CN109253669B - 一种电弧加热器变攻角试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧加热器变攻角试验方法，包括试验装置的安装；进行状态调试试验，运行电弧加热器，利用变攻角装置改变校测模型的攻角，利用水冷热流传感器测量不同状态下的冷壁热流并获得离散调试状态分布图；将轨道曲线放置在离散调试状态分布图中，选取轨道曲线经过的离散调试状态，进行状态联调，利用变攻角装置改变攻角，将离散状态串联，并调整攻角变化的速度使模拟的轨道曲线平滑，同时利用水冷热流传感器实时跟踪模型表面热流变化；将正式试件替换水冷校测模型，并保持相同的位置，按照联调的程序进行试件烧蚀。该方法能提升状态调试试验的效率，能增大同一车次试件表面热流/焓值的匹配范围，能实现更为逼近真实弹道变化的变参数能力。

Description

一种电弧加热器变攻角试验方法

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器地面防热试验技术领域，尤其涉及一种电弧加热器变攻角试验方法。

背景技术

高超声速飞行器在飞行过程中将经历严酷的气动加热载荷，其防热部件在正式定型投产之前通常需要进行地面试验考核。电弧加热器是地面热防护试验最常用的设备，对于平板或类似平板状的大面积材料考核通常采用湍流平板试验方法来实现。由电弧加热器产生的高温气流，经转接过渡段时形成层流边界层并在喷管喉道附近转捩为湍流边界层。在超音速矩形喷管型面壁出口处，与气流方向平行或成一定攻角地放置平板试件，两者密接齐平无缝隙。试件上的边界层是喷管型面壁边界层的自然延续，在平板试件上得到充分发展的湍流边界层流动，而平板模型前缘斜激波造成的逆压梯度，可以提高试件上参数模拟范围。利用此种试验方法可以承担飞行器大面积防热材料考核，天线窗口、翼、槽、孔和缝隙等局部试验研究。

现有的电弧加热器湍流平板试验包括如下步骤：根据考核的飞行轨道热环境变化历程，拟合出几个所需模拟的稳定状态，设置固定的试件攻角，分多个车次调节电弧加热器的电流和气流量进行状态调试，实现气流温度和压力的改变。每次调试，将校测模型快速送入流场进行表面参数的瞬态测量，之后送出。对于飞行轨道热环境的模拟是通过上述几个稳定状态的阶跃变化来实现的，如图1所示。

由于试验过程中不能改变试件攻角，这种方法一方面对大跨度的参数变化模拟能力不够，在一次试验中无法兼顾弹道的最高和最低热环境，需要增加热流/焓值的匹配范围；另一方面，目前的阶跃式变参数模拟能力对弹道的逼近程度较为“粗略”，对弹道热环境的复现程度不够精确。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种电弧加热器变攻角试验方法，通过改进电弧加热器湍流平板试验方法，一是提升状态调试试验的效率，二是增大同一车次试件表面热流/焓值的匹配范围，三是实现更为逼近真实弹道变化的变参数能力。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种电弧加热器变攻角试验方法，包括如下步骤:

(1)将电弧加热器和矩形超音速喷管连接，再将带有水冷热流传感器的校测模型安装在变攻角装置上并调整校测模型的位置，直至模型前端上边缘位于变攻角装置的旋转轴位置，然后调整变攻角装置的位置，直至模型前端上边缘同时也与矩形超音速喷管的出口下边缘贴合；

(2)进行状态调试试验，运行电弧加热器，利用变攻角装置改变校测模型的攻角，利用水冷热流传感器测量不同状态下的冷壁热流并获得离散调试状态分布图；

(3)将轨道曲线放置在离散调试状态分布图中，选取轨道曲线经过的离散调试状态，进行状态联调，利用变攻角装置改变攻角，将离散状态串联，并调整攻角变化的速度使模拟的轨道曲线平滑，同时利用水冷热流传感器实时跟踪模型表面热流变化；

(4)将正式试件替换水冷校测模型，并保持相同的位置，按照联调的程序进行试件烧蚀。

优选地：所述变攻角装置包括基座组件、旋转组件和用于安装校测模型或试件的支座；

所述基座组件包括底座和设置在底座左右两侧的第一侧板和第二侧板；

所述旋转组件包括：动力装置，固定设置在底座的上表面；旋转装置，包括弧面板和两个弧形导轨，两个弧形导轨相对设置在第一侧板和第二侧板的内壁上，弧面板活动连接于弧形导轨并可沿弧形导轨往复运动，弧面板在靠近左右两端的位置区域竖直安装有第一支架和第二支架；和传动装置；

