CN111289212B - 应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置。该动态分离装置从前至后依次包括三臂支撑体、包裹在轴套内驱动三臂支撑体运动的加长轴，和连接轴套并固定在风洞中部机构上的支撑联接体。该动态分离装置能够抵御气流冲击，主体级模型和分离体级模型在气流中保持初始位置不变，在接受分离指令后分离体级模型和主体级模型快速分离，分离体级模型在风洞流场中自由运动，直至掉落在轴套上成功回收。该动态分离装置具有结构紧凑、布局合理、使用方便、装配精度高、分离速度快、使用效率高、运动稳定性好和可靠性高的优点，而且更加经济，能够满足风洞模型级间动态分离试验过程中快速分离模型的要求，具有推广应用价值。

Description

应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置。

背景技术

目前，某些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，需要开展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，待风洞启动且气流平稳后开始分离，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和分离体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。

当前，亟需发展一种应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置。

本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置，其特点是，所述的动态分离装置从前至后依次包括三臂支撑体、包裹在轴套内驱动三臂支撑体运动的加长轴，和连接轴套并固定在风洞中部机构上的支撑联接体；连接轴套的半径为R；

所述的三臂支撑体的支撑体的中心轴线、三角推轴的中心轴线和加长轴的中心轴线同轴；

所述的支撑体为台阶管状体，从前至后，支撑体台阶Ⅰ为径向剖面半径R1的圆柱体Ⅰ，R1≤R；支撑体台阶Ⅱ为棱边是圆弧面、内切圆柱体半径是a的正三棱柱Ⅰ，支撑体台阶Ⅰ和支撑体台阶Ⅱ之间有空腔Ⅰ；支撑体台阶Ⅲ为棱边是圆弧面、内切圆柱体半径是b的正三棱柱Ⅱ，a<b；支撑体台阶Ⅳ为径向剖面半径R的圆柱体Ⅱ，支撑体的尾端插入轴套并通过轴套的径向的紧定螺钉固定；

所述的三角推轴前端为与正三棱柱Ⅰ径向剖面形状相同的正三棱柱Ⅲ，三角推轴前端位于支撑体的空腔Ⅰ中；三角推轴中部为圆柱体Ⅲ，圆柱体Ⅲ位于支撑体的中心轴线上，在支撑体内往复运动；三角推轴尾端为圆柱体Ⅳ，圆柱体Ⅳ插入加长轴的前端，并通过螺纹连接、螺母固定在加长轴的前端；

所述的支撑体的台阶Ⅰ和台阶Ⅳ之间，环抱有分别紧贴正三棱柱Ⅱ三个侧面的三个支撑垫，支撑垫的上表面为弧面，弧面半径为R；支撑垫与支撑体之间安装有通过支臂轴销交叉固定的槽型支臂与一型支臂；一型支臂的一端通过三角推轴销固定在三角推轴前端，一型支臂的另一端通过支撑垫轴销固定在支撑垫上；槽型支臂的一端通过固定在支撑体台阶Ⅲ的支撑体轴销固定在支撑体上，槽型支臂的另一端通过支撑垫销钉在支撑垫内的一型槽内直线运动；

所述的支撑联接体从前至后依次包括整流罩、前板、中间板和后板；前板、中间板和后板的下端固定在底板上，底板固定在联接板上，联接板固定在风洞中部机构上；前板、中间板和后板外部覆盖有U型罩，U型罩的下端罩在风洞中部机构上；整流罩为迎向风洞来流的锥体，锥体前端开孔套在轴套上并与轴套通过螺纹连接直至锥体后端搭接在前板的周向外沿，前板和中间板通过弧形板连接；

所述的支撑联接体的中心轴线上，从前至后依次安装有加长轴和固定在中间板背面的气缸，加长轴通过螺纹连接在气缸的活塞杆上，并通过锁紧螺母锁紧在活塞杆上；前板和中间板之间的空腔Ⅱ为锁紧螺母的操作空间；中间板和后板之间的空腔Ⅲ为气缸的安装空间；

