CN109724768B - 一种高超声速风洞模型级间动态分离装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高超声速风洞模型级间动态分离装置及其应用。所述级间动态分离装置包括外套筒、设置在外套筒内的活塞杆、设置在活塞杆的一端用于驱动活塞杆沿轴向方向往复运动的气缸驱动装置和设置在活塞杆的另一端的曲柄连杆机构；曲柄连杆机构包括相对设置的两个曲柄连杆部件，曲柄连杆部件包括相连接的曲柄和连杆，连杆的一端连接在活塞杆上，曲柄的一端连接在外套筒上；气缸驱动装置通过驱动活塞杆沿轴向方向往复运动带动曲柄连杆机构向曲柄连杆机构的周边扩张运动或向曲柄连杆机构的中部收缩运动。本发明中的分离装置分离速度快、可靠性高、使用效率高，不会干涉分离后分离体级模型在流场中自由运动的过程。

Description

一种高超声速风洞模型级间动态分离装置及其应用

技术领域

本发明属于高超声速风洞模型级间动态分离试验技术领域，尤其涉及一种高超声速风洞模型级间动态分离装置及其应用。

背景技术

目前某些高超声速飞行器采用主体级和分离体级串联的布局方式，在主体级和分离体级的高超声速分离过程中，主体级和分离体级之间存在着复杂的流动现象，并伴随着相互干扰，严重影响到主体级和分离体级的气动特性和飞行姿态，甚至影响到分离方案的成败。因此，分离影响的大小如何、是否会造成主体级和分离体级在分离过程中发生碰撞而导致分离失败，需要进行相关风洞试验进行预先研究。

风洞模型级间动态分离试验过程中，主体级和分离体级首先保持一个整体，待风洞启动且来流平稳后开始分离，测量分离过程中模型研究位置的瞬态压力或气动力，同时用高速摄像方法实时记录下分离的动态过程。

风洞模型级间动态分离试验作为研究高超声速飞行器分离过程的重要手段，可以模拟分离过程中飞行器主体(主体级)和分离体(分离体级)的飞行姿态及相互位置关系，通过相应的测力、测压及高速摄像，可以获得飞行器主体和分离体在分离过程中的气动特性，及其分离轨迹。可为飞行器分离方案设计提供准确、可靠的试验数据，降低风险；同时，也可以评估现有高超声速飞行器分离方案的合理性和安全性。

研制风洞模型级间动态分离装置是建立风洞模型级间动态分离试验技术的关键技术之一，但是，目前，还未见有能在高超声速风洞试验环境下实现模型主体级和分离体级快速分离的分离装置的相关报道。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种高超声速风洞模型级间动态分离装置及其应用。本发明中的级间动态分离装置能实现高超声速风洞试验中模型主体级和分离体级之间的快速分离，分离速度快，可靠性高，本发明中的级间动态分离装置不会干涉分离后分离体级模型在流场中自由运动的过程。

为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种高超声速风洞模型级间动态分离装置，所述级间动态分离装置包括外套筒、设置在所述外套筒内的活塞杆、设置在所述活塞杆的一端用于驱动所述活塞杆沿轴向方向往复运动的气缸驱动装置和设置在所述活塞杆的另一端的曲柄连杆机构；所述曲柄连杆机构包括相对设置的两个曲柄连杆部件，所述曲柄连杆部件包括相连接的曲柄和连杆，所述连杆的一端连接在所述活塞杆上，所述曲柄的一端连接在所述外套筒上；所述气缸驱动装置通过驱动所述活塞杆沿轴向方向往复运动带动所述曲柄连杆机构向所述曲柄连杆机构的周边扩张运动或向所述曲柄连杆机构的中部收缩运动。

