CN109799030B

CN109799030B - 一种适用于高焓气流的水冷式压力测量探头

Info

Publication number: CN109799030B
Application number: CN201811564631.0A
Authority: CN
Inventors: 刘丽萍; 王国林; 张军; 罗杰; 马昊军; 赵长浩; 肖学仁
Original assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN109799030A

Abstract

本发明涉及一种适用于高焓气流的水冷式压力测量探头，包括壳体、第一封闭件、第二封闭件、第一进气管、第二进气管、测试孔、支撑件和底板；壳体包括外壳和内壳，外壳上设有第一进水口和第一出水口，外壳和内壳之间设有后端封闭的中空夹层；中空夹层包括前区和后区，前区被沿壳体长度方向设置的两个阻挡部分隔为上腔和下腔，上腔和后区连通，下腔和后区之间设有密封部进行封堵；第一进水口位于下腔下侧，第一出水口位于后区下侧；第一封闭件包括用于封闭外壳前端的外封闭件和用于封闭内壳前端的内封闭件，两者之间具有连通上腔和下腔的前腔。该装置可以满足采用高焓设备开展防热材料地面模拟试验驻点压力的测量需求。

Description

一种适用于高焓气流的水冷式压力测量探头

技术领域

本发明涉及地面防热试验技术领域，尤其涉及一种适用于高焓气流的水冷式压力测量探头。

背景技术

高超声速飞行器研制是我国航空航天领域未来长期的战略目标，其在严酷的服役环境中受严重的气动加热作用，产生的高热流密度和高温严重威胁着飞行器和人员的安全，为此需对其热防护材料开展地面模拟试验。由于高温边界层内流场参数和流动化学状态控制着高超声速飞行器表面的气动热载荷，在地面模拟试验中，必须确保常规的压力、热流、焓值等“三参数”和飞行环境一致，因此开展地面高焓模拟设备来流的压力测量就显得尤为重要。

评估和鉴定热防护系统的防、隔热性能，需要能够模拟飞行气动热环境的高焓设备中进行大量地面试验。此类试验大都在燃烧加热设备、电弧加热设备和高频等离子体加热设备上进行。这类设备来流气体温度一般在3000～10000K之间，因此需要设计一种用于高焓气流中水冷式压力测量探头，满足地面模拟试验所需。

常规的防热材料地面模拟设备产生的高焓、高温气流对传统的压力测量探头测压时带来了极大的挑战。若采用常规的压力测量探头测压时，高焓、高温气流会烧损测压探头，使得压力探头内的进气温度升高膨胀严重影响测试结果，因此需要设计一种用于高焓气流中水冷式压力测量探头，保证压力结果的准确性，满足地面模拟试验所需。

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适用于高焓气流的水冷式压力测量探头。

(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：

一种适用于高焓气流的水冷式压力测量探头，用于将高焓气流传输至压力传感器进行测量，包括壳体、第一封闭件、第二封闭件、第一进气管、第二进气管、测试孔、支撑件和底板；

壳体包括外壳和内壳，外壳上设有第一进水口和第一出水口，外壳和内壳之间设有后端封闭的中空夹层；中空夹层包括前区和后区，前区被沿壳体长度方向设置的两个阻挡部分隔为上腔和下腔，上腔和后区连通，下腔和后区之间设有密封部进行封堵；第一进水口位于下腔下侧，第一出水口位于后区下侧；

第一封闭件包括用于封闭外壳前端的外封闭件和用于封闭内壳前端的内封闭件，两者之间具有连通上腔和下腔的前腔；外封闭件的前端面上设置有测试孔；第二封闭件用于封闭壳体后端；