所述支座的左右两端活动安装在第一支架和第二支架的内壁上，可沿竖直方向往复移动；

使用时，动力装置通过传动装置带动弧面板在弧形导轨的约束下旋转运动，使与弧面板固接的第一支架和第二支架旋转，从而带动支座旋转。

优选地：所述动力装置为旋转电机。

优选地：所述传动装置包括第一传动件和第二传动件；第一传动件包括与旋转电机连接的蜗杆和与蜗杆配合使用的蜗轮；第二传动件包括在蜗轮的带动下转动的第一齿轮和与第一齿轮啮合并固定设置在弧面板底部的第二齿轮。

优选地：所述变攻角装置还包括升降组件；所述升降组件包括升降电机、升降丝杠和两组直线升降导轨；

其中，两组直线升降导轨相对设置在第一支架和第二支架的内壁上，支座左右两端分别与直线升降导轨活动连接；升降丝杠与支座左侧活动连接，升降电机通过升降丝杠带动支座在直线升降导轨的约束下上下移动。

优选地：所述支座上设置有多个腰型孔，用于使校测模型或试件调整前后位置。

优选地：在步骤(2)中，按照如下方法改变攻角以获得不同状态的冷壁热流：

(a)从0°开始，按照3°/次的规律改变攻角，直至攻角达到18°；

(b)再从18°开始，按照6°/秒的速度将攻角连续变化到0°。

优选地：在步骤(2)中，所述电弧加热器的运行参数为：

电弧电流：1000～3000A；

电弧电压：3200～10000V；

气体流量：1600～2000g/s；

弧室压力：1.4～2.5MPa。

优选地：所述水冷热流传感器安装在所述校测模型内，并且所述水冷热流传感器的热流探头和校测模型的上表面齐平。

优选地：所述电弧加热器和所述矩形超音速喷管通过法兰连接，并且连接处设置有密封圈。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明通过改进电弧加热器湍流平板试验方法和测试方法，能够实现模型攻角连续变化和气动热参数的长时间实时测量，一是提升状态调试试验的效率，可在同一车次完成数十个状态的调试与测量；二是增加攻角为调试试验的可控参数，结合加热器参数的调控，能够增大试件表面热流/焓值的匹配范围，实现更大范围热环境参数的模拟；三是通过攻角变化的程序控制实现骤升、骤降、抛物线等曲线模拟，更为逼近真实弹道变化。

附图说明

图1是测试装置的结构示意图；

图2是变攻角装置的立体结构示意图；

图3是变攻角模拟热流变化曲线图；

图4是模拟飞行轨道示意图。

图中：1：电弧加热器；2：矩形超音速喷管；3：校测模型；4：水冷热流传感器；5：变攻角装置；

501：支座；502：底座；503：第一侧板；504：第二侧板；505：动力装置；506：弧面板；507：弧形导轨；508：第一支架；509：第二支架；510：蜗杆；511：蜗轮；512：第一齿轮；513：第二齿轮；514：升降电机；515：升降丝杠；516：直线升降导轨。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种电弧加热器变攻角试验方法，所用的装置(如图1所示)包括电弧加热器1、矩形超音速喷管2、校测模型3、水冷热流传感器4和变攻角装置5，具体包括如下步骤：

(1)将电弧加热器1和矩形超音速喷管2连接，再将带有水冷热流传感器4的校测模型3安装在变攻角装置5上并调整校测模型3的位置，直至校测模型3前端上边缘位于变攻角装置5的旋转轴位置，然后调整变攻角装置5的位置，直至校测模型3前端上边缘同时也与矩形超音速喷管2的出口下边缘贴合，此时，模型3前端上边缘、变攻角装置5的旋转轴、矩形超音速喷管2的出口下边缘三者重合。

具体地，如图2所示，所述变攻角装置5包括基座组件、旋转组件和用于安装校测模型3或试件的支座501；

所述基座组件包括底座502和设置在底座502左右两侧的第一侧板503和第二侧板504；

所述旋转组件包括：动力装置505，固定设置在底座502的上表面；旋转装置，包括弧面板506和两个弧形导轨507，两个弧形导轨507相对设置在第一侧板503和第二侧板504的内壁上，弧面板506活动连接于弧形导轨507并可沿弧形导轨507往复运动，弧面板506在靠近左右两端的位置区域竖直安装有第一支架508和第二支架509；和传动装置；