优选地，所述气缸驱动装置包括气缸和设置在所述气缸内的气缸活塞，所述气缸活塞的一端伸出所述气缸与所述活塞杆连接。

优选地，所述活塞杆通过联轴器和连接头与所述气缸活塞连接；所述连接头的一端与所述气缸活塞连接，所述连接头的另一端与所述联轴器连接。

优选地，所述气缸驱动装置内设置有气缸供气控制结构，所述气缸供气控制结构包括连接在所述气缸的轴向方向的两侧的第一气管和第二气管；所述第一气管上设置有用于控制所述第一气管充气或排气的第一电磁阀，所述第二气管上设置有用于控制所述第二气管充气或排气的第二电磁阀。

优选地，所述活塞杆设置有所述气缸驱动装置的一端设置有平键，所述外套筒上开设有与所述平键相配合的平键槽。

优选地，所述级间动态分离装置还包括气缸安装筒，所述气缸设置在所述气缸安装筒内，所述外套筒的一端与所述气缸安装筒的端部连接。

优选地，所述级间动态分离装置通过所述气缸安装筒固定在高超声速风洞的试验段内。

优选地，两个所述曲柄连杆部件包括的两个所述曲柄之间通过第一销轴连接在所述外套筒上，两个所述曲柄连杆部件包括的两个所述连杆之间通过第二销轴连接在所述活塞杆上。

优选地，每个所述曲柄连杆部件包括的所述曲柄和所述连杆之间通过第三销轴连接。

本发明在第二方面提供了本发明在第一方面所述的级间动态分离装置在高超声速风洞模型级间动态分离试验中的应用。

本发明与现有技术相比至少具有如下的有益效果：

(1)本发明中的级间动态分离装置分离速度快、可靠性高、使用效率高，本发明中的所述分离装置不干涉分离后分离体级模型(分离体模型)在流场中自由运动的过程，避免了由于分离轨迹的不准，而影响评估高超声速飞行器分离方案的合理性和安全性的问题。

(2)本发明中的级间动态分离装置能够承受风洞启动的冲击；在风洞启动时，强激波会对试验段中的模型及试验装置产生强烈的冲击，本发明中所述的分离装置中包括的气缸驱动装置能够通过所述活塞杆带动所述曲柄连杆机构向所述曲柄连杆机构的周边扩张运动，此时曲柄连杆机构张开向前和向上顶住分离体模型的内壁，分离体模型向前压紧主体级模型，分离体级与主体级形成一个整体，保证了主体级模型(主体模型)和分离体级模型的连接紧密性，不会出现模型松动甚至直接吹飞的现象，此时，所述分离装置能够起到模型支撑的作用，将分离体模型紧固住后，能有效抵御风洞启动时的冲击，保证了试验的安全性和可靠性。

(3)本发明中的所述级间动态分离装置实现了高超声速风洞试验模型主体级和分离体级快速分离，建立与发展了风洞模型级间动态分离试验技术；本发明中的所述级间动态分离装置结构紧凑、布局合理，适应于安装装置的空间大小有限的环境，并且使用方便、分离速度快、使用效率高、稳定性好、可靠性高，可满足高超声速风洞模型级间动态分离试验的要求，能够广泛应用于风洞试验等领域。

附图说明

本发明附图仅仅为说明目的提供，图中的尺寸不一定与实际产品一致。

图1是本发明一个具体实施方式中的高超声速风洞模型级间动态分离装置的结构示意图。

图2是图1中A部分的放大图。

图3是图1的部分结构示意图。

图4是图1中级间动态分离装置在应用过程中，分离体级模型与曲柄连杆机构之间的位置关系图。

图5是图1中气缸驱动装置中设置的气缸供气控制结构的气控配管图。

图中：1：外套筒；1-1：平键槽；2：活塞杆；2-1：平键；3：气缸驱动装置；3-1：气缸；3-2：气缸活塞；3-3：第一气管；3-31：第一电磁阀；3-4：第二气管；3-41：第二电磁阀；4：曲柄连杆部件；4-1：曲柄；4-2：连杆；5：第一销轴；6：第二销轴；7：第三销轴；8：连接头；9：联轴器；10：气缸安装筒；10-1：延伸部；11：分离体级模型；12：储气罐。

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，下面将结合本发明中的实施例中的附图，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。