支撑件为具有空腔的结构，一端和第二封闭件连接，另一端和底板连接；支撑件空腔内设置有第二进气管，所述空腔形成冷却水腔，用于对第二进气管进行冷却；

第一进气管位于内壳的空腔内，前端穿过内封闭件与测试孔连通，后端穿过第二封闭件与第二进气管连接；

第二进气管用于将第一进气管输送来的气体输送至压力传感器。

优选地，所述测试孔的直径为所述第一进气管直径的0.3～0.6倍。

优选地，所述测试孔的直径为2～5mm。

可选地，所述外封闭件具有与外壳相同的外径，后端区域具有与外壳相同的内径，前端区域的内径缩小但大于内壳的外径；

所述内封闭件具有与内壳相同的外径和内径，并且外壁上设置有多个固定部，用于固定连接外封闭件和内封闭件。

可选地，所述壳体被区分为上壳区和下壳区，两者以两个阻挡部为边界，其中，上壳区后端延伸至下壳区后端的外侧；和

所述内壳后端设置有延伸至所述外壳后端的延伸部，用于固定连接壳体和第二封闭件。

可选地，所述第二封闭件根据所述壳体配做，包括底面和设置在底面上并与所述延伸部固定连接的第一壳体；

其中，所述第一壳体的下端和所述支撑件固定连接，并且所述第一壳体的下端设置有供所述第一进气管通过的通孔。

可选地，所述支撑件的上部设置有第二出水口，所述支撑件的下部设置有第二进水口。

可选地，所述第一进水口和所述底板之间设置有进水管，所述第一出水口和所述底板之间设置有出水管；和

所述底板上设置有与进水管连通的进水管路，与出水管连通的出水管路。

可选地，所述底板上还设置有测量管路，所述测量管路与第二进气管的出气口连通。

可选地，所述壳体、第一封闭件和所述第二封闭件均采用黄铜材料制成；

所述第一进气管和所述第二进气管均采用T3材料制成；和

所述支撑件和所述底板均采用H62黄铜材料制成。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

针对目前传统压力测量探头对高焓、高温流场驻点压力测量适应性差以及测量误差较大的问题，本发明提出了一种用于高焓气流中的水冷式压力测量探头，可以满足采用高焓设备开展防热材料地面模拟试验驻点压力的测量需求，实现了低成本、结构简单、使用寿命长、测量效果好等目标，极大地提高了高超声速飞行器热防护材料使用性能考核可靠性。

本发明提供的装置中的第一封闭件和壳体的独特设计可以对装置进行大面积冷却，避免装置被烧损，还可以避免高温对测试结果的影响。

气体在被输送至压力传感器的过程中由壳体和支撑件提供冷却保护，防止测试气体受热膨胀影响压力的测量结果。

附图说明

图1是本发明提供的水冷式压力测量探头的剖视图；

图2是壳体的结构示意图；其中，2-1为外壳的剖视图，2-2为内壳的剖视图，2-3为内壳某一角度的视图；2-4为图2-2中的A-A剖面图，2-5为图2-2中的B-B剖面图；

图3是第一封闭件的结构示意图；其中，3-1为外封闭件的剖视图，3-2为内封闭件的剖视图，3-3为图3-2中的A-A剖面图；

图4是第二封闭件的剖视图；

图5是底板的结构示意图；其中，5-1为剖视图，5-2为俯视图，5-3为图5-2中的A-A剖面图，5-4为图5-2中的B-B剖面图，5-5为图5-2中的C-C剖面图，5-6为图5-1中的D-D剖面图；

图6为驻点压力测量曲线。

图中：1：壳体；101：外壳；102：内壳；103：第一进水口；104：第一出水口；105：中空夹层；106：阻挡部；107：上腔；108：下腔；109：密封部；110：延伸部；111：进水管；112：出水管；

2：第一封闭件；201：外封闭件；202：内封闭件；203：前腔；204：固定部；

3：第二封闭件；301：底面；302：第一壳体；303：通孔；

4：第一进气管；5：第二进气管；6：测试孔；

7：支撑件；701：冷却水腔；702：第二出水口；703：第二进水口；

8：底板；801：进水管路；802：出水管路；803：测量管路。

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。

图1为本发明提供的水冷式压力测量装置的结构示意图，图2是壳体的结构示意图，如图1和图2(包括2-1、2-2、2-3、2-4、2-5)所示，一种适用于高焓气流的水冷式压力测量探头，用于将高焓气流传输至压力传感器进行测量，所述压力测量探头包括壳体1、第一封闭件2、第二封闭件3、第一进气管4、第二进气管5、测试孔6、支撑件7和底板8；所述壳体、第一封闭件和所述第二封闭件可以采用黄铜材料制成，所述第一进气管和所述第二进气管可以采用T3材料制成，所述支撑件和所述底板可以采用H62黄铜材料制成。需要说明的是，上述材料均为市场上可以购买到的材料，本发明对其来源不做限定。

