CN105841882A - 一种隔离段内激波串前缘探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隔离段内激波串前缘探测装置，通过在隔离段壁面布置三个压力测点，第一测压孔位于靠近隔离段入口位置，第三测压孔位于靠近隔离段出口位置，第二测压孔在测压的同时还能探测激波串前端的位置。通过压差传感器测量第一、三测压孔，第二、三测压孔之间的压差，并对测量结果进行处理。当激波串前缘到达第二测压孔位置时，该装置能实现对激波串的探测。本装置能实现无需基于任何历史数据的实时探测，最终探测结果将以计算机较易识别的0/1信号输出。

Description

一种隔离段内激波串前缘探测装置

技术领域

本发明涉及高超声速进气道技术领域，具体的涉及一种隔离段内激波串前缘探测装置。

背景技术

高超声速飞行器自提出以来得到了世界各国的广泛关注，其主要动力装置超燃冲压发动机也得到了广泛的研究。超燃冲压发动机一般由进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管等组成。隔离段是指始于进气道喉部，终于燃烧室入口的一段区域。隔离段是连接高超声速进气道和燃烧室的部件，隔离段需能抵抗燃烧室产生的较高反压并提供高质量的气流。

隔离段内部存在复杂的流场，高超声速气流在进气道的压缩面上形成一系列激波，这些激波反射进入隔离段内后，由于激波/边界层的相互作用，隔离段内形成典型的“激波串”流场结构。所产生的“激波串”结构对高超声速进气道乃至高超声速飞行器的总体性都存在影响。激波串结构是由激波/边界层相互作用导致的，主要由一道分叉激波和一系列正激波构成。

高超声速进气道不起动的重要原因之一就是激波串被高反压推入进气道喉部内，造成边界层的大面积分离。因此通过探测激波串前缘位置并将探测结果输入发动机控制系统，从而实现通过控制供油量来实现对进气道不起动的预防。

Le,D.B.,Goyne,C.P.,and Krauss,R.H，发表于《journal of propulsion and power》2008年,vol 24No 5上的《Shock Train Leading-Edge Detection in a Dual-Mode Scramjet》中提出并对比了3种激波串前缘探测方法，包括压力升高150％探测方法、标准差升高150％探测方法和最大标准差探测方法。Hutzel,J.R.,Decker,D.D.,Cobb,R.G et.al，发表在2011年9th AIAAAerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition上的《Scramjet Isolator Shock Train Location Techniques》比较了现有的6种激波串前缘探测方法，包括压升方法、压比方法、标准差方法、功率谱方法、背压拟合方法和沿程压力方法。从原理上看，这两篇文献中提到的这些激波串前缘探测方法均能在一定程度上准确地对激波串前缘进行探测，有的已经经过试验验证，但是这些方法还不能直接用于实际发动机中的隔离段内激波串前缘的探测，主要存在以下不足：

第一、部分探测方法过于复杂，需要较长的处理时间才能得到探测结果，当处理时间与发动机特征工作时间可比拟甚至超过特征工作时间时，探测方法无法应用于实际工作中，无法满足发动机的实际需要，比如功率谱探测方法就存在此问题；第二、部分探测方法无法适用于发动机工作过程中的某种工况，在某些工况下可能会出现误判，比如在发动机冷态工况下，使用压比探测方法会导致激波串位置的误判。又比如在飞行过程中当飞行攻角突然发生抖动时，压升和压比探测方法都有可能造成激波串位置的误判；第三、部分探测方法需要基于历史数据或先前大量的试验数据，无法实现实时探测，且普适性较差。这些历史数据或试验数据会大大增加计算机的数据存储的负担，且随飞行时间增加而增加；当更换进气道构型或改变飞行工况时，又需要增加新的试验数据，这会大大增加地面试验的成本。第四、部分探测方法所得探测结果难以转换为计算机容易识别的二进制0/1判据，比如功率谱探测方法，该探测方法探测所得结果为功率谱分布的定性差异，无法直接用于计算机存储和判定，给该方法的实际应用带来了障碍。

现有的激波串前缘探测方法都难以用于发动机控制系统的实际应用中，而且目前还没有基于该探测方法研制出的激波串前缘探测的实体装置。另外，具有实际应用价值的激波串前缘探测装置，还必须能同时用于风洞试验和飞行试验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隔离段内激波串前缘探测装置，该发明解决了现有技术中存在的无法实时探测激波串前缘位置、需要基于历史数据或已有试验数据才能进行前缘探测、无法适用于发动机的所有工况、探测结果计算机不易识别等技术问题。