本发明在第一方面提供了一种高超声速风洞模型级间动态分离装置，图1是本发明一个具体实施方式中的高超声速风洞模型级间动态分离装置的结构示意图；图2是图1中A部分的放大图；图3是图1的部分结构示意图；图4是图1中级间动态分离装置在应用过程中，分离体级模型与曲柄连杆机构之间的位置关系图；图5是图1中气缸驱动装置中设置的气缸供气控制结构的气控配管图。

在本发明中，例如，如图1、图2和图3所示，所述级间动态分离装置包括外套筒1、设置在所述外套筒1内的活塞杆2、设置在所述活塞杆2的一端用于驱动所述活塞杆2沿轴向方向往复运动的气缸驱动装置3和设置在所述活塞杆2的另一端的曲柄连杆机构；所述曲柄连杆机构包括相对设置的两个曲柄连杆部件4，两个所述曲柄连杆部件4在结构尺寸上完全一致，所述曲柄连杆部件4包括相连接的曲柄4-1和连杆4-2，所述连杆4-2的一端连接在所述活塞杆2上，所述曲柄4-1的一端连接在所述外套筒1上；所述气缸驱动装置3通过驱动所述活塞杆2沿轴向方向往复运动带动所述曲柄连杆机构向所述曲柄连杆机构的周边扩张运动或向所述曲柄连杆机构的中部收缩运动，所述曲柄连杆机构在所述气缸驱动装置3的驱动以及所述活塞杆2的带动下形成了一同心圆的扩张或收缩运动，例如，如图4所示，图4中的两个同心圆示意了所述曲柄连杆机构的扩张运动或收缩运动的轨迹；在本发明中，两个所述曲柄连杆部件4上下相对地设置在所述活塞杆2的一端形成所述曲柄连杆机构，例如，如图1和图2所示；在本发明中，当所述气缸驱动装置3驱动所述活塞杆2沿轴向方向(活塞杆的轴向方向)向左运动时，所述活塞杆2带动所述曲柄连杆机构向周边扩张运动，所述曲柄连杆机构处于扩张状态(张开状态)；在本发明中，当所述气缸驱动装置3驱动所述活塞杆2沿轴向方向向右运动时，所述活塞杆2带动所述曲柄连杆机构向中部收缩运动，所述曲柄连杆机构处于收缩状态；在本发明中，所述活塞杆和所述外套筒之间例如可以同轴设置。

在本发明中，当所述级间动态分离装置应用在高超声速风洞模型级间动态分离试验中时，例如可以通过对气缸驱动装置3进行交替充、排气来驱动所述活塞杆2作往复运动，带动所述曲柄连杆机构作往复的扩张与收缩运动，能够实现高超声速风洞中主体级模型和分离体级模型11的连接与快速分离；当将所述级间动态分离装置应用在高超声速风洞模型级间动态分离试验中时，所述分离装置以一定的攻角安装在高超声速风洞试验段内的攻角机构背支撑装置上，安装过程中保证分离装置与主体级模型同轴，所述主体级模型固定在高超声速风洞中并设置在分离体级模型11的一侧(例如如图4所示的左侧)，所述级间动态分离装置设置有所述曲柄连杆机构的一端伸入所述分离体级模型11内，例如，如图4所示，所述分离体级模型11在所述气缸驱动装置3的驱动和所述活塞杆2的带动下通过所述曲柄连杆机构可操作地安装在所述级间动态分离装置上并且与所述主体级模型紧密贴合连接形成一个整体；当风洞启动、气流稳定后，通过控制气缸驱动装置3驱动分离装置运动部件的工作，使得分离体级模型11与主体级模型分离。

