CN107976295B - 一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞 - Google Patents

Abstract

一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞，高压储气室、活塞发射机构、活塞、压缩管、活塞止停机构、主夹膜机构、激波管、小夹膜机构、喷管、试验段、轨道以及支撑系统。高压储气室位于活塞发射机构的上游，其内贮存高压空气。重活塞通过活塞发射机构发射后，将向压缩管下游方向加速运动，当活塞抵达压缩管的末端时，绝大部分能量将传递给氦氩混合轻质气体，从而产生高温高压气体。此时，主夹膜机构的膜片破裂，产生一道入射激波通过激波管到达激波管末端并会发生反射，从而产生高温高压的试验气体导致小夹膜机构的膜片破裂。高温高压的试验气体，通过喷管，到达试验段，获得所需的自由来流条件。

Description

一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞

技术领域

本发明涉及一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞，不仅能够研究超高声速高温真实气体效应等气动基础研究，而且还可以开展超燃冲压发动机、空间再入飞行器等工程应用研究。

背景技术

高超声速飞行器飞行条件范围广和需要研究的物理现象独特，使得单一高超声速试验设备无法满足试验需求，导致高超声速试验设备呈现多样化特征。对于风洞试验，目前无法对整个飞行包线内开展气动热力学、气动光学、气动声学等一系列试验研究，只能对飞行试验之前的“关键路径”进行评估。在马赫数5-12的低高超声速区域，理想气体流动马赫数和雷诺数(Ma-Re)模拟是实用的，主要通过降低自由来流温度降低能够降低自由来流的声速，从而提高自由来流的马赫数，进而实现高超声速条件下Ma-Re模拟。

在超高速条件(速度大于3km/s)下,空气中的氧分子开始离解；速度再增大时，进一步发生氮分子离解，甚至电离反应。当飞行速度超过4km/s后，热、化学、辐射、烧蚀效应造成的影响变得重要，此需要模拟飞行环境下真实气体的速度、压力和温度条件。超高速流动带来的高温效应在常规“冷”状态的高超声速地面设备不能得到复现。用于模拟超高速流动高温效应的两个关键参数是来流速度(比焓)和双尺度参数ρL(ρ为密度，L为特征长度)，前者表征滞止焓，后者表征强激波后离解反应尺度。

发明内容

一种2m量级自由活塞高焓激波风洞，为超高速提供高焓来流，能够模拟超高速流动高温效应的两个关键参数是来流速度(比焓)和双尺度参数ρL。

本发明采用的技术方案：

一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞，包括：高压储气室、活塞发射机构、活塞、压缩管、活塞止停机构、主夹膜机构、激波管、小夹膜机构、喷管、试验段、轨道以及支撑系统；

高压储气室内储存有高压空气且高压储气室的一端留有开口，压缩管从所述高压储气室的开口处伸入其中，并于内置在高压储气室中的活塞发射机构连接，压缩管的另一端通过主夹膜机构与激波管的一端连接，激波管的另一端通过小夹膜机构与喷管的收缩段连接，试验段连接在喷管的扩张段之后，

多个支撑系统分别设置在高压储气室、活塞发射机构、压缩管、主夹膜机构、激波管、喷管和试验段下方，且支撑系统安装在轨道上并沿轨道移动，支撑系统在高度和水平两方向具有微调功机构；