本发明提供一种隔离段内激波串前缘探测装置，隔离段内任一段设为试验段，试验段侧壁上依序间隔开设第一测压孔、第二测压孔和第三测压孔，隔离段内激波串前缘探测装置包括：压差传感器，用于测量第一测压孔和第三测压孔之间或第二测压孔和第三测压孔之间的静压差值；数据处理模块，用于对静压差值分别进行计算处理，并输出计算机可读形式的结果；

计算处理包括以下步骤：

步骤S100：按照公式(1)和(2)分别对第一测压孔和第三测压孔之间的第一压差值p₁₃和对第二测压孔和第三测压孔之间的第二压差值p₂₃进行计算，得到第一极差Δp₁₃和第二极差Δp₂₃：

Δp₁₃(kΔt)＝max(p₁₃((k-l)Δt:kΔt)-min(p₁₃((k-l)Δt:kΔt) (1)

Δp₂₃(kΔt)＝max(p₂₃((k-l)Δt:kΔt)-min(p₂₃((k-l)Δt:kΔt) (2)

其中，k计数单位，取任意自然数；Δt时间步长；l为滑动取极差过程中所用滑块的数据长度；

步骤S200：判断第一极差Δp₁₃是否小于第一判据阈值α，判断为是，输出高电平结果1，判断为否，输出低电平结果0；判断第二极差Δp₂₃是否大于第二判据阈值β，判断为是，输出高电平结果1，判断为否，输出低电平结果0；

步骤S300：对判断结果进行逻辑“与”计算后，输出计算机可读形式的结果。

进一步地，压差传感器包括：第一压差传感器用于测量第一测压孔和第三测压孔之间的静压差值；第二压差传感器用于测量第二测压孔和第三测压孔之间的静压差值。

进一步地，数据处理模块包括：计算模块，用于按照公式(1)和公式(2)分别对第一压差值p₁₃和第二压差值p₂₃进行计算；判据模块，用于存储第一判据阈值α和第二判据阈值β；比较器，用于分别判断第一极差是否小于Δp₁₃第一判据阈值α，第二极差Δp₂₃是否大于第二判据阈值β；逻辑“与”计算模块，用于对判断结果进行逻辑“与”计算。

进一步地，数据处理模块，用于输出指示信号。

进一步地，还包括用于显示激波串前端是否抵达第二测压孔处的结果指示模块。

进一步地，结果指示模块包括：输出端口，用于输出计算机可读形式的结果；信号指示灯，用于根据所得结果进行熄灭或亮起指示。

进一步地，计算模块包括：第一计算模块，用于按照公式(1)第一压差值p₁₃进行计算，得到第一极差Δp₁₃；第二计算模块，用于按照公式(2)第二压差值p₂₃进行计算，得到第二极差Δp₂₃。

进一步地，比较器包括：第一比较器，用于判断所述第一极差Δp₁₃是否小于所述第一判据阈值α；第二比较器，用于判断第二极差Δp₂₃是否大于第二判据阈值β。

进一步地，判据模块包括：第一判据模块，用于存储第一判据阈值α；第二判据模块，用于存储第二判据阈值β。

进一步地，第一测压孔设置于隔离段的入口处；第三测压孔设置于隔离段出口处。

本发明的技术效果：

本发明提供的隔离段内激波串前缘探测装置，通过测量第一、三测压孔，第二、三测压孔之间的压差，并对测量结果进行处理，即可探测激波串前缘位置，所得探测结果能够以计算机较易识别的二进制0/1信号形式输出。

本发明提供的隔离段内激波串前缘探测装置，能够用于直联式和自由射流式隔离段试验的试验探测。

具体请参考根据本发明的隔离段内激波串前缘探测装置提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明优选实施例隔离段内激波串前缘探测方法流程示意图；

图2是本发明优选实施例用于直联式隔离段试验中的探测装置结构示意图；

图3是本发明优选实施例测压孔在直联式或自由射流式隔离段壁面布置位置示意图；

图4是本发明优选实施例用于自由射流式进气道-隔离段试验中探测装置结构示意图；

图5是本发明优选实施例用于直联式进气道-隔离段试验中所得探测结果判断曲线。

图例说明：

110、第一测压孔；120、第二测压孔；130、第三测压孔；200、试验段；310、第一压差传感器；320、第二压差传感器；410、第一计算模块；420、第二计算模块；510、第一判据模块；520、第二判据模块；610、第一比较器；620、第二比较器；710、逻辑“与”门；720、输出端口；730、判断信号灯。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本文中直联式或自由射流式隔离段区别在于隔离段前边有没有进气道，隔离段部分结构相同，本发明提供的方法可以适用于任一种隔离段。

