CN107884153A - 一种模拟高速气动剥蚀过程的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模拟高速气动剥蚀过程的结构，包括对来流部件的结构，包括样件和底板，样件和底板结合区域正对来流的部位通过粘合层附着剥蚀层。还包括侧对来流部件的结构，包括样件，样件侧对来流方向的部位开设凹槽，凹槽通过粘合层附着剥蚀层，剥蚀层平滑了样件的上表面。本发明的模拟烧蚀过程的结构，可以在气动试验中，让高速流动逐步吹除表面贴附的石墨‑金属‑粘合剂，得到表面逐步变形的过程，因此可以模拟实际烧蚀过程中，表面逐步变形的过程。本发明通过设计不同的剥蚀层以及不同粘结在不同部位，可以模拟不同部位和不同特点的烧蚀变形过程，在普通风洞中研究烧蚀变形过程对气动的影响。

Description

一种模拟高速气动剥蚀过程的结构
技术领域
本发明涉及一种模拟高速气动剥蚀过程的结构，属于风洞试验技术领域。
背景技术
气动试验中由于试验状态保持时间很短暂，无法模拟长时间飞行过程中，气动热对飞行器表面的烧蚀过程。而在热烧蚀的试验中又无法保持高速的流动状态，因此只能测量烧蚀不能测量烧蚀下的高速流动。目前采用的方法是将烧蚀后的型面作成试验模型，在风洞中测量烧蚀后的效果。这种方法虽然可以测量到烧蚀后的效果，无法取得烧蚀后退过程中的气动特性，烧蚀与气动之间的相互作用过程难以研究。
采用已有试验技术很难同时保证高速流动状态与长时间气动加热效果，无法在地面试验中模拟真实飞行过程的气动加热烧蚀破坏过程，无法取得破坏过程带来的气动力的变化。因此难以研究飞行器动态气动力变化，也给烧蚀与气动耦合设计防烧蚀材料带来了困难。如何在较短的时间内用高速气流将飞行器表面剥蚀，以较简单的装置模拟真实飞行器长时间气动加热烧蚀过程，这是一个亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟高速气动剥蚀过程的结构，以较简单的装置模拟飞行器不同部位和不同特点的烧蚀变形过程。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种模拟高速气动烧蚀过程中正对来流部件的结构，包括样件和底板，样件和底板结合区域正对来流的部位通过粘合层附着剥蚀层。
提供一种模拟高速气动烧蚀过程中侧对来流部件的结构，包括样件，样件侧对来流方向的部位开设凹槽，凹槽通过粘合层附着剥蚀层，剥蚀层平滑了样件的上表面。
优选的，所述剥蚀层由石墨、金属氧化物和树脂混合而成。
优选的，所述金属氧化物为氧化镁。
优选的，所述样件采用铝合金或不锈钢制作。
优选的，底板用于模拟飞机的表面，样件用于模拟飞机机翼。
优选的，所述剥蚀层各组分的质量含量为：氧化镁67％±2％，石墨30％±2％，粘合剂3％±1％。
优选的，样件用于模拟飞机的表面。
优选的，所述剥蚀层各组分的质量含量为：氧化镁84％±2％，石墨10％±2％，粘合剂6％±1％。
优选的，还包括多个粗糙元，粗糙元焊接在底板上，模拟烧蚀后表面的凹凸分布。
优选的，粗糙元为圆柱形、尖锥形或半球形。
优选的，粗糙元的高度和直径都在1～10mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的模拟烧蚀过程的结构，可以在气动试验中，让高速流动逐步吹除表面贴附的石墨-金属-粘合剂，得到表面逐步变形的过程，因此可以模拟实际烧蚀过程中，表面逐步变形的过程。
(2)本发明通过设计不同的剥蚀层以及不同粘结在不同部位，可以模拟不同部位和不同特点的烧蚀变形过程，在普通风洞中研究烧蚀变形过程对气动的影响。
(3)本发明可以在底板上添加粗糙元，进一步观察从光滑表面到剥蚀成为粗糙元构成的粗糙表面的剥蚀过程，体现不完全烧蚀的真实状态。
(4)本发明可以通过调整样件的放置方向，迎接不同多种方向的来流。
(5)本发明可以设置多种底板的形状，模拟飞行器的不同部位，或不同的飞行器。
附图说明
图1为本发明垂直样件风洞试验前的结构形态示意图；
图2为本发明垂直样件风洞试验后的结构形态示意图；
图3为本发明水平样件风洞试验前的结构形态示意图；
图4为本发明水平样件风洞试验后的结构形态示意图；
图5为本发明粗糙元风洞试验前的结构形态示意图；
图6为本发明粗糙元风洞试验过程中的结构形态示意图；
图7为本发明粗糙元风洞试验后的结构形态示意图。
具体实施方式
为研究飞行器在长时间飞行中局部发生烧蚀后对流动的扰动，从而引起气动的分布变化和气动热的变化，可能烧蚀扩展加速产生新的损伤，或者减缓损伤发展，需要模拟飞行器不同部位和不同特点的烧蚀变形过程，本发明提供多种模拟烧蚀过程的结构。