具体地，壳体1包括外壳101和内壳102，外壳101上设有第一进水口103和第一出水口104，外壳101和内壳102之间设有后端封闭的中空夹层105；中空夹层105包括前区和后区，前区被沿壳体长度方向设置的两个阻挡部106分隔为上腔107和下腔108，上腔107和后区连通，下腔108和后区之间设有密封部109进行封堵；第一进水口103位于下腔108下侧，第一出水口104位于后区下侧；在设计时，两个阻挡部可以相对设置，从而将中空夹层105的前区等分。

第一封闭件2包括用于封闭外壳101前端的外封闭件201和用于封闭内壳102前端的内封闭件202，外封闭件201保证气流不会进入壳体内，内封闭件202保证壳体1内的水道不漏水，外封闭件201和内封闭件202之间具有连通上腔107和下腔108的前腔203；外封闭件201的前端面上设置有测试孔6；实际设计时，外封闭件的前端面可以根据试验模型大小和形状确定尺寸，还可以倒角外径的四分之一，测试孔6可以设置在前端面的圆心处；

第二封闭件3用于封闭壳体1后端；

支撑件7为具有空腔的结构，一端和第二封闭件3连接，另一端和底板8连接；支撑件7空腔内设置有第二进气管5，所述空腔形成冷却水腔701，用于对第二进气管5进行冷却；

第一进气管4位于内壳102的空腔内，前端穿过内封闭件202与测试孔6连通，后端穿过第二封闭件3与第二进气管5连接；

第二进气管5用于将第一进气管4输送来的气体输送至压力传感器。

具有该结构的壳体可以形成独特的冷却水道，测试时，冷却水从第一进水口103进入下腔108中，经过前腔203流入上腔107内。由于中空夹层105的后区和上腔107连通，所以上腔107内的冷却水流入中空夹层105的后区，最后再通过第一出水口104流出壳体。

由上述描述可知，该壳体1在测试过程中可以充分地被冷却水冷却，从而保护装置不容易被高焓、高温流场烧损掉。另外，本发明设计的这一壳体在壳体1前端面的后方设计有前腔203，利用前腔203实现对壳体1前端面的大面积冷却，相比较传统的环形水道，具有更好的冷却效果，避免入射气流烧损装置前端。同时，壳体1还可以对第一进气管4间接进行冷却，防止进入进气管中的气体在输送过程中受热膨胀。

本发明提供的这一装置中，支撑件7可以使装置水平轴与气流的方向一致，起到支撑作用。同时，支撑件7还利用冷却水腔701对第二进气管5进行冷却，从而防止测试气体受热膨胀影响压力的测量结果。

优选地，在一些实施例中，所述测试孔6的直径为所述第一进气管4直径的0.3～0.6倍。进一步优选地，所述测试孔6的直径为2～5mm(例如，可以具体为2mm、3mm、4mm、5mm)。在测试时，测试孔6垂直入射来流，进入测试孔6的气流再通过第一进气管4和第二进气管5输送至压力传感器中进行测试。本发明优选地将测试孔6的直径限定在第一进气管4直径的0.3～0.6倍，以保证气流到达测试孔6位置处时的压力已经基本恢复到同来流压力相等的数值，从而确保测试结果的精确性。

可选地，如图3(包括3-1、3-2和3-3)所示，所述外封闭件201具有与外壳101相同的外径，从而可以与外壳101平齐固接在一起，保证流场的一致性，后端区域具有与外壳101相同的内径，前端区域的内径缩小但大于内壳102的外径；所述内封闭件202具有与内壳102相同的外径和内径，并且外壁上设置有多个固定部204，用于固定连接外封闭件201和内封闭件202，使两者可以更加牢固地结合。外封闭件201的前端面上设置有测试孔6，内封闭件202的前端面上也开设有通孔(见图3-2和3-3所示)，使第一进气管4穿过。

