一种用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置的制作方法

1.本发明属于高超声速脉冲风洞试验设备领域，具体涉及一种用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置。


背景技术：

2.横向喷流控制是借助喷流反作用力和喷流与来流相互作用产生的干扰力，对飞行器进行姿态控制或提供直接机动力的一种控制方法。与传统的气动舵控制相比，横向喷流控制适用于全速域和全空域，具有响应快、效率高的显著特点，有利于减小飞行器的气动控制面、减轻重量和减小阻力。无升力再入飞行器（如飞船返回舱）、升力式再入飞行器 （如航天飞机、x
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37b、x
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38、htv
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2等）和高速拦截导弹（如pac
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3、thaad等）等飞行器上都用到了横向喷流控制技术。
3.但是，在高超声速飞行过程中，rcs喷流与飞行器绕流相互干扰，其干扰区热环境十分复杂、产生局部高热流，造成热环境预测和防热设计困难。由于喷流干扰的复杂性，风洞试验模拟是一种必要的研究手段。
4.在高超声速脉冲风洞中，喷流干扰模拟并非成熟的常规试验技术，关键技术在于设计形成满足模拟要求、参数稳定可靠，且能够与有效时间仅毫秒级的风洞试验气流同步的喷流发生装置。
5.当前，亟需发展一种用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置。
7.本发明的用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置，其特点是，所述的瞬态喷流试验装置包括喷流试验模型、气源供应系统、快速同步控制系统和喷流参数测量装置；喷流试验模型喷出稳定喷流；气源供应系统提供稳定喷流所需的稳定气源，快速同步控制系统保证稳定喷流形成时间与脉冲风洞主流形成时间同步；同时，气源供应系统保证稳定喷流的持续时间超过脉冲风洞主流的有效试验时间，快速同步控制系统在达到设定的稳定喷流时长后自动关闭气源供应系统；喷流参数测量装置用于喷流试验前测定模型喷出稳定喷流的流场参数；所述的喷流试验模型安装在脉冲风洞的试验段，包括模型本体，还包括在模型本体内部安装的拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管的出口与模型本体表面圆滑过渡，拉瓦尔喷管的入口连接气源供应系统的通气软管，拉瓦尔喷管喷出所需马赫数的超声速的稳定喷流；所述的气源供应系统包括按气流方向顺序连接的气瓶组、储气管、小口径通气管和通气软管，还包括集成控制柜和真空泵；气瓶组、储气管位于脉冲风洞的试验段外部，小口径通气管通过试验段侧壁法兰伸入试验段；储气管上安装有用于测量储气管内气体压力的压力传感器和气体温度的和温度传感器；集成控制柜通过真空泵抽吸储气管内的余气，还通过压力传感器和温度传感器的反馈信号控制气瓶组进入储气管的介质气体的压力和
温度，提供稳定喷流所需的介质气体；所述的快速同步控制系统包括通过线缆连接的触发延时器、信号发生器、快速继电器和快速电磁阀；快速电磁阀位于喷流试验模型附近或内部，安装在气源供应系统的小口径通气管和通气软管之间；触发延时器，接受来自脉冲风洞激波管的压电传感器的电荷信号，转换为电压脉冲信号，并调整延迟时间以控制后续的快速电磁阀启动时间；信号发生器，接受来自触发延时器的电压脉冲信号，输出固定脉宽、电压的电平信号，用于快速继电器的接通与切断；快速继电器，接受来自信号发生器的电平信号，接通或切断快速电磁阀的开关电路，控制快速电磁阀的打开和关闭；所述的喷流参数测量装置在脉冲风洞喷流试验前，固定在喷流试验模型上，通过皮托压力探针、静压探针测量拉瓦尔喷管的出口气流参数。
8.进一步地，所述的喷流参数测量装置的l型的测量支架对称固定在喷管出口的两侧，l型的测量支架水平底脚固定在喷流试验模型的表面，竖直支柱垂直于喷流试验模型的表面；支架横梁支撑在竖直支柱上，楔形的传感器支座固定在支架横梁上，传感器支座的楔形尖劈正对喷管出口；传感器支座内部安装压力传感器，每个探针后端均连接传感器支座中的一个压力传感器；传感器支座后部套装有保护罩；探针前端向下伸出传感器支座、正对喷管出口；压力传感器的线缆向上伸出保护罩连接脉冲风洞测控系统；探针包括用于固定测量喷管出口超声速气流激波波后总压的皮托压力探针，和用于固定测量喷管出口静压的静压测量探针。
