项目背景及目的：针对火箭在空中的姿态调节，前期做过有关TVC固体矢量发动机的研发工作，但是由于实验测试的故障导致发动机烧毁，因此打算重新做一台新的发动机。一方面前期只是对燃料进行测试，并未对发动机进行推力测试，所以重新做发动机。另一方面在前期制作中发现了许多火箭发动机设计中的不足，特此进行性能优化。通过研发矢量发动机可保障固体火箭在高空自主进行姿态可控调节，保持火箭的飞行安全。针对发动机主要从姿态调节与推力测试方面进行分析

1.要满足火箭上升过程中要呈类直线飞行。

2.对飞行过程中空中气流对火箭姿态的影响要起可控调节。

3.获取一定实验数据为以后的迭代升级提供基础。

4.进行矢量控制，可以对火箭的飞行过程提供安全，从而避免火箭变成窜天鼠。

发动机姿态可控调节：

固体火箭发动机采用球座全向摆动偏流环喷流致偏器推力向量控制系统，该矢量控制系统可以实现全向摆动，最大推力偏向角为15度。偏流环偏转时扰动燃气，引起气流偏转，实现对推力的偏向。其中F4V3飞控的一个关键部件是陀螺仪，它能够感知到火箭姿态的变化，一旦姿态发生变化，向一侧倾斜了，控制系统就会根据倾斜的量，控制燃料推力方向，修正偏差，保持火箭姿态。再加上火箭通过矢量喷口和前置翼的配合下，方可实现火箭整体对俯仰、偏航方向的控制，最后再通过前置鸭翼相对调节对火箭进行滚转控制。因本人前期准备不足，并未来的及进行CFD仿真，因此姿态调节具体动画图引用B站博主的图进行展示。

前置鸭翼姿态调节

球座全向摆动偏流环喷流致偏器推力向量控制系统

F4V3飞控接线图

补充内容：

球座全向摆动偏流环喷流致偏器推力向量控制系统在设计上，作动力臂向后弯曲，与球头的连接处正好与球座中心面共面，保证推杆量正交，使得X、Y轴的控制互相独立，互不干扰。     

发动机推力方面的计算：

在火箭发动机推力计算准备阶段，搜集了燃料KNSB的有关数据如下所示：

标准配方: KN（硝酸钾）65% SB(山梨醇)35%

燃烧产物: 二氧化碳 一氧化碳 水 氢气 氧气 氮气 碳酸钾 氢氧化钾

理论比冲: 164s

理论特征速度: 938m/s

实际特征速度: 914m/s

理论燃烧温度: 1327摄氏度

实际燃烧温度: 1247摄氏度

理论密度: 1.841g/cm^3

熔铸密度: 1.82g/cm^3

开始计算：（计算内容部分引用KC博主的）

火箭发动机推力公式：F=m˙⋅ue+Ae⋅(Pe−Pa)

F—发动机的推力，单位【N】

m˙—发动机的质量流量，单位【kg/s】

ue—火箭发动机的喷气速度，单位【m/s】

Ae—火箭发动机喷管出口处的截面积，单位【m2】

Pe—火箭发动机喷管出口处截面的压强，单位【Pa】

Pa—当地的大气压，单位【Pa，帕】

对于业余火箭，出口截面压力测量是困难的。制作的发动机出口截面积都比较小，压强也较小，因此由于压力引起的推力“Ae⋅(Pe−Pa)”是很小的，因此可以完全可以忽略。故计算公式简化为：F=m˙⋅ue

注：平均质量流量计算：m˙=m/t

m为燃料质量

注：ρ取KNSB的熔铸密度

已知：ρ=1.82g/cm^3，设计中的发动机燃料管内径50mm高250mm，故V=πr^2•h，π取3.14，因此的V=490.7cm^3（该结果是估值）

所以的最终得m=ρv=893.1g=0.8931kg（估值），但是在制作过程中质量肯定大于该值。

t为燃料燃烧时间,t=3s

最终得m˙=m/t=0.2977kg/s

由准备的KNSB数据可得实际特征速度为914m/s因此ue=914m/s

故可得F=m˙⋅ue=272.1N(估值)

最终推力理论值在272.1N

发动机推力测试：

（1）测试内容方案设计：

1.对球座全向摆动喷流致偏器在舵机下的是否可以正常运转。

2.没加矢量控制的发动机燃料测试（主要是测推力数据和发动机压力）

3.矢量控制下的发动机燃料测试（主要测发动机推力数据，和矢量控制系统是否能够正常工作，是否满足姿态调节能力）

（2）测试平台的设计：

在制作过程本人是在科创看了一些有关测试平台搭建关资料，因此对新平台还未彻底搭建好。但是在前期对推理的测试，本人采用的是电子拉力计测推力，这种方式简便，但需要对数据变化进行拍摄，只能一帧一帧分析。对此本人对电子拉力计进行了改装，改装了拉力计前端拉钩设计，将拉钩去掉，将自制转化力方向的结构连接在传感螺丝上，当推力与拉力方向同向时，需要进行力转化，使得推力转化到两边的力转化杆上，然后通过与力转化连接杆将力全部转化到拉力计上，由于电子显示屏在拉力计上不容易看见实验数据变化，因此将显示屏连接到拉力计外显示，便于实验数据分析。以上就是对简易推力测试平台的设计。

（3）测试结果数据统计：

由于是用简易推力测试平台进行设计，那么只能一帧一帧的对显示屏数据变化进行分析，最终要得出最大推力和平均推力。同样要对推力进行手工画曲线图，以毫秒为X轴，牛顿为Y轴即可，这样是便于对推力整体变化进行分析。

补充：前期对火箭发动机测试视频

QQ视频_c0dec97f7080d9bcfdecd18f815578d51659963272.mp4 点击下载 ‎

研究成果固定方式：

后期发动机制作视频会在KC、抖音、B站上进行发布，另外会将简易推力测试平台制作方案将在KC发表。