本发明提供的隔离段内激波串前缘探测装置，基于如图2所示的第一探测点、第二探测点和第三探测点之间的压力差对激波串前缘实现实时探测。在隔离段内探测第一测压孔110、第二测压孔120和第三测压孔130，之后分别测量第一测压孔110与第三测压孔130之间的压力差以及第二测压孔120和第三测压孔130之间的压力差，从而实现避免来流激波入射引起对激波串前缘位置的误判。所得探测结果通过简单的电路转化，即可在输出端口720输出高/低电平信号，便于计算机识别并可以输入发动机控制系统中。

参见图2和4，取隔离段的任一段为试验段200，在试验段200内设置本发明提供的隔离段内激波串前缘探测装置，该装置包括间隔设置于隔离段侧壁上的第一测压孔110、第二测压孔120和第三测压孔130。第一测压孔110与第三测压孔130通过测压管路相连接，并在测压管路上设置第一压差传感器310。第二测压孔120和第三测压孔130通过另一测压管路相连接，并在该测压管路上设置第二压差传感器320。第一压差传感器310与第一计算模块410相连接。第二压差传感器320与第二计算模块420相连接。第一计算模块410与第一比较器610相连接。第二计算模块420与第二比较器620相连接。同时第一比较器610还与第一判据模块510相连接。第二比较器620与第二判据模块520相连接。第一比较器610、第二比较器620均与逻辑“与”门710相连接。逻辑“与”门710的输出端上设置输出端口720和判断信号灯730。此处的试验段200是指将发动机内隔离段部分置于风洞中进行试验。该试验段200以能完成隔离段各项功能的长度和起始终止位置为准。

参见图3，本发明提供探测装置中的第一测压孔110于靠近隔离段入口处，并使其始终处于激波串的上游；第三测压孔130则布置在靠近隔离段出口处，始终位置激波串的下游。第二测压孔120设置于需要探测激波串的位置。第二测压孔120的设置根据激波串的位置确定，不同的发动机中需要探测的激波串的位置各不相同，根据具体探测需要进行设置。如此设置测压孔能将激波串上游和下游的压力信息结合考虑，从而避免由于来流造成了激波串位置的误判。如此设置，能取得较优的探测效果。优选的，为了提高防止不起动情况的发生，第二测压孔开设于具体某一型发动机容易发生不起动的位置处。

图3为三个测压孔在直联式试验用隔离段的布置方式，第一测压孔110布置在靠近隔离段入口附近，第二测压孔120设置于需要进行能激波串前缘探测的位置，第三测压孔130布置在靠近隔离段出口附近。用于自由射流式进气道-隔离段试验时，第一测压孔110设置于靠近唇口入射激波附近，其他两测压孔位置不变，如图4所示。直联式隔离段与自由射流式进气道-隔离段的区别如图2和4所示，在直联式风洞试验中，仅对隔离段进行试验，如图2所示；在自由射流式试验中，对进气道-隔离段一体化试验，隔离段前有进气道前体，如图4，此时隔离段入口存在入射激波。当然第一测压孔110和第三测压孔130的位置可以互换，仅需保证第一测压孔110和第三测压孔130分设于第二测压孔120两端即可。当然该测压孔的设置方式也可以根据隔离段的情况进行适应性调整。

本发明提供的隔离段内激波串前缘探测装置包括：压差传感器，用于测量所述第一测压孔110和所述第三测压孔130之间或所述第二测压孔120和所述第三测压孔130之间的静压差值；

数据处理模块，用于对所述静压差值分别进行计算处理，并输出计算机可读形式的结果；

计算处理包括以下步骤：

步骤S100：按照公式(1)和(2)分别对第一测压孔110和第三测压孔130之间的第一压差值p₁₃和对第二测压孔120和第三测压孔130之间的第二压差值p₂₃进行计算，得到第一极差Δp₁₃和第二极差Δp₂₃：

Δp₁₃(kΔt)＝max(p₁₃((k-l)Δt:kΔt)-min(p₁₃((k-l)Δt:kΔt) (1)

Δp₂₃(kΔt)＝max(p₂₃((k-l)Δt:kΔt)-min(p₂₃((k-l)Δt:kΔt) (2)