气缸的活塞直线往复运动，带动加长轴和三角推轴直线往复运动，三角推轴带动一型支臂往复运动，一型支臂带动槽型支臂在支撑垫内的一型槽内直线往复运动，运动过程中一型支臂和槽型支臂形成的剪刀式运动张开和收回支撑垫，支撑垫张开时弧面顶紧分离体级模型的内壁，支撑垫收回时释放分离体级模型，收回的支撑垫与轴套和支撑体构成平滑过渡的圆柱体。

所述的支撑体台阶Ⅰ上安装有环形的挡板，挡板的端面上安装有压板，挡板的半径为R，挡板和压板封闭三臂支撑体的前端。

所述的支撑垫的弧面设置有花纹。

所述的支撑体轴销、支臂轴销、支撑垫销钉和三角推轴销的材质为42CrMo。

所述的槽型支臂和一型支臂材质为38CrMoAl。

所述的气缸的活塞的两侧各开有一个通气孔，通气孔内分别插入气管Ⅰ、气管Ⅱ，气管Ⅰ、气管Ⅱ连接在电磁阀的出气口，电磁阀控制气管Ⅰ或气管Ⅱ进气，导致气缸的活塞直线往复运动。

使用本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置进行级间动态分离风洞试验的过程如下：风洞试验前，主体级模型在前，安装在风洞背支撑机构上，分离体级模型在后，安装在本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置上，主体级模型和分离体级模型同轴且前后紧密贴合。风洞试验时，启动风洞，在风洞流场稳定后，三个支撑垫快速收回，分离体级模型与主体级模型分离，分离体级模型在自身重力以及所受气动力的影响下自由运动直至分离体级模型掉落在轴套上。

本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置采用气体驱动的方式，通过三臂支撑体将气缸活塞杆前后往复运动转化为模型支撑垫相对正交运动。三臂支撑体的三个支撑垫满足机械上的同步要求，三臂支撑体结构紧凑、运动功能稳定性好、分离速度快、可靠性高。

本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置能够承受风洞启动时的气流冲击。在风洞启动时，强激波会对试验段中的主体级模型、分离体级模型及动态分离装置产生强烈的冲击。本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置中的三个支撑垫和分离体级模型内壁之间具有足够大的静摩擦力，静摩擦力能够保证分离体级模型保持在初始位置不动，有效的避免了出现分离体级模型被吹飞的现象。静摩擦力能够通过加大支撑垫弧面的粗糙度、增大和保持气缸的供气压力三种途径实现。

本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置分离速度快，可靠性高，使用效率高，不干涉分离后分离体级模型在流场中自由运动的过程，避免由于分离体级模型分离轨迹的不准，而对飞行器分离方案的合理性和安全性评估产生影响。

综上所述，本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置能够抵御气流冲击，实现主体级模型和分离体级模型在气流中保持初始位置不变，在接受分离指令后实现分离体级模型和主体级模型快速分离，分离体级模型在风洞流场中自由运动，直至分离体级模型掉落本发明的在装置上成功回收。本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置具有结构紧凑、布局合理、使用方便、装配精度高、分离速度快、使用效率高、运动稳定性好和可靠性高的优点，相比较于其他的模型级间动态分离方式更加经济，能够满足风洞模型级间动态分离试验过程中快速分离模型的要求，具有推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置示意图(主视图)；

图2为本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置示意图(侧视图)；

图3为本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置中的三臂支撑体主视图；

图4为本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置中的三臂支撑体运动图；

图5为本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置在风洞中的安装示意图；

图6为本发明的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置中的三臂支撑体张开状态示意图。

图中，101.后板102.底板103.联接板104.U型罩105.气缸108.中间板109.弧形板110.锁紧螺母111.前板113.加长轴114.整流罩115.轴套116.螺母117.紧定螺钉118.三臂支撑体；

