压燃气,受其安全性评估的影响,无法开展学生实操的实践教学。
3, 经济性。固体火箭发动机及其推力矢量特性的性能试验时检验设计能否达到要求的唯一途径,设计—实验—设计—实验的循环的工作过程,已成为降低其设计、生产成本的重要内容。昂贵且消耗巨大的固体推进剂与火工品,大量的实验准备及调试工作,极大限制了涉危涉爆教学实验的开展的能力。
4, 限制性。固体火箭发动机燃气舵推力矢量特性是使用燃气舵控制固体火箭发动机推力矢量的大小及方向,高温高压的复杂湍流流动特性导致固体火箭发动机燃气舵推力矢量特性非常复杂,实验过程中需要使用大量的精密测试测量设备,负责且恶劣的工作环境导致测试的精度严重依赖于操作者的经验。此外,装备燃气舵的固体火箭发动机是一次性使用的特种动力装置,恶劣的工作环境及复杂多变的工作性能,限制了固体火箭发动机燃气舵推力矢量的深入研究。
因此,开展固体火箭发动机推力矢量特性的虚拟仿真教学,对于提高固体火箭发动机燃气舵推力矢量特性的深入研究,开展安全的、不依赖于操作者经验的且不受经济成本及时间成本限制的实践教育教学,对于发展我国智能弹药、制导导航导弹从业人员的理论认知水平、设计能力及综合分析的素质有着积极意义。