在本发明中，所述级间动态分离装置具有如下两个工况状态：

(1)模型支撑阶段(模型待分离阶段)；在此阶段，所述分离装置以一定的攻角固定在试验段内，分离体级模型安装在所述分离装置上；例如当所述气缸上设置有两个通气孔时，在模型支撑阶段，一个通气，另一个排气，使气缸活塞向前运动(例如向如图1所示的左侧运动)驱动曲柄连杆机构扩张运动，曲柄连杆机构此时张开向前和向上顶住分离体级模型的内壁，例如，如图4所示，曲柄连杆机构处于张开状态；在模型支撑阶段，曲柄连杆机构处于张开状态，曲柄向前、向上顶住分离体级模型的内壁，曲柄与分离体级模型之间能做到紧密接合，曲柄接触的部位与分离体级模型内壁配型，在本发明中，例如，所述分离体级模型的内周可以设置有环向凸块，例如，如图4所示，所述凸块一体成型于所述分离体级模型的内周，所述环向凸块的设置可以使得所述曲柄连杆机构与分离体级模型的内壁相接触的部分更好地配型；在本发明中，曲柄连杆机构处于张开状态时，分离体级模型受到向前的轴向力，分离体级模型向前压紧主体级模型，分离体级与主体级形成一个整体，所述分离体级模型受到的轴向力的大小由气缸的供气压力决定，气缸的供气压力根据试验时模型所受载荷来决定，需要能抵御风洞启动时的冲击。

(2)模型分离阶段；在此阶段，所述分离装置将分离体级模型瞬间释放，不会干涉模型分离后在流场中自由运动的过程；在模型分离阶段，例如气缸的两个通气孔在电磁阀的作用下通气和排气方式发生反转，将气缸活塞迅速向后推动(例如向如图1所示的右侧推动)，带动曲柄连杆机构向后迅速收缩，此时曲柄连杆机构处于收缩状态，曲柄与分离体级模型迅速脱离，瞬间分离体级与主体级完成分离，整个分离装置不影响分离体级模型分离后的自由运动过程。

本发明中的级间动态分离装置结构紧凑、布局合理、使用方便、分离速度快、使用效率高、稳定性好、可靠性高，可满足高超声速风洞模型级间动态分离试验过程中快速分离模型的要求，能够广泛应用于风洞试验等领域；本发明中的所述分离装置能够起到模型支撑的作用，将分离体模型紧固住后，能有效抵御风洞启动时的冲击，保证了试验的安全性和可靠性；本发明中的所述分离装置不干涉分离后分离体级模型在流场中自由运动的过程，避免了由于分离轨迹的不准，而影响评估高超声速飞行器分离方案的合理性和安全性的问题。

根据一些优选的实施方式，所述级间动态分离装置还包括分离体级模型11和固定在高超声速风洞中的主体级模型；所述主体级模型设置在所述分离体级模型11的一侧，所述活塞杆2和所述外套筒1设置有所述曲柄连杆机构的一端伸入所述分离体级模型11的内部。

根据一些优选的实施方式，所述分离体级模型11的内周可以设置有环向凸块，例如，如图4所示，所述环向凸块一体成型于所述分离体级模型11的内周，所述环向凸块的设置有利于所述曲柄连杆机构扩张运动时更稳定地顶住所述分离体级模型的内壁。

根据一些优选的实施方式，所述气缸驱动装置3包括气缸3-1和设置在所述气缸3-1内的气缸活塞3-2，所述气缸活塞3-2的一端伸出所述气缸3-1与所述活塞杆2连接，例如，如图1和图3所示。

根据一些优选的实施方式，所述活塞杆2通过联轴器9和连接头8与所述气缸活塞3-2连接，此时气缸活塞3-2的往复运动通过所述连接头8和所述联轴器9带动所述活塞杆2运动；所述连接头8的一端与所述气缸活塞3-2连接，所述连接头8的另一端与所述联轴器9连接；在本发明中，所述连接头8的一端例如可以与所述气缸活塞3-2螺纹连接，另一端与所述联轴器9连接。

根据一些优选的实施方式，所述气缸驱动装置3内设置有气缸供气控制结构，所述气缸供气控制结构包括连接在所述气缸3-1的轴向方向的两侧(例如如图5所示的气缸的左右两侧)的第一气管3-3和第二气管3-4；所述第一气管3-3上设置有用于控制所述第一气管3-3充气或排气的第一电磁阀3-31，所述第二气管3-4上设置有用于控制所述第二气管3-4充气或排气的第二电磁阀3-41，例如，如图5所示；在本发明中，所述气缸3-1上例如设置有两个通气孔，所述第一气管和所述第二气管连接在所述通气孔上。