201.三角推轴202.支撑体203.支撑垫204.支撑体轴销205.支臂轴销207.支撑垫销钉209.槽型支臂210.一型支臂211.三角推轴销212.挡板213.压板214.支撑垫轴销。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1、2所示，本发明的模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置从前至后依次包括三臂支撑体118、包裹在轴套115内驱动三臂支撑体118运动的加长轴113，和连接轴套115并固定在风洞中部机构上的支撑联接体；连接轴套115的半径为R；

所述的三臂支撑体118的支撑体202的中心轴线、三角推轴201的中心轴线和加长轴113的中心轴线同轴；

如图3所示，所述的支撑体202为台阶管状体，从前至后，支撑体202台阶Ⅰ为径向剖面半径R1的圆柱体Ⅰ，R1≤R；支撑体202台阶Ⅱ为棱边是圆弧面、内切圆柱体半径是a的正三棱柱Ⅰ，支撑体202台阶Ⅰ和支撑体202台阶Ⅱ之间有空腔Ⅰ；支撑体202台阶Ⅲ为棱边是圆弧面、内切圆柱体半径是b的正三棱柱Ⅱ，a<b；支撑体202台阶Ⅳ为径向剖面半径R的圆柱体Ⅱ，支撑体202的尾端插入轴套115并通过轴套115的径向的紧定螺钉117固定；

所述的三角推轴201前端为与正三棱柱Ⅰ径向剖面形状相同的正三棱柱Ⅲ，三角推轴201前端位于支撑体202的空腔Ⅰ中；三角推轴201中部为圆柱体Ⅲ，圆柱体Ⅲ位于支撑体202的中心轴线上，在支撑体202内往复运动；三角推轴201尾端为圆柱体Ⅳ，圆柱体Ⅳ插入加长轴113的前端，并通过螺纹连接、螺母116固定在加长轴113的前端；

所述的支撑体202的台阶Ⅰ和台阶Ⅳ之间，环抱有分别紧贴正三棱柱Ⅱ三个侧面的三个支撑垫203，支撑垫203的上表面为弧面，弧面半径为R；支撑垫203与支撑体202之间安装有通过支臂轴销205交叉固定的槽型支臂209与一型支臂210；一型支臂210的一端通过三角推轴销211固定在三角推轴201前端，一型支臂210的另一端通过支撑垫轴销214固定在支撑垫203上；槽型支臂209的一端通过固定在支撑体202台阶Ⅲ的支撑体轴销204固定在支撑体202上，槽型支臂209的另一端通过支撑垫销钉207在支撑垫203内的一型槽内直线运动；

所述的支撑联接体从前至后依次包括整流罩114、前板111、中间板108和后板101；前板111、中间板108和后板101的下端固定在底板102上，底板102固定在联接板103上，联接板103固定在风洞中部机构上；前板111、中间板108和后板101外部覆盖有U型罩104，U型罩104的下端罩在风洞中部机构上；整流罩114为迎向风洞来流的锥体，锥体前端开孔套在轴套115上并与轴套115通过螺纹连接直至锥体后端搭接在前板111的周向外沿，前板111和中间板108通过弧形板109连接；

所述的支撑联接体的中心轴线上，从前至后依次安装有加长轴113和固定在中间板108背面的气缸105，加长轴113通过螺纹连接在气缸105的活塞杆上，并通过锁紧螺母110锁紧在活塞杆上；前板111和中间板108之间的空腔Ⅱ为锁紧螺母110的操作空间；中间板108和后板101之间的空腔Ⅲ为气缸105的安装空间；

气缸105的活塞直线往复运动，带动加长轴113和三角推轴201直线往复运动，三角推轴201带动一型支臂210往复运动，一型支臂210带动槽型支臂209在支撑垫203内的一型槽内直线往复运动，运动过程中一型支臂210和槽型支臂209形成的剪刀式运动张开和收回支撑垫203，如图4所示，支撑垫203张开时弧面顶紧分离体级模型的内壁，支撑垫203收回时释放分离体级模型，收回的支撑垫203与轴套115和支撑体202构成平滑过渡的圆柱体。

