CN112577707A - 一种脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，包括触发压力传感器、时序控制系统、模型投放系统及喷流管路系统，所述触发压力传感器采集到的试验气流的压力信号传输给所述时序控制系统，所述时序控制系统控制所述模型投放系统对模型进行投放，并同时控制所述喷流管路系统为发动机提供燃料注入。本发明的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统通过合理的时序控制系统，解决了风洞来流与发动机超燃流场的燃料喷注系统、模型投放系统的精准时序控制，为顺利完成超燃发动机推阻测量提供了有力的保障。
Description
技术领域
本发明涉及高超声速激波风洞试验技术领域，具体为一种脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统。
背景技术
超燃冲压发动机通过进气道型面减速增压并吸入飞行坏境中的空气、与燃烧室中的燃料混合形成超声速燃烧等工作方式，有效避免了火箭发动机必须携带氧化剂的不足，具有比冲高、成本低、可重复使用等优势，受到国外航天强国的高度重视。而在激波风洞中进行超燃发动机进气道试验是进行超燃发动机研制过程的重要手段。
在激波风洞超燃发动机进气道试验中主要使用氢气作为燃料。然而高马赫数高焓激波风洞运行时间都很短，特别是高马赫数下的试验时间几乎都在几个毫秒，这给超燃推进相关试验带来了极大的挑战：一是风洞运行、燃料供应等硬件系统之间的协调配合问题；二是高响应的燃料供应系统，特别是氢气喷流气源、管路对喷流时间滞后的影响；三是发动机投放、高速摄像采集、内测系统采集以及发动机开始超燃过程与风洞来流时间上的匹配问题。解决上述难题，建立发动机电永磁铁精准投放系统、氢气燃料供应控制系统、高速摄像系统、内测系统、及发动机超燃开始过程与激波风洞来流相协调的时序控制技术是进行高马赫数超燃冲压发动机试验的重点。而目前面向空间进入的高马赫数(Ma≥8)超燃冲压发动机技术(特别配套的实验设备和试验技术)却非常薄弱。尚无该方面的研究成果。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，以解决目前的发动机超燃开始过程与激波风洞来流相协调的时序控制的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，包括触发压力传感器、时序控制系统、模型投放系统及燃料喷注系统，所述触发压力传感器将采集到的试验气流的压力信号传输给所述时序控制系统，所述时序控制系统控制所述模型投放系统对模型进行投放，并同时控制所述燃料喷注系统为发动机提供燃料注入。
进一步的，还包括高速摄像系统和数据采集系统，所述高速摄像系统和数据采集系统均通过所述时序控制系统来控制。
进一步的，所述模型投放系统包括加速度计和沿程压力传感器，所述数据采集系统用于采集所述加速度计和沿程压力传感器的数据。
进一步的，所述模型投放系统包括标记板，所述高速摄像系统包括图像识别软件，所述图像识别软件判读所述标记板运动轨迹，得出发动机的运动速度和加速度。
进一步的，所述图像识别软件通过matlab识别程序判读所述标记板运动轨迹，得出发动机的运动速度和加速度。
进一步的，所述模型投放系统包括电永磁铁机构，所述模型投放系统通过所述电永磁铁机构对模型进行投放。
进一步的，所述电永磁铁机构包括电永磁铁支架、电永磁铁、电永磁铁控制器、拉紧绳和安全绳。
进一步的，所述时序控制系统通过固态继电器控制所述燃料喷注系统为发动机提供燃料注入。
进一步的，所述时序控制系统的定时控制时间精度＜0.1ms。
进一步的，所述固态继电器的响应时间＜2ms。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
①通过合理的时序控制系统，解决了风洞来流与发动机超燃流场的燃料喷注系统、模型投放系统的精准时序控制，为顺利完成超燃发动机推阻测量提供了有力的保障；