活塞设置在活塞发射机构中，当活塞被发射后，活塞在压缩管内移动，活塞止停机构设置在压缩管的末端，用于给发射出来的活塞缓冲和减速。

压缩管由多个分段组装而成，相邻分段之间的密封均包括三级密封，内层密封采用金属密封圈，外层密封采用O形橡胶圈，中层密封采用尼龙密封圈。

金属密封圈采用紫铜材料。

所述活塞止停机构中设置有气体缓冲腔结构以及硅橡胶缓冲垫，用于活塞的缓冲减速和止停。

喷管为m量级喷管，压缩管内填充压力为5kPa～50kPa的氦气、氩气或者氦氩混合气。

主夹膜机构中设置有一个或两个膜片，小夹膜机构中设置一个膜片。

激波管内抽真空，使其压力小于一个大气压。

压缩管的内径与激波管的内径之比为2.3:1。

高压储气室的承压为20MPa,体积24m³，压缩管的长度75m，内径0.668m，压缩管的承压为70MPa，激波管的承压为100MPa,长度为32m或者35m，内径为0.29m，当风洞流场驻室总温超过7000K时，激波管的长度为32m，当风洞试验段自由流的有效时间超过40ms并且驻室总温在2500K～3500K时，激波管的长度为35m；试验段容积为230m³,真空度达到10Pa，试验段顶端设置有2.5m长的自动开闭模型安装天窗，试验段上设置有多个观察窗口；轨道在100m范围内的高差小于0.5mm。

本发明相对现有技术带来的有益效果为：

(1)一种2m量级自由活塞高焓激波风洞，试验模型尺寸可以超过2m，使得模型的自然时间尺度和非平衡态的反应速率与自由飞行相似相近。能够模拟超高速流动高温效应的两个关键参数来流速度(比焓)和双尺度参数ρL。

(2)压缩管4由多个分段组装而成，相邻分段之间的密封均包括三级密封，密封效果好，保证氦氩气体的纯度。

(3)压缩管4长度75m,内径0.668m,此尺寸使得活塞可以调谐运行，活塞在压缩管末端能够安全停下来。

(4)主夹膜机构6中能够设置两个膜片，可以方便进行膜片动态破膜试验，能够准确预估膜片的破膜压力，对重活塞的调试提供一定的安全保障。

(5)激波管7长度35m,内径0.29m,此尺寸使得入射激波在运行过程中产生的壁面边界层对试验段的流场干扰较少。

附图说明

图1是本发明的自由活塞激波风洞示意简图；

图2a是本发明压缩管连接示意图，图2b为局部放大图；

图3是轨道和压缩管支架结构示意图；

图4是主夹膜机构与激波管和压缩管示意图；

图5是小夹膜机构与激波管和喷管示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细的说明。

如图1、4、5所示，本发明提出了一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞，包括：高压储气室1、活塞发射机构2、活塞3、压缩管4、活塞止停机构5、主夹膜机构6、激波管7、小夹膜机构8、喷管9、试验段10、轨道11以及支撑系统12；

高压储气室1内储存有高压空气且高压储气室1的一端留有开口，压缩管4从所述高压储气室1的开口处伸入其中，并于内置在高压储气室1中的活塞发射机构2连接，压缩管4的另一端通过主夹膜机构6与激波管7的一端连接，激波管7的另一端通过小夹膜机构8与喷管9的收缩段连接，试验段10连接在喷管9的扩张段之后，

多个支撑系统12分别设置在高压储气室1、活塞发射机构2、压缩管4、主夹膜机构6、激波管7、喷管9和试验段10下方，且支撑系统12安装在轨道11上并沿轨道移动，支撑系统12在高度和水平两方向具有微调功机构；

活塞3设置在活塞发射机构2中，当活塞3被发射后，活塞3在压缩管4内移动，活塞止停机构5设置在压缩管4的末端，用于给发射出来的活塞3缓冲和减速。

如图2a、2b所示，压缩管4由多个分段组装而成，相邻分段之间的密封均包括三级密封，内层密封采用金属密封圈，外层密封采用O形橡胶圈，中层密封采用尼龙密封圈。金属密封圈采用紫铜材料。

所述活塞止停机构5中设置有气体缓冲腔结构以及硅橡胶缓冲垫，用于活塞3的缓冲减速和止停。

喷管9为2m量级喷管，压缩管4内填充压力为5kPa～50kPa的氦气、氩气或者氦氩混合气。

主夹膜机构6中设置有一个或两个膜片，小夹膜机构8中设置一个膜片。

激波管7内抽真空，使其压力小于一个大气压。

压缩管4的内径与激波管7的内径之比为2.3:1。

高压储气室1的承压为20MPa,体积24m³，压缩管4的长度75m，内径0.668m，压缩管4的承压为70MPa，激波管7的承压为100MPa,长度为35m或者56m，内径为0.29m，当风洞流场驻室总温超过7000K时，激波管7的长度为32m，当风洞试验段自由流的有效时间超过40ms并且驻室总温在2500K～3500K时，激波管7的长度为56m；试验段10容积为230m³,真空度达到10Pa，试验段10顶端设置有2.5m长的自动开闭模型安装天窗，试验段10上设置有多个观察窗口；轨道11在100m范围内的高差小于0.5mm。