所述支座501的左右两端活动安装在第一支架508和第二支架509的内壁上，可沿竖直方向往复移动；

使用时，动力装置505通过传动装置带动弧面板506在弧形导轨507的约束下旋转运动，使与弧面板506固接的第一支架508和第二支架509旋转，从而带动支座501旋转。

优选地，所述动力装置505为旋转电机。

优选地，所述传动装置包括第一传动件和第二传动件；第一传动件包括与旋转电机连接的蜗杆510和与蜗杆510配合使用的蜗轮511；第二传动件包括在蜗轮511的带动下转动的第一齿轮512和与第一齿轮512啮合并固定设置在弧面板506底部的第二齿轮513。

优选地，所述变攻角装置5还包括升降组件；所述升降组件包括升降电机514、升降丝杠515和两组直线升降导轨516；

其中，两组直线升降导轨516相对设置在第一支架508和第二支架509的内壁上，支座501左右两端分别与直线升降导轨516活动连接；升降丝杠515与支座501左侧活动连接，升降电机514通过升降丝杠515带动支座501在直线升降导轨516的约束下上下移动。

优选地，所述支座501上设置有多个腰型孔，用于使校测模型3或试件调整前后位置。

安装试验装置时，首先将校测模型3安装在支座501上，调整校测模型3前后(可以通过腰型孔)及上下(可以通过升降组件)位置使校测模型3前端上边缘与变攻角装置5的旋转轴重合，此时，无论变攻角装置5如何旋转，校测模型3前端边缘相对位置不变。然后调整变攻角装置5的位置，并使校测模型3前端边缘与矩形超音速喷管2的出口下边缘齐平紧贴，此时，校测模型3前端边缘、矩形超音速喷管2出口边缘、变攻角装置5的旋转轴三者重合，当变攻角装置5做攻角变化时，校测模型3前端边缘始终与矩形超音速喷管2的出口下边缘齐平紧密相接，从而保证气流附面层的连续性。

在一些实施例中，所述水冷热流传感器4安装在所述校测模型3内，并且所述水冷热流传感器4的热流探头和校测模型3的上表面齐平。

本发明对所述电弧加热器1和所述矩形超音速喷管2的连接方式不做具体限定，任何能实现两者紧密连接的连接方式均可，例如，两者可以通过法兰连接，并且连接处设置有密封圈。

(2)进行状态调试试验，运行电弧加热器1，利用变攻角装置5改变校测模型3的攻角，利用水冷热流传感器4测量不同状态下的冷壁热流并获得离散调试状态分布图。

优选地，按照如下方法改变攻角以获得不同状态的冷壁热流：

(a)从0°开始，按照3°/次的规律改变攻角，直至攻角达到18°；

(b)再从18°开始，按照6°/秒的速度将攻角连续变化到0°。

优选地，所述电弧加热器1的运行参数为：

电弧电流：1000～3000A；

电弧电压：3200～10000V；

气体流量：1600～2000g/s；

弧室压力：1.4～2.5MPa。

(3)将轨道曲线放置在离散调试状态分布图中，选取轨道曲线经过的离散调试状态，进行状态联调，利用变攻角装置5改变攻角，将离散状态串联，并调整攻角变化的速度使模拟的轨道曲线平滑，同时利用水冷热流传感器4实时跟踪模型表面热流变化。

(4)将正式试件替换水冷校测模型3，并保持相同的位置，按照联调的程序进行试件烧蚀。

在本发明提供的这一试验方法中，电弧加热器1产生的高温气流经过矩形超音速喷管2形成截面为矩形的高温高速气流，作用到紧接其后的校测模型3或试件上，并将矩形超音速喷管2附面层延伸到校测模型3或试件表面。试验过程中，可根据需要多次和连续地改变校测模型3或试件的攻角，同时利用水冷热流传感器4实时测量相应状态的冷壁热流。不同的攻角导致矩形超音速喷管2出口的斜激波强度不同，气流经斜激波后的参数也不相同，改变攻角与调整加热器参数相结合，增加了状态调试的可调参数，可扩大单一通过调整加热器参数而实现的试件表面热流/焓值的匹配范围；通过连续变化攻角，设定特定的变化形式(如速度、方向、加速度)，模型表面气动热参数连续变化，模拟高超飞行器飞行过程中所经历的气动热环境轨道，特别能够模拟骤升、骤降、抛物线等曲线，相比阶跃式台阶拟合，更加逼近真实飞行条件。