9.进一步地，所述的喷流参数测量装置传感器支座通过支架横梁进行横向移动，测量喷管出口径向不同位置的喷流参数；喷流参数测量装置的l型的测量支架的竖直支柱和支架横梁上设置有对应的轨道滑块机构，支架横梁通过轨道滑块机构带动传感器支座上下滑动，调整皮托压力探针或静压探针与喷管出口之间的高度。
10.进一步地，所述的气瓶组配备减压阀、安全泄压阀，通过不锈钢高压管连接到集成控制柜，集成控制柜通过控制柜面板进行监控，并操作气瓶组的充气、放气，保持气瓶组内气体介质具有稳定的气体压力、温度参数。
11.进一步地，所述的气瓶组中的气体介质为氮气、空气或者氦气中的一种。
12.进一步地，所述的储气管的充气控制阀、放气控制阀及抽空控制阀安装在集成控制柜内，通过控制柜面板操作储气管的充气、放空、抽空，监控并保持储气管内的气体介质具有稳定的气体压力、温度参数。
13.进一步地，所述的快速继电器为固态快速继电器，在1ms内接通220v交流电路，从而接通快速电磁阀的电源，打开快速电磁阀，启动喷流试验模型的稳定喷流。
14.进一步地，所述的快速电磁阀为自动触发、预设时长的先导型常闭快速电磁阀，开阀动作时间小于15ms。
15.本发明的用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的储气管利用路德维希管工作原理，出口端的快速电磁阀打开后，管内气流从出口端流出，同时在管内形成反向传播的膨胀波，膨胀波波头在储气管的底端反射后，再传播到出口端，在第一道膨胀波形成直到反射后到达出口端这一周期内，第一道膨胀波波后气流压力、温度将保持不变，这一段管内气流定义为1区，作为喷流供气气源。当反射膨胀波头到达出口端时，有效供气时间结束。采用直径较大的储气管，有利于降低1区气流马赫数，从而减小喷流总温与总压相对于初始充气
状态的偏离。
16.本发明的用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置适用的喷流试验模型包括楔模型、锥模型、平板模型或其他外形的气动热喷流试验模型。适用的高超声速脉冲风洞包括炮风洞、激波风洞、膨胀管风洞。
17.本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置所形成的稳定喷流能够与风洞主流达到同步建立，且持续时间超过风洞主流有效试验时间并在设定的喷流时长后自动关闭，能够模拟飞行器的反作用控制系统工作时形成的横向喷流与飞行器外部绕流的相互干扰形成的复杂流场结构，特别适用于模拟具有横向喷流的飞行器表面气动热环境。
18.本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置能够提供参数准确、稳定性和重复性好的喷流，以评估喷流干扰对飞行器气动特性的影响。同时，可以快速地实现喷流系统准备，并且可准确控制喷流喷注时间，节约了风洞试验的时间和成本。
附图说明
19.图1a为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的楔形喷流试验模型结构示意图（主视图）；图1b为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的楔形喷流试验模型结构示意图（俯视图）；图1c为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的楔形喷流试验模型的拉瓦尔喷管结构示意图（局部剖面图）；图2a为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置的结构示意图（主视图）；图2b为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置的结构示意图（俯视图）；图3a为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的喷流参数测量装置结构示意图（立体图）；图3b为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的喷流参数测量装置结构示意图（剖面图）；图3c为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的喷流参数测量装置结构示意图（侧视图）；图4a为