工作原理：

本发明提出的2m量级自由活塞激波风洞是一种用重活塞压缩气体获得高温高压驱动气体的激波风洞。主要包括：高压储气室1、活塞发射机构2、活塞3、压缩管4、活塞止停机构5、主夹膜机构6、激波管7、小夹膜机构8、喷管9、试验段10、轨道11以及支撑系统12。

高压储气室1，容积大，为24m³，通过供气系统可以快速实现高压储气室充放气，能够为活塞提供能量。

活塞发射机构2位于在高压储气室1内，能迅速开启和关闭，开始时，高压储气室的高压空气能快速进入活塞发射机构，推动活塞运行。

活塞3，依靠质量和速度将高压空气的能量传递给轻质驱动气体，实现轻质驱动气体的高温高压状态。不同的喷管驻室对应不同的活塞质量，实现风洞不同的总温总压条件。

压缩管4，总长75m、内径Φ0.668m、耐压70MPa。由于压缩管既要承受高达70MPa的压力，各段管体之间采用三级组合式超高压自密封结构，如图2b所示。此密封结构中，内层特殊形状的金属密封圈使用紫铜材料，两端压缩变形后形成自密封结构，能承受超过150MPa的高温高压气体；外侧的O形橡胶圈保证了高真空时的对外密封；中层的尼龙密封圈具有过渡保护的作用。

活塞止停机构5，实现活塞软着陆并尽可能实现调谐操作，此时活塞前脸紧贴压缩管末端壁面，且速度与加速度均为零。

主夹膜机构6，可用于双膜定压破膜和单膜冲击破膜。主夹膜机构放置双膜或者单膜，满足风洞不同模式的运行。主夹膜机构通过间隔螺纹与压缩管和激波管连接，控制全自动液压机构能够锁紧或者开启间隔螺纹。当全自动液压机构使间隔螺纹开启后，压缩管4或者激波管7能够沿着轨道系统水平移动，运动足够的距离后，根据风洞不同的运行模式，安装单膜片或者双膜片。

激波管7，总长35m、内径Φ290mm、耐压100MPa。激波管上布置若干压力传感器，由于激波速度快，压力传感器的响应频率应该高于50KHZ,采集器的采集频率高于150KHZ。激波管上压力传感器不仅可以监测喷管的驻室压力，而且可以检测激波速度，从而获得喷管的总焓。

压缩管4和激波管7的内径有一定的比例，压缩管内径大于激波管内径，使其满足变截面驱动要求，从而提高喷管的驻室压力和驻室总温。

风洞支撑系统12采用两层可调的高刚度组合轨道结构，如图3所示。通过高精度组合斜铁对各支撑点的高度进行精细调整，使轨道支架上表面为水平，轨道和轨道支架上表面之间的高度调节点，此处使用不同厚度的垫片并配合压板16，使轨道100米范围内表面的高度差小于0.5mm。调节完成后，轨道支架通过地基螺栓和地基紧密的连接为一体。

小夹膜机构8，通过间隔螺纹连接激波管7和喷管9，通过控制全自动液压机构能够锁紧或者开启间隔螺纹。当间隔螺纹开启后，激波管沿轨道系统水平移动，当激波管与小夹膜机构满足一定的距离后，更换膜片，之后，启动自动液压机构使得小夹膜机构与喷管和激波管锁紧。

试验段系统10包括试验段本体和攻角机构两个部分，试验段本体，试验段能够保证模型支撑的隔振、高刚度及高精度姿态变化；试验段内无电磁干扰，模型安装、接线方便多角度的观察窗，大的光学观察范围和仪器安装平台；拥有自动复位装置，大的顶部模型吊装门和自动侧门；安装安全性要求设置限位结构和位置传感器。

2m量级喷管9采用特征线方法设计，能够提高流场均匀区和品质。喷管通过换喉道的方式改变出口马赫数，出口马赫数分别为10和15.