其中，k计数单位，取任意自然数；Δt时间步长；l为滑动取极差过程中所用滑块的数据长度；此处的Δt为压力采集的时间步长。

步骤S200：判断第一极差Δp₁₃是否小于第一判据阈值α，判断为是，输出高电平结果1，判断为否，输出低电平结果0；判断第二极差Δp₂₃是否大于第二判据阈值β，判断为是，输出高电平结果1，判断为否，输出低电平结果0；

步骤S300：对判断结果进行逻辑“与”计算后，输出计算机可读形式的结果。

显然的按此设置，数据处理模块可以为能实现上述方法的各类常用硬件。压差传感器也可以按常规方法设置，例如设置于测压管路上。

优选的，第一压差传感器310用于测量第一测压孔110和第三测压孔130之间的静压差值；第二压差传感器320用于测量第二测压孔120和第三测压孔130之间的静压差值。如此设置能有效测量各测压孔之间的静压差值，从而为获取激波串前端位置提供物理依据。

优选的，数据处理模块包括：

计算模块，用于按照所述公式(1)和公式(2)分别对所述第一压差值p₁₃和所述第二压差值p₂₃进行计算；

判据模块，用于存储所述第一判据阈值α和所述第二判据阈值β；

比较器，用于判断所述第一极差Δp₁₃是否小于第一判据阈值α，用于判断所述第一极差Δp₂₃是否大于第二判据阈值β；

逻辑“与”计算模块，用于对所述判断结果进行逻辑“与”计算。

采用该数据处理模块，能有效分步骤的实施对所得结果的处理，并能输出计算机可读形式的结果，从而提高所得结果的适用范围。

优选的，为了更直观的获取激波串前端所处位置，数据处理模块还具有输出指示信号的功能。

优选的，该装置还包括用于显示所述激波串前端是否抵达所述第二测压孔120处的结果指示模块。从而可以直观的使操作人员获取对隔离段进行起动的最佳时机。

优选的，结果指示模块包括：输出端口720，用于输出计算机可读形式的结果；信号指示灯，用于根据所得结果进行熄灭或亮起指示。通过设置这些模块，使得所得结果，既可机读，也可以直接指示，提高工作效率。

优选的，计算模块包括：第一计算模块410，用于按照公式(1)第一压差值p₁₃进行计算，得到第一极差Δp₁₃；第二计算模块420，用于按照公式(2)第二压差值p₂₃进行计算，得到第二极差Δp₂₃。通过分别设置两个计算模块，有效提供计算准确性和效率。

优选的，比较器包括：第一比较器610，用于判断所述第一极差Δp₁₃是否小于第一判据阈值α；第二比较器620，用于判断所述第二极差Δp₂₃是否大于第二判据阈值β。通过对所得结果进行分比较，能有效提供判断准确性。

优选的，判据模块包括：第一判据模块510，用于存储所述第一判据阈值α；第二判据模块520，用于存储所述第二判据阈值β。

当激波串前缘到达第二测压孔120时，按照本发明的算法，此时输出端口720将会输出高电平“1”，该高电平“1”可以作为发动机控制系统的输入信号，在探测得到激波串前端的准确位置后，通过控制发动机供油系统，使得激波串不越过易发生不起动的第二测压点，从而便于使用时对激波串位置进行有效控制，减缓进气道不起动的危险。

本发明提出的上述结构的激波串前缘探测装置还能用于风洞试验中的激波串前缘探测。该结构的探测装置，与激波串前端所处位置无关，可适用于各类型的发动机测试中。

参见图1，本发明提供激波串前缘探测装置的探测方法优点为：(1)通过求两测压孔压力之差的方法实现激波串的实时探测，不需要基于历史数据；(2)通过测量试验段200内的滑动取极差可以一定程度的去除测量噪音对探测结果的干扰；(3)探测结果以机读形式输出，便于发动机控制系统识别；(4)通过修改预设的读入判据阈值，可以使该方法适用于不同来流马赫数条件下的激波串前缘探测，提高该方法的适用范围。

本文中滑动取极差即为公式(1)和公式(2)计算得到的第一极差Δp₁₃和第二极差Δp₂₃。

当激波串前缘已经到达第二测压孔120处时，输出端口720输出高电平且信号灯亮。当激波串前缘还未到达第二测压孔120处时，输出端口720输出低电平且信号灯保持熄灭。从而可以直观的判断隔离段内的激波串前缘所处位置。