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的喷流参数测量装置的静压测量探针结构示意图（主视图）；图4b为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的喷流参数测量装置的静压测量探针结构示意图（剖面图）；图5为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的储气管运行原理示意图；图6为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置的工作过程图；图7为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置中的喷流参数测量装置测得的皮托压力时间曲线和静压时间曲线；图8为本发明用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置获得的稳定喷流与喷流试验模型绕流时序同步调试曲线。
20.图中，1.储气管；2.小口径通气管；3.快速电磁阀；4.通气软管；5.拉瓦尔喷管；6.喷流试验模型；7.喷流参数测量装置；
701.测量支架；702.喷管出口；703.皮托压力探针；704.支架横梁；705.传感器支座；706.压力传感器；707.保护罩；708.静压测量探针。
具体实施方案
21.下面结合附图和实施例详细说明本发明。
22.本发明的用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置包括喷流试验模型6、气源供应系统、快速同步控制系统和喷流参数测量装置7；喷流试验模型6喷出稳定喷流；气源供应系统提供稳定喷流所需的稳定气源，快速同步控制系统保证稳定喷流形成时间与脉冲风洞主流形成时间同步；同时，气源供应系统保证稳定喷流的持续时间超过脉冲风洞主流的有效试验时间，快速同步控制系统在达到设定的稳定喷流时长后自动关闭气源供应系统；喷流参数测量装置7用于喷流试验前测定模型喷出稳定喷流的流场参数；如图1a、图1b、图1c所示，所述的喷流试验模型6安装在脉冲风洞的试验段，包括模型本体，还包括在模型本体内部安装的拉瓦尔喷管5，拉瓦尔喷管5的出口与模型本体表面圆滑过渡，拉瓦尔喷管5的入口连接气源供应系统的通气软管4，拉瓦尔喷管5喷出所需马赫数的超声速的稳定喷流；如图2a、图2b所示，所述的气源供应系统包括按气流方向顺序连接的气瓶组、储气管1、小口径通气管2和通气软管4，还包括集成控制柜和真空泵；气瓶组、储气管1位于脉冲风洞的试验段外部，小口径通气管2通过试验段侧壁法兰伸入试验段；储气管1上安装有用于测量储气管1内气体压力的压力传感器和气体温度的和温度传感器；集成控制柜通过真空泵抽吸储气管1内的余气，还通过压力传感器和温度传感器的反馈信号控制气瓶组进入储气管1的介质气体的压力和温度，提供稳定喷流所需的介质气体；所述的快速同步控制系统包括通过线缆连接的触发延时器、信号发生器、快速继电器和快速电磁阀3；快速电磁阀3位于喷流试验模型6附近或内部，安装在气源供应系统的小口径通气管2和通气软管4之间；触发延时器，接受来自脉冲风洞激波管的压电传感器的电荷信号，转换为电压脉冲信号，并调整延迟时间以控制后续的快速电磁阀3启动时间；信号发生器，接受来自触发延时器的电压脉冲信号，输出固定脉宽、电压的电平信号，用于快速继电器的接通与切断；快速继电器，接受来自信号发生器的电平信号，接通或切断快速电磁阀3的开关电路，控制快速电磁阀3的打开和关闭；所述的喷流参数测量装置7在脉冲风洞喷流试验前，固定在喷流试验模型6上，通过皮托压力探针703、静压探针测量拉瓦尔喷管5的出口气流参数。
23.进一步地，如图3a、图3b、图3c所示，所述的喷流参数测量装置7的l型的测量支架701对称固定在喷管出口702的两侧，l型的测量支架701水平底脚固定在喷流试验模型6的表面，竖直支柱垂直于喷流试验模型6的表面；支架横梁704支撑在竖直支柱上，楔形的传感器支座705固定在支架横梁704上，传感器支座705的楔形尖劈正对喷管出口702；传感器支座705内部安装压力传感器706，每个探针后端均连接传感器支座705中的一个压力传感器706；传感器支座705后部套装有保护罩707；探针前端向下伸出传感器支座705、正对喷管出口702；压力传感器706的线缆向上伸出保护罩707连接脉冲风洞测控系统；探针包括用于固定测量喷管出口702超声速气流激波波后总压的皮托压力探针703，和如图4a、图4b所示的用于固定测量喷管出口702静压的静压测量探针708。
