CN101655416B - 超音速气膜冷却实验系统 - Google Patents

Abstract

一种超音速气膜冷却实验系统，主要用于超音速气膜冷却技术的实验研究，在该系统上可以研究冷却射流的马赫数、入射角、侧向倾角等因素对超音速气膜冷却效果的影响。一个小型燃气发生器，以氢气、氧气为燃烧介质，能生成温度为2000K的燃气，燃气经过一个拉法尔喷管加速到马赫数2。在拉法尔喷管的出口处连接射流生成器和实验管，冷却用的空气通过射流生成器生成一股超音速射流喷入实验管，形成一束气膜覆盖在实验管表面。实验管背壁焊接25个K型热电偶，用来测量气膜覆盖下的壁面温度分布。热电偶等传感器的信号经数据采集设备传输到计算机，实验软件对其处理并显示。实验软件发出控制指令，并通过阀门驱动装置控制系统各阀门的开与关。

Description

超音速气膜冷却实验系统

【技术领域】

本发明涉及导弹等大气层内的高速飞行器外表面以及火箭发动机内表面的热防护技术，用于超音速气膜冷却技术的实验研究。

【背景技术】

导弹等高速飞行器在大气层中飞行时，头锥的外表面由于受到气动加热，其温度可以达到2000K以上，由于导弹的结构材料承受不了这么高的温度，因此必须对导弹的外表面采取热防护措施。液体火箭发动机的内表面暴露在温度达3000K的高温燃气下，也必须对其采取热防护措施。超音速气膜冷却技术是可行的热防护措施之一。

超音速气膜冷却技术，其原理是在被保护的结构表面射入一层超音速的冷却气流，将壁面与高温气体隔开，从而对壁面起到热防护的作用。高温的气体称为主气流，用于冷却的超音速气流称为冷却射流。冷却射流与主气流在流向面内的夹角称为入射角，冷却射流与主气流在垂直于流向面内的夹角称为侧向倾角。

目前，国内超音速气膜冷却技术的研究主要依靠计算机仿真的方法，主要是研究不同的冷却射流马赫数、不同的入射角、不同的侧向倾角对冷却效果的影响，多用被冷却面的温度分布来衡量。在文献：韩启祥等，超音速射流气膜冷却效果的试验研究，南京航空航天大学学报，30(5)，1998中叙述了一种以电加温器加热空气的方法来模拟热环境，以空气作为冷却射流的超音速气膜冷却实验设备，研究了不同的槽缝结构的射流孔对超音速气膜冷却效果的影响。

已有的实验系统一方面对热环境的模拟能力有限，另一方面仅能开展槽缝结构对冷却效果的影响，不能对超音速气膜冷却技术开展系统的实验研究。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种超音速气膜冷却实验系统，为开展超音速气膜冷却技术的研究提供一个实验平台。

本发明的技术方案是：以氢气、氧气为燃烧介质，喷入一个小型的燃气发生器，并在燃气发生器内燃烧，生成温度约为2000K的燃气，燃气经过一个拉法尔喷管加速到马赫数2。在拉法尔喷管的出口处连接射流生成器和实验管，冷却用的空气或氮气通过射流生成器生成一股超音速冷却射流喷入实验管，形成一束气膜覆盖在实验管表面。实验管背壁焊接25个K型热电偶，用来测量气膜覆盖下的壁面温度分布。热电偶等传感器的信号经数据采集设备传输到计算机，实验软件对其处理并显示。实验软件发出控制指令，并通过阀门驱动装置控制系统各阀门的开与关。

具体的技术方案为：超音速气膜冷却实验系统，以氢气、氧气为燃烧介质，分别由氢气供应系统、氧气供应系统来存储和供应，并控制压力和流量。氢气通过一个离心喷嘴喷入燃气发生器，氧气通过一个环形直流喷孔喷入燃气发生器。燃气发生器出口处依次连接拉法尔喷管、射流生成器和实验管。