参见图1模拟烧蚀过程的结构包括底板和垂直样件，底板用于模拟飞机的表面，垂直样件用于模拟飞机机翼，通常情况下这种结构用于模拟基于与飞机表面结合部位的烧蚀情况。垂直样件使用刚性材料如铝合金和不锈钢作成烧蚀制作，在垂直样件与底板结合部位的前部通过粘合层附着剥蚀层，因为正对高速来流，易于被剥蚀，因此采用高强度剥蚀层材料。
剥蚀层使用金属氧化物、石墨和酚醛树脂混合而成，剥蚀层通过粘合层贴附在样件上，形成光滑的表面，模拟飞行器还没有被烧蚀破坏前的光滑的形状。剥蚀层具有一定的抗剥蚀能力，又能够被高速来流逐步剥蚀，能够模拟真实材料被烧蚀的过程。
在一个实施例中，剥蚀层中的主体材料选用石墨、金属氧化物(氧化镁)颗粒，具有热传导好、热膨胀小、易于破碎断裂的特点，在高速来流下易于剥蚀。酚醛树脂为粘合剂，将金属氧化物和石墨凝结为可以适度抵抗来流冲刷的固体。减少酚醛树脂的含量可以加快剥蚀层的剥蚀速度。
图3为水平样件的结构，水平样件用于模拟机身，水平样件侧对着高速来流。在水平样件的表面开设槽部，在槽部通过粘合层附着剥蚀层，剥蚀层平滑了水平样件的上表面。图4为烧蚀后水平样件的表面形态示意图。
垂直样件用铝合金或不锈钢制作，在垂直样件的前部通过粘合层附着剥蚀层，因为正对高速来流，易于被剥蚀，因此采用高强度剥蚀层材料。高强度剥蚀层材料各组分的质量含量可以为：氧化镁84％，石墨10％，粘合剂6％。
水平样件用铝合金或不锈钢制作，在表面通过粘合层附着剥蚀层，因为侧对着高速来流，不易被剥蚀，因此采用低强度剥蚀层材料。低强度剥蚀层各组分的质量含量可以为：氧化镁67％，石墨30％，粘合剂3％。
在一个实施例中加入了粗糙元样件，用于模拟烧蚀后表面的典型的凹凸分布。使用铝合金或不锈钢等制作典型的圆柱形、尖锥形、半球形的粗糙元，焊接在底板上。在焊接了粗糙元的底板上喷涂粘合层，再将剥蚀层挤压到粗糙元之间，通过粘合层与底板粘合，参见图5。粗糙元样件所使用的剥蚀层为低强度剥蚀层，易于被剥蚀。粗糙元的特征尺度(高度或直径)在1～10mm之间。参见图6为粗糙元风洞试验过程中的结构形态，图7粗糙元风洞试验后的结构形态，通过粗糙元的使用，能够观察到从光滑表面到剥蚀成为粗糙元构成的粗糙表面的剥蚀过程。
参见图2、图6和图7，将模型置于风洞中，风洞中的高速来流冲击样件，在气动力剥蚀作用下，表面的易于剥蚀的剥蚀层逐步被高速来流冲刷剥蚀，这个过程模拟表面被逐步烧蚀的过程。
在风洞高速来流的冲刷下，最终样件表面的剥蚀层被完全剥蚀，露出了样件的不规则的表面，试验模拟了飞行器表面被逐步烧蚀的全部过程。用于测量烧蚀过程的气动力和气动热随烧蚀外形的变化规律。
试验测量数据应用于高速来流与烧蚀的耦合效应，为设计抗烧蚀材料提供基础。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种模拟高速气动烧蚀过程中正对来流部件的结构，其特征在于，包括样件和底板，样件和底板结合区域正对来流的部位通过粘合层附着剥蚀层。
2.一种模拟高速气动烧蚀过程中侧对来流部件的结构，其特征在于，包括样件，样件侧对来流方向的部位开设凹槽，凹槽通过粘合层附着剥蚀层，剥蚀层平滑了样件的上表面。
3.一种如权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述剥蚀层由石墨、金属氧化物和树脂混合而成。
4.一种如权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述金属氧化物为氧化镁。
5.一种如权利要求1或2或3所述的结构，其特征在于，所述样件采用铝合金或不锈钢制作。
6.一种如权利要求1所述的结构，其特征在于，底板用于模拟飞机的表面，样件用于模拟飞机机翼。
7.一种如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述剥蚀层各组分的质量含量为：氧化镁67％±2％，石墨30％±2％，粘合剂3％±1％。
8.一种如权利要求2所述的结构，其特征在于，样件用于模拟飞机的表面。
9.一种如权利要求2所述的结构，其特征在于，所述剥蚀层各组分的质量含量为：氧化镁84％±2％，石墨10％±2％，粘合剂6％±1％。
10.一种如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括多个粗糙元，粗糙元焊接在底板上，模拟烧蚀后表面的凹凸分布。
11.一种如权利要求10所述的结构，其特征在于，粗糙元为圆柱形、尖锥形或半球形。
12.一种如权利要求11所述的结构，其特征在于，粗糙元的高度和直径都在1～10mm。
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