所述的支撑体202台阶Ⅰ上安装有环形的挡板212，挡板212的端面上安装有压板213，挡板212的半径为R，挡板212和压板213封闭三臂支撑体118的前端。

所述的支撑垫203的弧面设置有花纹。

所述的支撑体轴销204、支臂轴销205、支撑垫销钉207和三角推轴销211的材质为42CrMo。

所述的槽型支臂209和一型支臂210材质为38CrMoAl。

所述的气缸105的活塞的两侧各开有一个通气孔，通气孔内分别插入气管Ⅰ、气管Ⅱ，气管Ⅰ、气管Ⅱ连接在电磁阀的出气口，电磁阀控制气管Ⅰ或气管Ⅱ进气，导致气缸105的活塞直线往复运动。

实施例1

本实施例的级间动态分离风洞试验的具有两个阶段。

第一阶段：模型支撑阶段，也可称为模型待分离阶段。如图5所示，在此阶段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动态分离装置上，气缸105活塞杆向前运动，驱动加长轴113与三角推轴201向前运动，带动铰链使三对槽型支臂209与一型支臂210呈剪刀式运动，支撑垫203张开，三个支撑垫203在三个方向上顶住分离体级模型内壁，紧固分离体级模型，当支撑垫203顶住分离体级模型内壁时，气缸105活塞杆位移不动，气缸105持续提供推力。如图6所示，动态分离装置将分离体级模型紧固住后，能够抵御风洞气流冲击，实现模型分离体级模型与主体级模型在风洞气流冲击下初始位置保持不变。

第二阶段：模型分离阶段，也可称为模型分离阶段。动态分离装置将分离体级模型瞬间释放，释放后，三个支撑垫203迅速收回，不干涉分离体级模型分离后在流场中自由运动的过程，分离体级模型最终掉落在轴套115上回收。模型分离阶段气缸105的两个通气孔在电磁阀、排气阀的作用下通气和排气方式发生反转，将气缸105活塞杆迅速向后推动，驱动加长轴113与三角推轴201向后运动，带动铰链使三对槽型支臂209与一型支臂210呈剪刀式运动，三个支撑垫203同时收回，瞬间与分离体级模型分离。

上述实施例仅表达了本发明的典型实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置，其特征在于，所述的动态分离装置从前至后依次包括三臂支撑体（118）、包裹在轴套（115）内驱动三臂支撑体（118）运动的加长轴（113），和连接轴套（115）并固定在风洞中部机构上的支撑联接体；连接轴套（115）的半径为R；

所述的三臂支撑体（118）的支撑体（202）的中心轴线、三角推轴（201）的中心轴线和加长轴（113）的中心轴线同轴；

所述的支撑体（202）为台阶管状体，从前至后，支撑体（202）台阶Ⅰ为径向剖面半径R1的圆柱体Ⅰ，R1≤R；支撑体（202）台阶Ⅱ为棱边是圆弧面、内切圆柱体半径是a的正三棱柱Ⅰ，支撑体（202）台阶Ⅰ和支撑体（202）台阶Ⅱ之间有空腔Ⅰ；支撑体（202）台阶Ⅲ为棱边是圆弧面、内切圆柱体半径是b的正三棱柱Ⅱ，a<b；支撑体（202）台阶Ⅳ为径向剖面半径R的圆柱体Ⅱ，支撑体（202）的尾端插入轴套（115）并通过轴套（115）的径向的紧定螺钉（117）固定；