氢气、氧气喷入燃气发生器后，在燃气发生器内混合，并被一个火药点火器点燃，生成温度约为2000K的燃气，该燃气通过拉法尔喷管加速到马赫数2，形成高温高速的主气流喷入实验管。

冷却用的空气(或氮气)，由空气氮气供应系统存储和供应，并以一定压力进入射流生成器，并通过射流生成器的射流孔喷入实验管，在实验管表面形成一股超音速冷却气膜，将高温高速的主气流与实验管的金属壁面隔开。射流生成器可更换，通过更换不同的射流生成器，能生成马赫数1、马赫数2，入射角-5°、0°、5°、15°，侧向倾角0°、15°、30°的冷却射流。实验管的材料为不锈钢，壁厚2.5毫米，在实验管的外表面，沿流向焊接25个K型热电偶，用来测量实验管表面的温度分布。温度、压力和流量等测量信号，用两线制传输系统及数据采集设备传输给计算机，实验软件对信号进行处理并显示。实验过程中，软件发出控制指令，并通过阀门驱动装置来控制系统各个阀门的开启与关闭。

本发明的有益效果是：提供了一种超音速气膜冷却实验平台，在该实验系统上能够进行空气和氮气的不同马赫数、不同入射角、不同侧向倾角的超音速气膜冷却实验，并通过现代传感与控制技术，能够实现实验过程的自动运行，实验数据的自动处理，具有较高的自动化水平，并获得比较准确的实验数据。

【附图说明】

图1超音速气膜冷却实验系统示意图；

图2氢气供应系统示意图；

图3氧气供应系统示意图；

图4空气氮气供应系统示意图；

图5实验段结构示意图；

图6燃气发生器头部结构图；

图7拉法尔喷管、射流生成器和实验管结构图；

图8射流生成器局部放大图。

【具体实施方式】

超音速气膜冷却实验系统，如图1所示，由氢气供应系统7、氧气供应系统6、空气氮气供应系统1、实验段5、数据采集设备2、阀门驱动装置4和计算机3及实验软件等组成。

氢气供应系统，如图2所示，由高压氢气储罐8、氢气高压手阀9、氢气前置阀11、氢气减压器12、氢气电磁阀14、氢气音速喷嘴17、氮气接口18、温度传感器15和压力传感器10、13、16等组成。高压氢气储罐8内储存有压力约为10MPa的高压氢气，氢气高压手阀9是气源的总开关，打开氢气高压手阀9，高压氢气到达氢气前置阀11的入口。氢气前置阀11在正常实验过程中，始终保持开启状态，只有在实验遇到紧急情况时，才会在软件的控制下关闭。氢气前置阀11与氢气电磁阀14配合使用能提高系统的可靠性。实验开始前，打开前置阀11，高压氢气到达氢气减压器12的入口，通过调节氢气减压器12能将上游的高压氢气调节成任意压力的低压氢气输送给下游。氢气电磁阀14是一个两位三通的电磁阀，有氢气、氮气两个入口，只有一个出口，构成氢气通路和氮气通路。在正常实验时保持氢气通路开启，氮气通路关闭，实验结束后，氢气通路关闭，同时氮气通路打开，此时氮气会将下游管路中剩余的氢气吹除，以避免实验现场积累氢气，提高安全性。氢气音速喷嘴17是流量控制器，与氢气减压器12配合使用，能够控制氢气以固定的流量输送给下游。压力传感器10用来检测高压氢气的压力。压力传感器13用来检测低压氢气的压力。压力传感器16和温度传感器15，分别用来检测氢气音速喷嘴17的入口压力和实验时氢气的温度。