在压缩管4中，活塞3的下游为被压缩气体，同时也是激波管7的驱动气体，一般为轻质气体(氦气、氩气或者氦氩混合气体)，其压力很低，大约为1个大气压或者更少，在重活塞的上游，是高压贮室1，其内贮存中等高压气体。开启活塞发射机构2，释放活塞3，由于活塞3两边巨大的压力差，活塞3将向低压气体的方向加速运动，低压气体从膨胀的高压气体那里获得能量，当活塞3两侧压力相等时，活塞3加速过程结束，此时活塞3速度最大。之后，由于惯性，活塞3将减速前行。当活塞3抵达压缩管4的末端时，活塞3在活塞止停机构5处停止。此时，绝大部分能量将传递给轻质气体，轻质气体将获得很高的压力和温度。高温高压气体使得位于压缩管4和激波管7之间的第一道膜片破裂，激波管7处于启动状态。当第一道膜片破裂时，膜片处将产生一道入射激波，此时活塞仍然以一定速度向前运动，当激波到达激波管7末端并发生反射后，小夹膜机构8的膜片破裂，喷管9将处于启动过程。

作为一种特殊的加热设备，采用活塞3对驱动气体进行快速等熵压缩，以便获得更高驱动气体温度，产生更高的激波马赫数。为了达到这一的目的，驱动气体必须拥有更高的声速，因此驱动气体选择轻质气体。

大尺寸自由活塞高焓激波风洞能够为超高速模拟提供高焓来流。对于超高速流动，二尺度参数密度和长度的乘积ρL必须复现。高焓气流流过钝体时经历化学反应，化学反应的特征时间由流体属性确定。对于大尺寸2m量级自由活塞高焓激波风洞，试验模型尺寸可以很大，超过2m，使得自然时间尺度与自由飞行相似，非平衡态的反应速率相近。

实施例：

一种自由活塞激波风洞，如图1所示，包括高压储气室1、活塞发射机构2、活塞3、压缩管4、活塞止停机构5、主夹膜机构6、激波管7、小夹膜机构8、喷管9、试验段10、轨道11以及支撑系统12。

高焓激波风洞运行过程进行详细的说明。

试验前，将试验模型安装到攻角机构，根据要求，调整攻角机构，使得模型符合试验要求。

打开小夹膜机构8，安装适合运行状态的膜片，安装完毕后，关闭小夹膜机构8。

打开主夹膜机构6，安装一个适合运行状态的膜片，安装完毕后，关闭主夹膜机构6。

开启激波管真空泵组，向激波管7抽真空，当压力达到6kPa时，关闭激波管真空泵组。

将重活塞安装在活塞发射机构2上，然后关闭活塞发射机构2。将活塞止停机构5安装在压缩管4的末端。

打开主供气系统，向高压储气室1充入高压纯净的干燥空气，高压储气室1上安装的压力传感器监控高压储气室1的压力，当压力满足达到1.08MPa时，关闭电磁阀和气动阀，停止供气。

开启压缩管真空泵组，对压缩管4抽真空，当压缩管4真空度小于100Pa时，关闭压缩管真空泵组。然后，打开氦气/氩气供气组向压缩管4充入氦气和氩气的混合气体，当氦气和氩气的质量满足0.7：0.3，当压缩管的压力为11kPa时，关闭氦气/氩气供气组，停止供气。

打开活塞发射机构2，高压储气室1的高压推动重活塞在压缩管4中运行，压缩氦气和氩气混合气体，并在压缩管4的末端产生高温高压的气体，当压力为7.8MPa时，主夹膜机构6的膜片破裂，产生强的入射激波，产生的强入射激波进入激波管7，加热激波管的试验气体，当入射激波到达小夹膜机构8会反射，反射激波会对试验气体加热加压，产生试验所需要的高温高压气体。此时，小夹膜机构8的膜片破裂，总压为7.6MPa，高温高压的试验气体流过喷管9，进入试验段10，气流流过模型，模型上的传感器及其配套的采集系统会记录气流对模型产生的作用，如气动力、气动热等，试验完成。