第一判据阈值α和第二判据阈值β根据来流马赫数大小进行设置即可。

具体算例如下：

在试验来流马赫数2，总压1atm，总温288K的条件下，通过压差传感器实时测量第一压差值p₁₃，第二压差值p₂₃，并根据公式(1)(2)，实时计算得到第一极差Δp₁₃和第二极差Δp₂₃，所得结果如图5所示。参见图5，在t＝1.08s时刻，第一极差Δp₁₃小于第一判据阈值α，第二极差Δp₂₃大于第二判据阈值β，此时输出端口720将会输出高电平，同时判断信号灯730亮起，说明此时激波串前缘已经到达第二测压孔120位置处。由此可知，本发明所得探测结果，不但能准确反映出激波串前端达到的时机，还能输出计算机可读形式的结果，从而使得结果能更直观的反应出来，提高了监测效果。其中公式(2)中的数据滑块长度l取值为10。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (10)

1.一种隔离段内激波串前缘探测装置，所述隔离段内任一段设为试验段，其特征在于，所述试验段侧壁上依序间隔开设第一测压孔、第二测压孔和第三测压孔，所述隔离段内激波串前缘探测装置包括：

压差传感器，用于测量所述第一测压孔和所述第三测压孔之间或所述第二测压孔和所述第三测压孔之间的静压差值；

数据处理模块，用于对所述静压差值分别进行计算处理，并输出计算机可读形式的结果；

所述计算处理包括以下步骤：

步骤S100：按照公式(1)和(2)分别对所述第一测压孔和所述第三测压孔之间的第一压差值p₁₃和对所述第二测压孔和所述第三测压孔之间的第二压差值p₂₃进行计算，得到第一极差Δp₁₃和第二极差Δp₂₃：

Δp₁₃(kΔt)＝max(p₁₃((k-l)Δt:kΔt)-min(p₁₃((k-l)Δt:kΔt) (1)

Δp₂₃(kΔt)＝max(p₂₃((k-l)Δt:kΔt)-min(p₂₃((k-l)Δt:kΔt) (2)

其中，k计数单位，取任意自然数；Δt时间步长；l为滑动取极差过程中所用滑块的数据长度；

步骤S200：判断第一极差Δp₁₃是否小于第一判据阈值α，判断为是，输出高电平结果1，判断为否，输出低电平结果0；

判断第二极差Δp₂₃是否大于第二判据阈值β，判断为是，输出高电平结果1，判断为否，输出低电平结果0；

步骤S300：对所述判断结果进行逻辑“与”计算后，输出所述计算机可读形式的结果。

2.根据权利要求1所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，所述压差传感器包括：

第一压差传感器用于测量所述第一测压孔和所述第三测压孔之间的静压差值；

第二压差传感器用于测量所述第二测压孔和所述第三测压孔之间的静压差值。

3.根据权利要求1所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：

计算模块，用于按照所述公式(1)和公式(2)分别对所述第一压差值p₁₃和所述第二压差值p₂₃进行计算；

判据模块，用于存储所述第一判据阈值α和所述第二判据阈值β；

比较器，用于分别判断所述第一极差Δp₁₃是否小于所述第一判据阈值α，所述第二极差Δp₂₃是否大于所述第二判据阈值β；

逻辑“与”计算模块，用于对所述判断结果进行逻辑“与”计算。

4.根据权利要求3所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，所述数据处理模块，用于输出指示信号。

5.根据权利要求4所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，还包括用于显示所述激波串前端是否抵达所述第二测压孔处的结果指示模块。

6.根据权利要求5所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，所述结果指示模块包括：

输出端口，用于输出计算机可读形式的结果；

信号指示灯，用于根据所得结果进行熄灭或亮起指示。

7.根据权利要求3所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，所述计算模块包括：

第一计算模块，用于按照公式(1)第一压差值p₁₃进行计算，得到第一极差Δp₁₃；

第二计算模块，用于按照公式(2)第二压差值p₂₃进行计算，得到第二极差Δp₂₃。

8.根据权利要求3所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，所述比较器包括：

第一比较器，用于判断所述第一极差Δp₁₃是否小于所述第一判据阈值α；

第二比较器，用于判断所述第二极差Δp₂₃是否大于所述第二判据阈值β。

9.根据权利要求3所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，所述判据模块包括：

第一判据模块，用于存储所述第一判据阈值α；

第二判据模块，用于存储所述第二判据阈值β。

10.根据权利要求1所述的隔离段内激波串前缘探测装置，其特征在于，所述第一测压孔设置于所述隔离段的入口处；所述第三测压孔设置于所述隔离段出口处。