氧气供应系统，如图3所示，由高压氧气储罐19、氧气高压手阀20、氧气前置阀22、氧气减压器23、氧气电磁阀25、氧气音速喷嘴28、温度传感器26和压力传感器21、24、27等组成。高压氧气储罐19内储存有压力约为12MPa的高压氧气，氧气高压手阀20是气源的总开关，打开氧气高压手阀20，高压氧气到达氧气前置阀22的入口。氧气前置阀22在正常实验过程中，始终保持开启状态，只有在实验遇到紧急情况时，才会在软件的控制下关闭。氧气前置阀22与氧气电磁阀25配合使用能提高系统的可靠性。实验开始前，打开前置阀22，高压氧气到达氧气减压器23的入口，通过调节氧气减压器23能将上游的高压氧气调节成任意压力的低压氧气输送给下游。氧气电磁阀25是系统阀门，打开氧气电磁阀25，实验开始，实验结束后，关闭氧气电磁阀25。氧气音速喷嘴28是流量控制器，与氧气减压器23配合使用，能够控制氧气以固定的流量输送给下游。压力传感器21用来检测高压氧气的压力。压力传感器24用来检测低压氧气的压力。压力传感器27和温度传感器26，分别用来检测氧气音速喷嘴28的入口压力和实验时氧气的温度。

空气氮气供应系统，如图4所示，由高压空气储罐29、空气高压手阀30、高压氮气储罐39、氮气高压手阀38、三通转换阀31、空气前置阀33、空气减压器34、空气电磁阀36、温度传感器37和压力传感器32、35等组成。高压空气储罐29中储存有高压空气，空气高压手阀30是其手动开关。高压氮气储罐39中储存由高压氮气，氮气高压手阀38是其手动开关。三通转换阀31是一个两位三通的电磁阀，有空气、氮气两个入口，一个出口，构成空气通路和氮气通路，在进行空气超音速气膜冷却实验时，三通转换阀31的空气通路开启，氮气通路关闭；在进行氮气超音速气膜冷却实验时，三通转换阀31的氮气通路开启，空气通路关闭。空气前置阀33在正常实验过程中，始终保持开启状态，只有在实验遇到紧急情况时，才会在软件的控制下关闭。空气前置阀33与空气电磁阀36配合使用能提高系统的可靠性。实验开始前，打开空气前置阀33，高压空气(或氮气)到达空气减压器34的入口，通过调节空气减压器34能将上游的高压空气(或氮气)调节成任意压力的低压气体输送给下游。空气电磁阀36是系统阀门，打开空气电磁阀36，系统开始工作，实验结束后，关闭空气电磁阀36。压力传感器32用来检测高压空气(或氮气)的压力。压力传感器35用来检测低压空气(或氮气)的压力。温度传感器37用来检测实验时空气(或氮气)的温度。

实验段，如图5所示，由燃气发生器42、拉法尔喷管43、射流生成器45、实验管46等部分串联组成。燃气发生器42和拉法尔喷管43由螺栓48连接。拉法尔喷管43、射流生成器45和实验管46由螺栓47连接。氢气、氧气分别通过氢气接口40、氧气接口41进入燃气发生器42。冷却用的空气(或氮气)通过空气接口44进入射流生成器45。

燃气发生器42的头部结构如图6所示，氢气由氢气接口40进入离心喷嘴53，并喷射进入燃烧腔52。氧气由氧气接口41进入氧气集气腔49，并通过由离心喷嘴53的外壁和内衬51的内壁间的环形直流喷孔喷入燃烧腔52，在燃烧腔52内与氢气混合燃烧。冷却水腔50内充满冷却水，用以冷却内衬51。

拉法尔喷管43、射流生成器45和实验管46的结构如图7所示，燃气发生器42与拉法尔喷管的内衬61和外壳54相连接，外衬56置于内衬61与外壳54之间，冷却水由冷却水入口60进入，由冷却水出口55引出。射流生成器内衬58与射流生成器外壳57共同组成射流生成器，冷却用的空气(或氮气)通过空气接口44进入射流生成器，并通过射流生成器的小孔喷入实验管46，形成超音速气膜覆盖在实验管46的内表面。测压接口59连接在射流生成器外壳57上，用来连接压力传感器并测量射流生成器内空气(或氮气)的压力。