此次试验，喷管驻室总压为7.6MPa,总温7000K。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞，其特征在于包括：高压储气室(1)、活塞发射机构(2)、活塞(3)、压缩管(4)、活塞止停机构(5)、主夹膜机构(6)、激波管(7)、小夹膜机构(8)、喷管(9)、试验段(10)、轨道(11)以及支撑系统(12)；

高压储气室(1)内储存有高压空气且高压储气室(1)的一端留有开口，压缩管(4)从所述高压储气室(1)的开口处伸入其中，并于内置在高压储气室(1)中的活塞发射机构(2)连接，压缩管(4)的另一端通过主夹膜机构(6)与激波管(7)的一端连接，激波管(7)的另一端通过小夹膜机构(8)与喷管(9)的收缩段连接，试验段(10)连接在喷管(9)的扩张段之后，

多个支撑系统(12)分别设置在高压储气室(1)、活塞发射机构(2)、压缩管(4)、主夹膜机构(6)、激波管(7)、喷管(9)和试验段(10)下方，且支撑系统(12)安装在轨道(11)上并沿轨道移动，支撑系统(12)在高度和水平两方向具有微调机构；

活塞(3)设置在活塞发射机构(2)中，当活塞(3)被发射后，活塞(3)在压缩管(4)内移动，活塞止停机构(5)设置在压缩管(4)的末端，用于给发射出来的活塞(3)缓冲和减速；

喷管(9)为2m量级喷管，压缩管(4)内填充压力为5kPa～50kPa的氦气、氩气或者氦氩混合气；通过换喉道的方式，实现喷管出口流场不同马赫数的变化；

主夹膜机构(6)中设置有一个或两个膜片，小夹膜机构(8)中设置一个膜片；

主夹膜机构(6)，用于双膜定压破膜和单膜冲击破膜；主夹膜机构放置双膜或者单膜，满足风洞不同模式的运行；主夹膜机构通过间隔螺纹与压缩管和激波管连接，控制全自动液压机构锁紧或者开启间隔螺纹；当全自动液压机构使间隔螺纹开启后，压缩管或者激波管沿着轨道系统水平移动，运动足够的距离后，根据风洞不同的运行模式，安装单膜片或者双膜片；

小夹膜机构(8)，通过间隔螺纹连接激波管和喷管，通过控制全自动液压机构锁紧或者开启间隔螺纹；当间隔螺纹开启后，激波管沿轨道系统水平移动，当激波管与小夹膜机构满足一定的距离后，更换膜片，之后，启动全自动液压机构使得小夹膜机构与喷管和激波管锁紧；

采用活塞(3)对驱动气体进行快速等熵压缩，以便获得更高驱动气体温度，产生更高的激波马赫数；

压缩管(4)由多个分段组装而成，相邻分段之间的密封均包括三级密封，内层密封采用金属密封圈，外层密封采用O形橡胶圈，中层密封采用尼龙密封圈；所述活塞止停机构(5)中设置有气体缓冲腔结构以及硅橡胶缓冲垫，用于活塞(3)的缓冲减速和止停；激波管(7)内抽真空，使其压力小于一个大气压；压缩管(4)的内径与激波管(7)的内径之比为2.3:1。

2.根据权利要求1所述的一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞，其特征在于：金属密封圈采用紫铜材料。

3.根据权利要求1所述的一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞，其特征在于：高压储气室(1)的承压为20MPa,体积24m³，压缩管(4)的长度75m，内径0.668m，压缩管(4)的承压为70MPa，激波管(7)的承压为100MPa,长度为32m或者35m，内径为0.29m，当风洞流场驻室总温超过7000K时，激波管(7)的长度为32m，当风洞试验段自由流的有效时间超过40ms并且驻室总温在2500K～3500K时，激波管(7)的长度为35m。

4.根据权利要求1所述的一种2m量级自由活塞驱动的高焓激波风洞，其特征在于：试验段(10)容积为230m³,真空度达到10Pa，试验段(10)顶端设置有2.5m长的自动开闭模型安装天窗，试验段(10)上设置有多个观察窗口；轨道(11)在100m范围内的高差小于0.5mm。

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