在本发明中，当需要使得所述曲柄连杆机构张开状态时，所述气缸供气控制结构的控制过程为：所述第二电磁阀3-41工作控制第二气管3-4对气缸3-1右侧进行充气，所述第一电磁阀3-31工作控制第一气管3-3使气缸3-1左侧对外排气，气缸活塞3-2受气体压力作用向如图1所示的左侧快速运动至行程最左端，所述气缸活塞3-3驱动所述活塞杆2沿轴向向左侧运动，从而带动所述曲柄连杆机构向前扩张运动，所述曲柄连杆机构处于张开状态，并且在气缸3-1气体压力持续作用下保持张开状态；在本发明中，当需要分离体级模型11分离时，需要使得所述曲柄连杆机构收缩运动，所述气缸供气控制结构控制电磁阀反向工作，第一电磁阀3-31工作控制第一气管3-3对气缸3-1左侧进行充气，第二电磁阀3-41工作控制第二气管3-4使气缸3-1右侧对外排气，气缸活塞3-2受气体压力作用向如图1所示的右侧快速运动至行程最右端，所述气缸活塞3-2驱动所述活塞杆2沿轴向向右侧运动，从而带动所述曲柄连杆机构向后收缩运动，所述曲柄连杆机构处于收缩状态，并且在气缸3-1气体压力持续作用下保持收缩状态，此时曲柄4-1与分离体级模型11迅速脱离，整个分离装置不影响分离体级模型11分离后的自由运动过程。

根据一些优选的实施方式，所述气缸供气控制结构还包括储气罐12，所述第一气管3-3和所述第二气管3-4之间以并联的方式连接在所述储气罐12和所述气缸3-1之间，例如，如图5所示。在本发明中，所述储气罐用于储存气源。

根据一些优选的实施方式，所述活塞杆2设置有所述气缸驱动装置3的一端设置有平键2-1，所述外套筒1上开设有与所述平键2-1相配合的平键槽1-1(平键运动槽)；在本发明中，例如可以在所述活塞杆2的外周上侧和/或所述活塞杆2的外周下侧设置有所述平键2-1，所述外套筒1的内周上设置有与所述平键2-1相配合的所述平键槽1-1；在本发明中，优选为所述活塞杆2上设置了所述平键2-1，所述外套筒1相应位置开设有所述平键槽1-1，所述平键2-1和所述平键槽1-1的设置一方面能用来作活塞杆2的运动导向，能有效防止活塞杆2发生除了前后运动(沿轴向的往复运动)外的其它方向运动，另一方面能用来给活塞杆2的运动增加限位；在本发明中，所述平键槽1-1的导向、限位功能能有效提高整个所述级间动态分离装置的运动平稳性与安全可靠性。

根据一些优选的实施方式，所述级间动态分离装置还包括气缸安装筒10，所述气缸3-1设置在所述气缸安装筒10内，所述外套筒1的一端与所述气缸安装筒的端部连接(例如通过螺纹连接的方式连接)；在本发明中，所述气缸3-1例如通过螺纹连接的方式安装在所述气缸安装筒10的内部；在本发明中，所述气缸安装筒10的内部例如可以设置空腔，所述空腔用于容置所述气缸3-1和气缸供气控制结构，例如，如图1和图3所示(图1和图3中未示出气缸供气控制结构)。

根据一些优选的实施方式，所述级间动态分离装置通过所述气缸安装筒10固定在高超声速风洞的试验段内。

根据一些优选的实施方式，所述气缸安装筒10的外周的一侧设置有延伸部10-1，所述延伸部10-1上开设有多个用于将所述气缸安装筒10安装固定在高超声速风洞的试验段内的螺纹孔，例如，如图1和图3所示。