图8是射流生成器的局部放大图，射流生成器内衬58与射流生成器外壳57配合形成射流腔62，冷却用空气(或氮气)充入射流腔62，并通过射流孔63以音速喷入实验管46，形成气膜覆盖在实验管46表面。射流生成器内衬58可更换，通过更换带有不同射流孔的射流生成器内衬，能够进行不同射流马赫数、不同入射角、不同侧向倾角的超音速气膜冷却实验。

数据采集设备采用两线制信号传输方案，压力、温度等传感器输出的电流信号，经过调理被采集卡采集到，并输送到计算机，由实验软件对采集到的信号进行分析、处理，并显示在计算机上。实验前，通过实验软件编制好实验时序，实验时，软件依次发出控制指令，该指令通过阀门驱动装置放大后输送给各个阀门，从而控制阀门的开启和关闭。

Claims (7)

1.超音速气膜冷却实验系统，由氢气供应系统(7)、氧气供应系统(6)、空气氮气供应系统(1)、燃气发生器(42)、拉法尔喷管(43)、射流生成器(45)、实验管(46)、数据采集设备(2)、阀门驱动装置(4)、计算机(3)和实验软件组成，氢气供应系统(7)包括：高压氢气储罐(8)、氢气高压手阀(9)、氢气前置阀(11)、氢气减压器(12)、氢气电磁阀(14)、氢气音速喷嘴(17)、氮气接口(18)、氢气供应系统温度传感器(15)和氢气供应系统压力传感器(10、13、16)，氧气供应系统(6)包括：高压氧气储罐(19)、氧气高压手阀(20)、氧气前置阀(22)、氧气减压器(23)、氧气电磁阀(25)、氧气音速喷嘴(28)、氧气供应系统温度传感器(26)和氧气供应系统压力传感器(21、24、27)，空气氮气供应系统(1)包括：高压空气储罐(29)、空气高压手阀(30)、高压氮气储罐(39)、氮气高压手阀(38)、三通转换阀(31)、空气前置阀(33)、空气减压器(34)、空气电磁阀(36)、空气氮气供应系统温度传感器(37)和空气氮气供应系统压力传感器(32、35)，其特征在于：在实验管(46)的入口处设置有射流生成器(45)，在氢气电磁阀(14)的上游设置有氢气前置阀(11)，并设置吹除氮气接口(18)，在氧气电磁阀(25)上游设置有氧气前置阀(22)，在空气电磁阀(36)上游设置有空气前置阀(33)。

2.根据权利要求1所述的超音速气膜冷却实验系统，，其特征还在于：空气氮气供应系统(1)上设置有三通转换阀(31)。

3.根据权利要求1所述的超音速气膜冷却实验系统，其特征还在于：燃气发生器(42)设置有离心喷嘴(53)，氢气由离心喷嘴(53)喷入，氧气由离心喷嘴(53)的外壁和燃气发生器内衬(51)的内壁之间的环形直流喷孔喷入。

4.根据权利要求1所述的超音速气膜冷却实验系统，其特征还在于：燃气发生器(42)设置有冷却水腔(50)。

5.根据权利要求1所述的超音速气膜冷却实验系统，其特征还在于：拉法尔喷管内衬(61)、外衬(56)、外壳(54)都可拆卸，且拉法尔喷管内衬(61)与外衬(56)之间构成冷却通道，冷却水由冷却水进口(60)进入，由冷却水出口(55)引出。

6.根据权利要求1所述的超音速气膜冷却实验系统，其特征还在于：射流生成器内衬(58)与射流生成器外壳(57)配合形成射流腔(62)，且生成器内衬(58)可更换。

7.根据权利要求1所述的超音速气膜冷却实验系统，其特征还在于：实验管(46)材料为不锈钢，壁厚2.5毫米，外壁沿轴向焊接25个K型热电偶。

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