以下是本发明提供的具体实施例。

一种电弧加热器变攻角试验方法，所用的装置(如图1所示)包括电弧加热器1、矩形超音速喷管2、校测模型3、水冷热流传感器4和变攻角装置5，具体包括如下步骤：

(1)将电弧加热器1和矩形超音速喷管2通过法兰连接，并且在连接处设置密封圈，再将带有水冷热流传感器4的校测模型3(在本实施例中，水冷热流传感器4安装在所述校测模型3内，并且所述水冷热流传感器4的热流探头和校测模型3的上表面齐平)安装在变攻角装置5上并调整校测模型3的位置，直至校测模型3前端上边缘与变攻角装置5的旋转轴重合，然后调整变攻角装置5的位置，直至校测模型3前端上边缘同时也与矩形超音速喷管2的出口下边缘贴合。

具体地，如图2所示，所述变攻角装置5包括基座组件、旋转组件和用于安装校测模型3或试件的支座501；

所述基座组件包括底座502和设置在底座502左右两侧的第一侧板503和第二侧板504；

所述旋转组件包括：动力装置505(本实施例采用旋转电机)，固定设置在底座502的上表面；旋转装置，包括弧面板506和两个弧形导轨507，两个弧形导轨507相对设置在第一侧板503和第二侧板504的内壁上，弧面板506活动连接于弧形导轨507并可沿弧形导轨507往复运动，弧面板506在靠近左右两端的位置区域竖直安装有第一支架508和第二支架509；和传动装置；所述传动装置包括第一传动件和第二传动件；第一传动件包括与旋转电机连接的蜗杆510和与蜗杆510配合使用的蜗轮511；第二传动件包括在蜗轮511的带动下转动的第一齿轮512和与第一齿轮512啮合并固定设置在弧面板506底部的第二齿轮513；

所述支座501的左右两端活动安装在第一支架508和第二支架509的内壁上，可沿竖直方向往复移动；

使用时，动力装置505通过传动装置带动弧面板506在弧形导轨507的约束下旋转运动，使与弧面板506固接的第一支架508和第二支架509旋转，从而带动支座501旋转。

所述变攻角装置5还包括升降组件；所述升降组件包括升降电机514、升降丝杠515和两组直线升降导轨516；其中，两组直线升降导轨516相对设置在第一支架508和第二支架509的内壁上，支座501左右两端分别与直线升降导轨516活动连接；升降丝杠515与支座501左侧活动连接，升降电机514通过升降丝杠515带动支座501在直线升降导轨516的约束下上下移动。

所述支座501上设置有多个腰型孔，用于使校测模型3或试件调整前后位置。

安装试验装置时，首先将校测模型3安装在支座501上，调整校测模型3前后(可以通过腰型孔)及上下(可以通过升降组件)位置使校测模型3前端上边缘与变攻角装置5的旋转轴重合，此时，无论变攻角装置5如何旋转，校测模型3前端边缘相对位置不变。然后调整变攻角装置5的位置，并使校测模型3前端边缘与矩形超音速喷管2的出口下边缘齐平紧贴，此时，校测模型3前端边缘、矩形超音速喷管2出口边缘、变攻角装置5的旋转轴三者重合，当变攻角装置5做攻角变化时，校测模型3前端边缘始终与矩形超音速喷管2的出口下边缘齐平紧密相接，从而保证气流附面层的连续性。

(2)进行状态调试试验，运行电弧加热器1，利用变攻角装置5改变校测模型3的攻角，利用水冷热流传感器4测量不同状态下的冷壁热流并获得离散调试状态归一化分布图(见图3)。

具体地，所述电弧加热器的运行参数为：

电弧电流：1000A；

电弧电压：3200V；

气体流量：1600g/s；

弧室压力：1.4MPa。

待电弧加热器状态稳定后，将校测模型3从0°-18°以3°/次的间隔变化7个离散角度，随后以6°/s的速度从18°连续变化到0°。试验过程归一化热流测试曲线见图3。模型上不同位置点的热流不同，三条曲线分别代表其中三个典型位置的热流在不同攻角下的测试值。测试曲线前部分的7个平台代表7个攻角状态的热流参数，尾段是一连续变化曲线，由于水冷热流传感器4所处位置不同，其变化形态不同，图中列出三种典型的上升、下降、抛物线形态。可见，在水冷校测模型3相同位置，18°攻角热流最大为0°攻角的2.4倍，通过该试验技术能够增大了热流/焓值匹配范围，同一焓值情况下，热流可变化1-3倍。