24.进一步地，所述的喷流参数测量装置7传感器支座705通过支架横梁704进行横向移动，测量喷管出口702径向不同位置的喷流参数；喷流参数测量装置7的l型的测量支架701的竖直支柱和支架横梁704上设置有对应的轨道滑块机构，支架横梁704通过轨道滑块机构带动传感器支座705上下滑动，调整皮托压力探针703或静压探针与喷管出口702之间的高度。
25.进一步地，所述的气瓶组配备减压阀、安全泄压阀，通过不锈钢高压管连接到集成控制柜，集成控制柜通过控制柜面板进行监控，并操作气瓶组的充气、放气，保持气瓶组内气体介质具有稳定的气体压力、温度参数。
26.进一步地，所述的气瓶组中的气体介质为氮气、空气或者氦气中的一种。
27.进一步地，所述的储气管1的充气控制阀、放气控制阀及抽空控制阀安装在集成控制柜内，通过控制柜面板操作储气管1的充气、放空、抽空，监控并保持储气管1内的气体介质具有稳定的气体压力、温度参数。
28.进一步地，所述的快速继电器为固态快速继电器，在1ms内接通220v交流电路，从而接通快速电磁阀3的电源，打开快速电磁阀3，启动喷流试验模型6的稳定喷流。
29.进一步地，所述的快速电磁阀3为自动触发、预设时长的先导型常闭快速电磁阀，开阀动作时间小于15ms。
30.实施例1本实施例中，气源供应的气瓶组为13mpa、40l瓶装氮气4瓶、13mpa、40l瓶装氦气2瓶；气瓶组通过不锈钢高压管连接到储气管1，两者之间设置集成控制柜；各气瓶配备减压阀，气瓶之间的连通管路上配备安全泄压阀，总管路与储气管1的不锈钢高压气管联通，并为储气管1充气。同时，气瓶组中单独使用一瓶高压气，为快速电磁阀3提供先导气气源。
31.储气管1材料为304不锈钢，内径90mm，长10m，使用氮气时稳定供气时间约为60ms，储气管1出口端经试验段侧壁法兰进入到试验段内部，与金属材质的小口径通气管2相连；小口径通气管2另一端连接到快速电磁阀3。快速电磁阀3连接通气软管4，通气软管4另一端连接到模型内部的拉瓦尔喷管5入口。
32.快速继电器为直流控交流的固态继电器（ssr），响应时间小于1ms。快速电磁阀3为mac 56c
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122ba，等效流通口径约12mm，完全打开动作时间约12ms。拉瓦尔喷管5材料为304不锈钢，入口直径20mm，喉道直径8.6mm，出口直径30mm，长116mm，设计出口马赫数为4.0。喷流试验模型6为楔形模型，材料为30crmnsia。拉瓦尔喷管5从楔形模型内部伸出到楔形模型的楔面内壁，使用由内向外的螺钉固定。拉瓦尔喷管5与快速电磁阀3之间的通气软管4的材料为高压橡胶管，两端连接处使用大口径管箍夹紧。
33.集成控制柜，由进气管路、供气管路、抽空管路、压力表、温度显示屏、手动截止阀、泄压阀、快速继电器、触发控制开关等组成。集成控制柜作为储气管1抽空、充气、放气的总控系统，同时监控储气管1压力、温度并控制触发信号通断。
34.储气管1，是一段长度根据所需供气时间设计的一段不锈钢高压圆管。
35.真空泵，用于置换储气管1管内气体，或抽吸含水汽的管内气体时使用，根据储气管1容积和限定的抽空时间配置相应功率的真空泵。
36.快速同步控制系统，采用触发延时器、信号发生器、快速继电器、快速电磁阀3等组成，特点是可使用风洞运行的压力信号触发快速电磁阀3，启动气源供应系统，与风洞喷流
试验模型6绕流流场同步形成稳定喷流。触发延时器，接受来自激波管的压电传感器的电荷信号，转换为电压脉冲信号，并可调整延迟时间以控制后续的快速电磁阀3启动时间。信号发生器，接受来自触发延时器的电压脉冲信号，输出一定脉宽、一定电压的电平信号，用于空气快速继电器的接通与切断。快速继电器，接受来自信号发生器的一定脉宽的电平信号，在1ms量级的时间内，接通或切断快速电磁阀3的开关电路，从而控制快速电磁阀3的打开和关闭。快速电磁阀3，采用一种先导型常闭快速电磁阀，工作压力上限约1mpa，完全打开的动作时间约12ms，断电时为常闭状态。采用由信号发生器控制的快速继电器作为其控制开关。快速电磁阀3的先导气由气瓶供应，由单独的通气软管采用快速插接接头连接，快速电磁阀3电源连接到快速继电器。与储气管1连通的快速电磁阀3入口端连接金属供气管2，与拉瓦尔喷管5连通的快速电磁阀3出口端连接通气软管4。快速电磁阀3固定在靠近模型的位置。
37.通气软管4，采用内壁光滑的金属软管或具有一定硬度的橡胶软管，一端连接喷管，一端连接快速电磁阀3的出口，其内径与喷管入口相当。
38.拉瓦尔喷管5决定稳定喷流马赫数，是一种收缩