根据一些优选的实施方式，两个所述曲柄连杆部件4包括的两个所述曲柄4-1之间通过第一销轴5连接在所述外套筒1上，两个所述曲柄连杆部件4包括的两个所述连杆4-2之间通过第二销轴6连接在所述活塞杆2上；在本发明中，优选为两个所述曲柄4-1之间共用同一第一销轴5连接在所述外套筒1上，并且优选为两个所述连杆4-2之间共用同一第二销轴6连接在所述活塞杆2上。

根据一些优选的实施方式，每个所述曲柄连杆部件4包括的所述曲柄4-1和所述连杆4-2之间通过第三销轴7连接。

本发明在第二方面提供了本发明在第一方面所述的级间动态分离装置在高超声速风洞模型级间动态分离试验中的应用。

特别说明的是，术语“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高超声速风洞模型级间动态分离装置，其特征在于：

所述级间动态分离装置包括外套筒、设置在所述外套筒内的活塞杆、设置在所述活塞杆的一端用于驱动所述活塞杆沿轴向方向往复运动的气缸驱动装置和设置在所述活塞杆的另一端的曲柄连杆机构；

所述曲柄连杆机构包括相对设置的两个曲柄连杆部件，所述曲柄连杆部件包括相连接的曲柄和连杆，所述连杆的一端连接在所述活塞杆上，所述曲柄的一端连接在所述外套筒上；

所述气缸驱动装置通过驱动所述活塞杆沿轴向方向往复运动带动所述曲柄连杆机构向所述曲柄连杆机构的周边扩张运动或向所述曲柄连杆机构的中部收缩运动；

所述活塞杆设置有所述气缸驱动装置的一端设置有平键，所述外套筒上开设有与所述平键相配合的平键槽；

所述级间动态分离装置还包括分离体级模型和固定在高超声速风洞中的主体级模型；所述主体级模型设置在所述分离体级模型的一侧，所述活塞杆和所述外套筒设置有所述曲柄连杆机构的一端伸入所述分离体级模型的内部；

所述分离体级模型的内周设置有环向凸块，所述环向凸块一体成型于所述分离体级模型的内周。

2.根据权利要求1所述的级间动态分离装置，其特征在于：

所述气缸驱动装置包括气缸和设置在所述气缸内的气缸活塞，所述气缸活塞的一端伸出所述气缸与所述活塞杆连接。

3.根据权利要求2所述的级间动态分离装置，其特征在于：

所述活塞杆通过联轴器和连接头与所述气缸活塞连接；

所述连接头的一端与所述气缸活塞连接，所述连接头的另一端与所述联轴器连接。

4.根据权利要求2所述的级间动态分离装置，其特征在于：

所述气缸驱动装置内设置有气缸供气控制结构，所述气缸供气控制结构包括连接在所述气缸的轴向方向的两侧的第一气管和第二气管；

所述第一气管上设置有用于控制所述第一气管充气或排气的第一电磁阀，所述第二气管上设置有用于控制所述第二气管充气或排气的第二电磁阀。

5.根据权利要求1所述的级间动态分离装置，其特征在于：

所述级间动态分离装置还包括气缸安装筒，所述气缸设置在所述气缸安装筒内，所述外套筒的一端与所述气缸安装筒的端部连接。

6.根据权利要求5所述的级间动态分离装置，其特征在于：

所述级间动态分离装置通过所述气缸安装筒固定在高超声速风洞的试验段内。

7.根据权利要求1至6任一项所述的级间动态分离装置，其特征在于：

两个所述曲柄连杆部件包括的两个所述曲柄之间通过第一销轴连接在所述外套筒上，两个所述曲柄连杆部件包括的两个所述连杆之间通过第二销轴连接在所述活塞杆上。

8.根据权利要求7所述的级间动态分离装置，其特征在于：

每个所述曲柄连杆部件包括的所述曲柄和所述连杆之间通过第三销轴连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的级间动态分离装置在高超声速风洞模型级间动态分离试验中的应用。

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