所述的三角推轴（201）前端为与正三棱柱Ⅰ径向剖面形状相同的正三棱柱Ⅲ，三角推轴（201）前端位于支撑体（202）的空腔Ⅰ中；三角推轴（201）中部为圆柱体Ⅲ，圆柱体Ⅲ位于支撑体（202）的中心轴线上，在支撑体（202）内往复运动；三角推轴（201）尾端为圆柱体Ⅳ，圆柱体Ⅳ插入加长轴（113）的前端，并通过螺纹连接、螺母（116）固定在加长轴（113）的前端；

所述的支撑体（202）的台阶Ⅰ和台阶Ⅳ之间，环抱有分别紧贴正三棱柱Ⅱ三个侧面的三个支撑垫（203），支撑垫（203）的上表面为弧面，弧面半径为R；支撑垫（203）与支撑体（202）之间安装有通过支臂轴销（205）交叉固定的槽型支臂（209）与一型支臂（210）；一型支臂（210）的一端通过三角推轴销（211）固定在三角推轴（201）前端，一型支臂（210）的另一端通过支撑垫轴销（214）固定在支撑垫（203）上；槽型支臂（209）的一端通过固定在支撑体（202）台阶Ⅲ的支撑体轴销（204）固定在支撑体（202）上，槽型支臂（209）的另一端通过支撑垫销钉（207）在支撑垫（203）内的一型槽内直线运动；

所述的支撑联接体从前至后依次包括整流罩（114）、前板（111）、中间板（108）和后板（101）；前板（111）、中间板（108）和后板（101）的下端固定在底板（102）上，底板（102）固定在联接板（103）上，联接板（103）固定在风洞中部机构上；前板（111）、中间板（108）和后板（101）外部覆盖有U型罩（104），U型罩（104）的下端罩在风洞中部机构上；整流罩（114）为迎向风洞来流的锥体，锥体前端开孔套在轴套（115）上并与轴套（115）通过螺纹连接直至锥体后端搭接在前板（111）的周向外沿，前板（111）和中间板（108）通过弧形板（109）连接；

所述的支撑联接体的中心轴线上，从前至后依次安装有加长轴（113）和固定在中间板（108）背面的气缸（105），加长轴（113）通过螺纹连接在气缸（105）的活塞杆上，并通过锁紧螺母（110）锁紧在活塞杆上；前板（111）和中间板（108）之间的空腔Ⅱ为锁紧螺母（110）的操作空间；中间板（108）和后板（101）之间的空腔Ⅲ为气缸（105）的安装空间；

气缸（105）的活塞直线往复运动，带动加长轴（113）和三角推轴（201）直线往复运动，三角推轴（201）带动一型支臂（210）往复运动，一型支臂（210）带动槽型支臂（209）在支撑垫（203）内的一型槽内直线往复运动，运动过程中一型支臂（210）和槽型支臂（209）形成的剪刀式运动张开和收回支撑垫（203），支撑垫（203）张开时弧面顶紧分离体级模型的内壁，支撑垫（203）收回时释放分离体级模型，收回的支撑垫（203）与轴套（115）和支撑体（202）构成平滑过渡的圆柱体；

所述的支撑体（202）台阶Ⅰ上安装有环形的挡板（212），挡板（212）的端面上安装有压板（213），挡板（212）的半径为R，挡板（212）和压板（213）封闭三臂支撑体（118）的前端；

所述的气缸（105）的活塞的两侧各开有一个通气孔，通气孔内分别插入气管Ⅰ、气管Ⅱ，气管Ⅰ、气管Ⅱ连接在电磁阀的出气口，电磁阀控制气管Ⅰ或气管Ⅱ进气，导致气缸（105）的活塞直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置，其特征在于，所述的支撑垫（203）的弧面设置有花纹。

3.根据权利要求1所述的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置，其特征在于，所述的支撑体轴销（204）、支臂轴销（205）、支撑垫销钉（207）和三角推轴销（211）的材质为42CrMo。

4.根据权利要求1所述的应用于模型级间动态分离风洞试验的动态分离装置，其特征在于，所述的槽型支臂（209）和一型支臂（210）材质为38CrMoAl。