可选地，如图2所示，所述壳体1被区分为上壳区和下壳区，两者以两个阻挡部106为边界，其中，上壳区后端延伸至下壳区后端的外侧；和所述内壳102后端设置有延伸至所述外壳101后端的延伸部110，用于固定连接壳体1和第二封闭件3。由于中空夹层105的后端封闭(保证不会漏水)，所以可以从图2-2所示的内壳的后端看到封闭中空夹层105后端的结构，在延伸部110的前端。

可选地，如图4所示，所述第二封闭件3根据所述壳体1配做，包括底面301和设置在底面301上并与所述延伸部110固定连接的第一壳体302；

其中，所述第一壳体302的下端和所述支撑件7固定连接，并且所述第一壳体302的下端设置有供所述第一进气管4通过的通孔303。

可选地，如图1所示，所述支撑件7的上部设置有第二出水口702，所述支撑件7的下部设置有第二进水口703，第二出水口702和第二进水口703可以通过接管嘴与进水装置和出水装置连接。

在一些实施例中，所述第一进水口103和所述底板8之间设置有进水管111，所述第一出水口104和所述底板8之间设置有出水管112；和

如图5(包括5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6)所示，所述底板8上设置有与进水管111连通的进水管路801，与出水管112连通的出水管路802。所述底板8上还可以设置有测量管路803，所述测量管路803与第二进气管5的出气口连通。

更为全面地，本发明提供了一种适用于高焓气流的水冷式压力测量探头，用于将高焓气流传输至压力传感器进行测量，如图1至图5所示，所述压力测量探头包括壳体1、第一封闭件2、第二封闭件3、第一进气管4、第二进气管5、测试孔6、支撑件7和底板8；所述测试孔6的直径为所述第一进气管4直径的0.3～0.6倍，进一步优选地，所述测试孔6的直径为2～5mm；所述壳体、第一封闭件和所述第二封闭件采用黄铜材料制成，所述第一进气管和所述第二进气管采用T3材料制成，所述支撑件和所述底板采用H62黄铜材料制成。

具体地，壳体1包括外壳101和内壳102，外壳101上设有第一进水口103和第一出水口104，外壳101和内壳102之间设有后端封闭的中空夹层105；中空夹层105包括前区和后区，前区被沿壳体长度方向设置的两个阻挡部106分隔为上腔107和下腔108，上腔107和后区连通，下腔108和后区之间设有密封部109进行封堵；第一进水口103位于下腔108下侧，第一出水口104位于后区下侧；第一进水口103和所述底板8之间设置有进水管111，所述第一出水口104和所述底板8之间设置有出水管112；壳体1被区分为上壳区和下壳区，两者以两个阻挡部106为边界，其中，上壳区后端延伸至下壳区后端的外侧；和所述内壳102后端设置有延伸至所述外壳101后端的延伸部110，用于固定连接壳体1和第二封闭件3；

第一封闭件2包括用于封闭外壳101前端的外封闭件201和用于封闭内壳102前端的内封闭件202，两者之间具有连通上腔107和下腔108的前腔203；外封闭件201的前端面上设置有测试孔6；外封闭件201具有与外壳101相同的外径，后端区域具有与外壳101相同的内径，前端区域的内径缩小但大于内壳102的外径；内封闭件202具有与内壳102相同的外径和内径，并且外壁上设置有多个固定部204，用于固定连接外封闭件201和内封闭件202；

第二封闭件3用于封闭壳体1后端，其结构根据所述壳体1配做，包括底面301和设置在底面301上并与所述延伸部110固定连接的第一壳体302；其中，所述第一壳体302的下端和所述支撑件7固定连接，并且所述第一壳体302的下端设置有供所述第一进气管4通过的通孔303；

支撑件7为具有空腔的结构，一端和第二封闭件3连接，另一端和底板8连接；支撑件7空腔内设置有第二进气管5，所述空腔形成冷却水腔701，用于对第二进气管5进行冷却；支撑件7的上部设置有第二出水口702，所述支撑件7的下部设置有第二进水口703；

第二进气管5用于将第一进气管4输送来的气体输送至压力传感器；

所述底板8上设置有与进水管111连通的进水管路801，与出水管112连通的出水管路802，所述底板8上还设置有测量管路803，所述测量管路803与第二进气管5的出气口连通。