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扩张型拉瓦尔喷管，采用特征线方法与边界层修正方法设计，根据风洞试验模拟要求确定出口尺寸，根据出口尺寸和喷流马赫数确定喷管喉道尺寸及喷管内壁面形状。
39.喷流参数测量装置7的l型的测量支架701，用于安装和固定皮托压力探针703或静压测量探针708，结合模型当地外形设计，保证压力测量探针正对喷流。测量支架701利用模型上的测热、测压孔或定制的安装孔，进行安装固定。皮托压力探针703或静压测量探针708能够通过支架横梁704的移动，测量得到喷管出口截面沿径向的压力分布。同时，支架横梁704沿测量支架701的高度可调，保证皮托压力探针703刚好测量到喷管出口截面的皮托压力，而静压测量探针708的针头及测孔均位于喷管出口流场的有效均匀区之内。
40.皮托压力探针703与常规高超声速流场的皮托压力测量探针类似，由测压管和压力传感器706组成，气流在测压管内滞止后形成超声速气流的正激波波后压力，即流场皮托压力，由安装在测压管后端的压力传感器706进行测量。
41.静压测量探针708是一种细长型尖头锥柱形探针，压力测孔布置在柱段，测孔到尖头的距离与探针直径的比值的合理范围是8～15，尺寸许可的情况下，宜选取较大值。压力传感器706布置在探针后端，并避免压力传感器706安装处直径增大对上游柱段表面压力分布的影响。根据探针柱段测点处表面压力与自由流静压之比对直接测量结果进行修正。
42.本实施例的用于脉冲风洞的瞬态喷流试验装置的工作过程如下：s1.根据脉冲风洞运行参数和瞬态喷流试验要求，确定喷流试验模型6的拉瓦尔喷管马赫数、喷流静压、喷流动量等参数范围，确定稳态喷流持续时间；s2.设计加工储气管；储气管1为不锈钢高压圆管，两端安装动态压力传感器，中段安装静态压力表和热电偶测温计；储气管1总长根据所需的稳定喷流持续时间确定；储气管1的1区见图5，1区气流马赫数：其中，为储气管内径，mm；为快速电磁阀3的阀门等效直径，mm；为储
气管内气体比热比；储气管1的1区气流总温、总压与气流马赫数满足如下关系：其中，为1区气流总温，k；为储气管初始温度，k；为1区气流总压pa；为储气管初始压力，pa；稳定供气时间计算公式如下：其中，为储气管总长，m；为储气管初始状态的气流声速，m/s；s3.喷流试验模型6安装，各系统调试；在脉冲风洞试验段内安装喷流试验模型6，将气源供应系统连接喷流试验模型6，并调试气源供应系统、快速同步控制系统；s4.测量喷管出口702气流参数；在喷流试验模型6的喷管出口702位置安装喷流参数测量装置7；打开气源供应系统，喷管出口702喷出气流，喷流参数测量装置7测量喷流皮托压力和喷流静压；计算喷流马赫数：其中，为喷流皮托压力，kpa；为喷流静压，kpa；为喷流马赫数；为喷流介质的比热比；s5.开展脉冲风洞瞬态喷流试验；如图6所示，瞬态喷流装置初始化，等待脉冲风洞启动；脉冲风洞启动，激波管膜腔破膜，发送电荷信号给快速同步控制系统的触发延时器，触发延时器计时开始，达到预先设定的延时时间后，信号发生器输出固定脉宽、电压的电平信号，接通快速继电器，打开快速
电磁阀3，气源供应系统储气管1的介质气体流出喷流试验模型6的拉瓦尔喷管5，形成稳定喷流；与此同时脉冲风洞的风洞主流到达试验段，建立模型绕流，达到稳定喷流形成时间与脉冲风洞主流形成时间同步的效果；脉冲风洞测控系统获取喷流
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扰流干扰试验数据；脉冲风洞主流结束后，快速同步控制系统在达到设定的稳定喷流时长后自动关闭气源供应系统；脉冲风洞瞬态喷流试验完成。
43.图7为喷流参数测量装置7测量的皮托压力曲线和静压曲线。图7中，约706ms时刻，喷管出口702开始有气流喷出，压力开始上升；约733ms时刻，皮托压力开始稳定，表明稳定的喷流已经建立；约786ms时刻，皮托压力开始降低，表明快速电磁阀3已经关闭。简言之，图7所示测量结果表明，瞬态喷流装置实现了稳定喷流的快速建立，有效持续时间约53ms且压力平台性良好、喷流参数稳定。
44.图8为稳定喷流与试验主流时序同步调试曲线，实线为喷流试验模型6上处于喷流干扰区之外的模型表面测点热流曲线，实线反映了风洞主流到达，以及风洞主流形成的模型绕流的建立、稳定和结束过程。同时测量的喷流皮托压力曲线在风洞主流到达时刻也达到稳定状态，且稳定喷流的持续时间完全覆盖模型绕流稳定时间。简言之，测量结果表明喷流装置能够实现稳定喷流与风洞主流的时刻同步，并且稳定喷流的持续时间足够满足风洞试验要求。
45.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。