固体火箭发动机燃气舵推力矢量控制系统是在固体火箭发动机的基础上利用燃气舵控制发动机产生推力在三维坐标上的分量，具有结构简单、质量轻、扭矩大、体积小、成本低、驱动功率小、频率响应快和能实现俯仰、偏航与滚转三个方向的控制等优点，全套矢量控制一体化的燃气舵可在其工作完成后抛除，在很短的时间或者很低的高度上完成弹体姿态角的大角度转动，是现代导弹及制导武器系统快速机动的有效途径。因此，以固体火箭发动机设计为起始获得满足推力及总冲要求的导弹，接着根据导弹机动特性设计用于推力矢量控制的燃气舵，最后以实验方法为基础对固体火箭发动机的推压力特性以及安装有燃气舵的固体火箭发动机的推力矢量特性进行试验研究，完成固体火箭发动机燃气舵推力矢量控制系统的系列化设计及实验研究工作。具体而言，本虚拟仿真实验项目的具体内容如下：

（1） 固体火箭推力矢量系统认知。

（2） 固体火箭推力矢量系统设计，主要包含固体火箭发动机设计与燃气舵设计两大部分。

固体火箭发动机作为固体火箭推力矢量系统中能量的来源，固体火箭发动机主要由固体推进剂、燃烧室、点火器、尾喷管等部分组成。其中，固体推进剂主要有双基推进剂、改性双基推进剂以及复合推进剂等三大类，同时含有燃料及氧化剂，在点火器产生的高温高压燃气的作用下被点燃后产生高温高压燃气并维持推进剂的稳定燃烧，将燃料所具有的化学能转化为热能，通过发动机的尾喷管产生推力，从而推动飞行器的快速飞行。固体火箭发动机燃烧室为推进剂燃烧提供燃烧的空间并作为导弹及智能弹药壳体的一部分。在固体火箭发动机的设计过程中，以发动机推力、总冲量及关键结构极限为设计指标，对装药类型，燃烧室、连接底、喷管结构，喷管热防护及点火药量等内容加以设计与计算。

燃气舵是固体火箭推力矢量控制系统中常用的操控部件，通过燃气舵的偏转操作，可以令以固体火箭发动机作为动力的导弹系统具备高机动性，其设计应满足以下要求：1）具有足够接近常值的升力梯度以满足最大升力控制要求；2）燃气舵差动时需满足总体对横滚控制要求；3）保证燃气舵阻力小以减小发动机的推力损失，舵面铰链力矩及其在整个工作期间变化要相对较小以降低对舵机功率的要求；4）燃气舵尺寸尽可能小但要满足强度和刚度的要求，安装位置要合理，便于后续附属零部件的结构设计及安装；5）当燃气舵偏转至最大角度时，不能产生机械干涉。

固体火箭推力矢量性能分析与优化实验。利用燃气舵实现固体火箭高机动性能的系统，发动机设计的合理性、安全性，以及燃气舵性能的稳定性与可靠性，是检验固体火箭推力矢量系统的基准条件。为此，本项目首先通过高精度推压力仿真实验教学系统，真实模拟实验前准备工作，主要模拟固体火箭发动机推力-时间、压力-时间等内弹道参数的实验过程，针对实验中可能发生的特殊情况加以应急处理，使学生掌握高精度推压力实验系统的使用方法，为开展高精度推压力实验系统实践教学奠定基础。然后，本项目在六分力虚拟仿真教学实验台上，通过在实验台两个平行平面六个座标轴方向上合理布置传感器，可测量到推力在六个座标轴的分量及其对空间三个轴的力矩分量，再把各分量合成，即可求得发动机的推力向量，进而求出发动机的推力偏心参数。最后利用虚拟高精度推压力实验台及六分力实验台，通过改变固体火箭装药结构、燃气舵结构等结构参数，研究研究上述因素的变化对固体火箭推力矢量系统的合理性、安全性、稳定性与可靠性的影响，从而获得固体火箭推力矢量系统的设计、性能测试及与性能分析的深刻认知。

1）专业与年级要求

本实验项目主要面向航空宇航科学与技术中的飞行器设计等方向的大三、打死学生，同时也是飞行器动力、武器系统与工程等相关专业的实验课程。

2）基本知识和能力要求

使用本虚拟仿真实验系统学习前，对于参加实验和实践的飞行器设计与工程专业、武器系统与工程专业的大一、大二学生，要求学生已经较为系统地学习了工程流体力学、热力学等课程；对于参加工程实践和实习的大三、大四学生，要求较系统地完成《固体火箭发动机设计》、《弹箭姿态控制系统设计基础》、《导弹制导与控制技术》等专业课程的学习，已经掌握固体火箭推力矢量的基本理论，在专业能力方面要求学生对固体火箭发动机、燃气舵的结构，工作原理及性能的特点，对相应的理论知识有着深入的理解与认知。

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。

虚拟仿真实验成绩通过固体火箭、固体火箭冲压发动的拆装过程考核对上述动力装置结构的认知能力，系统可自动对学生的操作步骤进行评分。

在设计及实验之前，对实验过程中需要使用到的推力传感器、压力变送器、温度变送器进行标定，掌握点火药包制作流程，对学生操作步骤加以评分。

通过对固体火箭装药设计获得满足设计要求的固体火箭发动并在推压力高精度实验台、旋转实验台及六分力实验台上实验测量发动机的推力、压力推力偏心以及高速旋转对固体火箭的性能的影响，设计及实验完成后对设计流程、操作步骤及结果处理加以评分。从实验预习、实验操作、实验结果、实验报告，四方面综合考核和评价学生的学习实效。具体考核要求、评分细则及比例见表1

表1 虚拟设计与仿真实验考核要求及评分细则表

考核要求

考核内容

评分细则

实验预习（15%）

预习考核（网上提交）

10

实验目的，任务及背景知识

5

实验操作（35%）

操作步骤是否清晰，数据记录是否准确

10

仪器操作方法是否正确、规范

15

对实验现象观察是否仔细

10

实验结果（15%）

数据分析、处理是否正确

15

实验习题（10%）

习题解答是否正确

10

实验报告（25%）

实验目的、原理、实验操作步骤，实验数据记录与处理，注意事项，对实验的评价和建议等是否完整

15

对实验结果的分析、讨论是否充分

10