其次，本发明还利用变攻角装置5进行了同一车次平板表面热流骤变、缓变、抛物线等典型曲线的近似模拟，如图4所示(图4中纵坐标代表冷壁热流，横坐标代表时间，单位均和图3相同)。当然，结合电弧加热器的变参数运行方式，能够更大范围、更为灵活地满足热防护地面试验中对轨道参数的模拟要求。从试验结果中可以看出，本发明提供的测试方法可实现典型形态轨道的模拟，比传统的阶跃式模拟更接近实际飞行环境。

同时上述试验结果也可看出，模型攻角变化结合长时间热流测试方法，可实现同一车次相当多不同工况的测量(相对于传统的单次瞬态热流测试)，大幅提升调试试验效率，减少试验周期。

(3)将轨道曲线放置在离散调试状态分布图中，选取轨道曲线经过的离散调试状态，进行状态联调，利用变攻角装置5改变攻角，将离散状态串联，同时利用水冷热流传感器4实时跟踪模型表面热流变化。

(4)将正式试件替换水冷校测模型3，并保持相同的位置，按照联调的程序进行试件烧蚀。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电弧加热器变攻角试验方法，其特征在于：包括如下步骤:

(1)将电弧加热器和矩形超音速喷管连接，再将带有水冷热流传感器的校测模型安装在变攻角装置上并调整校测模型的位置，直至校测模型前端上边缘位于变攻角装置的旋转轴位置，然后调整变攻角装置的位置，直至校测模型前端上边缘同时也与矩形超音速喷管的出口下边缘贴合；

(2)进行状态调试试验，运行电弧加热器，利用变攻角装置改变校测模型的攻角，利用水冷热流传感器测量不同状态下的冷壁热流并获得离散调试状态分布图；按照如下方法改变攻角以获得不同状态的冷壁热流：(a)从0°开始，按照3°/次的规律改变攻角，直至攻角达到18°；(b)再从18°开始，按照6°/秒的速度将攻角连续变化到0°；

(3)将轨道曲线放置在离散调试状态分布图中，选取轨道曲线经过的离散调试状态，进行状态联调，利用变攻角装置改变攻角，将离散状态串联，并调整攻角变化的速度使模拟的轨道曲线平滑，同时利用水冷热流传感器实时跟踪校测模型表面热流变化；

(4)将正式试件替换水冷校测模型，并保持相同的位置，按照联调的程序进行试件烧蚀；所述变攻角装置包括基座组件、旋转组件和用于安装校测模型或试件的支座；

所述基座组件包括底座和设置在底座左右两侧的第一侧板和第二侧板；

所述旋转组件包括：动力装置，固定设置在底座的上表面；旋转装置，包括弧面板和两个弧形导轨，两个弧形导轨相对设置在第一侧板和第二侧板的内壁上，弧面板活动连接于弧形导轨并可沿弧形导轨往复运动，弧面板在靠近左右两端的位置区域竖直安装有第一支架和第二支架；和传动装置；

所述支座的左右两端活动安装在第一支架和第二支架的内壁上，可沿竖直方向往复移动；

使用时，动力装置通过传动装置带动弧面板在弧形导轨的约束下旋转运动，使与弧面板固接的第一支架和第二支架旋转，从而带动支座旋转；

所述变攻角装置还包括升降组件；所述升降组件包括升降电机、升降丝杠和两组直线升降导轨；

其中，两组直线升降导轨相对设置在第一支架和第二支架的内壁上，支座左右两端分别与直线升降导轨活动连接；升降丝杠与支座左侧活动连接，升降电机通过升降丝杠带动支座在直线升降导轨的约束下上下移动。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述动力装置为旋转电机。

3.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于：所述传动装置包括第一传动件和第二传动件；第一传动件包括与旋转电机连接的蜗杆和与蜗杆配合使用的蜗轮；第二传动件包括在蜗轮的带动下转动的第一齿轮和与第一齿轮啮合并固定设置在弧面板底部的第二齿轮。

4.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述支座上设置有多个腰型孔，用于使校测模型或试件调整前后位置。

5.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述电弧加热器的运行参数为：

电弧电流：1000～3000A；

电弧电压：3200～10000V；

气体流量：1600～2000g/s；

弧室压力：1.4～2.5MPa。

6.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述水冷热流传感器安装在所述校测模型内，并且所述水冷热流传感器的热流探头和校测模型的上表面齐平。

7.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述电弧加热器和所述矩形超音速喷管通过法兰连接，并且连接处设置有密封圈。

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