工作原理：

水冷式压力测量探头前端开设有测试孔6，高焓空气射流进入该测试孔6，依次经过第一进气管4、第二进气管5传至精密压力传感器(例如，GYG型)进行测压。在亚音速和超音速流动情形中，由于存在支杆干扰和受到高焓气体小雷诺数的影响，需对常规皮托压力计算公式进行适当修正，才能准确测量气体压力。在进行地面高焓模拟设备来流压力的测量过程中，为了保证水冷式压力测量探头不被高焓、高温流场烧损掉，可以将进水管111的进水压力控制在不低于0.5Mpa，并将水冷式压力测量探头的底板8固定在送进机构底座上，按照一定的速度(较好地为20mm/s)匀速经过流场区域并返回原点，通过对整个流场进行扫描测量，以获得整个流场剖面和驻点信息。

利用上述装置进行驻点压力测量：

装置的参数为；

外封闭件前端面的直径为50mm，圆心处开有直径2mm的测试孔；

第一进气管采用规格型号Φ4×1mm管；

第二进气管采用规格型号Φ8×2mm管；

进水管采用规格型号Φ14×2mm管，高度与支撑件一致；

出水管采用规格型号Φ14×2mm管，高度与支撑件一致。

利用上述水冷式压力测量探头和CYG型压力传感器对高频等离子体风洞流场(焓值：30MJ/kg，热流：4.2MW/m²)的驻点压力进行测量，测试结果见图6。

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

1.一种适用于高焓气流的水冷式压力测量探头，用于将高焓气流传输至压力传感器进行测量，其特征在于，包括壳体、第一封闭件、第二封闭件、第一进气管、第二进气管、测试孔、支撑件和底板；

壳体包括外壳和内壳，外壳上设有第一进水口和第一出水口，外壳和内壳之间设有后端封闭的中空夹层；中空夹层包括前区和后区，前区被沿壳体长度方向设置的两个阻挡部分隔为上腔和下腔，上腔和后区连通，下腔和后区之间设有密封部进行封堵；第一进水口位于下腔下侧，第一出水口位于后区下侧；所述第一进水口和所述底板之间设置有进水管，所述第一出水口和所述底板之间设置有出水管；所述底板上设置有与进水管连通的进水管路，与出水管连通的出水管路；

第一封闭件包括用于封闭外壳前端的外封闭件和用于封闭内壳前端的内封闭件，两者之间具有连通上腔和下腔的前腔；外封闭件的前端面上设置有测试孔；所述外封闭件具有与外壳相同的外径，后端区域具有与外壳相同的内径，前端区域的内径缩小但大于内壳的外径；所述内封闭件具有与内壳相同的外径和内径，并且外壁上设置有多个固定部，用于固定连接外封闭件和内封闭件；第二封闭件用于封闭壳体后端；所述壳体被区分为上壳区和下壳区，两者以两个阻挡部为边界，上壳区后端延伸至下壳区后端的外侧；所述内壳后端设置有延伸至所述外壳后端的延伸部，用于固定连接壳体和第二封闭件；所述第二封闭件根据所述壳体配做，包括底面和设置在底面上并与所述延伸部固定连接的第一壳体；所述第一壳体的下端和所述支撑件固定连接，并且所述第一壳体的下端设置有供所述第一进气管通过的通孔；

第二进气管用于将第一进气管输送来的气体输送至压力传感器；

所述测试孔的直径为所述第一进气管直径的0.3～0.6倍，所述测试孔的直径为2～5mm。

2.根据权利要求1所述的水冷式压力测量探头，其特征在于：所述支撑件的上部设置有第二出水口，所述支撑件的下部设置有第二进水口。

3.根据权利要求1所述的水冷式压力测量探头，其特征在于：所述底板上还设置有测量管路，所述测量管路与第二进气管的出气口连通。

4.根据权利要求1所述的水冷式压力测量探头，其特征在于：所述壳体、第一封闭件和所述第二封闭件均采用黄铜材料制成；

所述第一进气管和所述第二进气管均采用T3材料制成；和

所述支撑件和所述底板均采用H62黄铜材料制成。