②本发明通过电永磁铁机构，无论是励磁还是退磁，在线圈里都留着半波直流电，使得控制线路变得简单可靠并且节能，通过电永磁体控制器输出瞬间的电流脉冲(脉冲时间小于2秒)对其内部磁路的分布进行控制和转换，电永磁铁机构只在充磁和退磁的100ms内使用电能，充磁或消磁成功后，电永磁铁与电永磁铁控制器完全断开，电永磁铁处于完全不带电状态。在吸附过程中不需要电能，由永磁吸力吸附导磁材料，避免了电控系统在突然断电或连接电缆损坏时磁力丧失而出现被吸物脱落的危险；
③通过时序控制系统控制燃料喷注系统，可以严格控制喷入试验段的燃料量，保障了试验的安全性；
④通过加速度计和高速摄像系统能判读出模型姿态的判读结果，两者相互印证，大大保障了试验数据的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统的连接关系示意图；
图2为本发明提出的模型投放系统的结构关系示意图。
具体实施方式
下面将结合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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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装置或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。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1-2所示，本发明提出的一种脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，包括触发压力传感器、时序控制系统、模型投放系统及燃料喷注系统，触发压力传感器将采集到的试验气流的压力信号传输给时序控制系统，时序控制系统控制模型投放系统对模型进行投放，并同时控制燃料喷注系统为发动机提供燃料注入。当风洞试验气流到达触发压力传感器位置时，触发压力传感器将采集到的试验气流压力信号传输给时序控制系统，时序控制系统从而控制模型投放系统对模型进行投放，目标就是在风洞流场建立的同时，模型正好做自由落体运动到流场中心区域，同时控制燃料喷注系统的燃料喷注，使得燃料气流与试验气流进行燃烧试验。
需要说明的是，本发明中的燃料喷注系统在申请人的在先申请专利(专利号：CN201711342325.8，名称：一种用于激波风洞超燃发动机进气道试验的燃料供应系统及方法)中有详细阐述，此处不再赘述。
具体地，模型投放系统还包括标记板、加速度计和沿程压力传感器；标记板用来标记模型的运动轨迹，加速度计用来测量发动机内燃料喷注后产生超声速燃烧后模型的加速度变化，沿程压力传感器用来测量发动机内流沿程压力，本发明的试验系统还包括高速摄像系统和数据采集系统，其中，高速摄像系统和数据采集系统均通过时序控制系统来控制。高速摄像系统包括图像识别软件，图像识别软件通过matlab识别程序判读标记板运动轨迹，得出发动机的运动速度和加速度，数据采集系统采集发动机内流沿程压力和模型加速度数据，沿程压力判读可以判断内流场建立情况，加速度计数据的判读可与高速摄像系统判读结果相互印证。
需要强调的是，本发明的模型投放系统包括电永磁铁机构，模型投放系统通过电永磁铁机构对模型来进行投放，电永磁铁机构抗干扰和强磁性能，可以实现模型的精准投放，具体地，电永磁铁机构包括电永磁铁支架、电永磁铁、电永磁铁控制器、拉紧绳和安全绳。电永磁铁通过电永磁铁控制器输出瞬间的电流脉冲对其内部磁路的分布进行控制和转换，使永磁磁场对外表征为消磁放松状态(即退磁状态)；或释放到电永磁铁的工作磁极面，对外表征为充磁夹紧状态(即充磁状态)。无论是励磁还是退磁，在线圈里都留着半波直流电，使得控制线路变得简单可靠并且节能，避免了对外干扰。其中，电永磁铁支架为电永磁铁与风洞攻角机构和模型的中间连接系统，电永磁铁与风洞攻角机构连接，而模型通过拉紧绳将发动机模型吊挂在风洞来流流场上缘，通过电永磁铁控制器将发动机投放，同时风洞来流建立，模型在流场内做一段时间的自用落体运动，期间会受到风洞来流冲击，同时发动机超燃内流场建立，行程结束后由安全绳将发动机模型捕获回收。
在上述方案的基础上，时序控制系统通过固态继电器控制所述燃料喷注系统发动机提供燃料注入。时序控制系统将接收到的压力信号转换为控制信号传输给固态继电器，固态继电器根据接收到的控制信号控制燃料喷注系统为发动机提供燃料注入。其中，时序控制系统的定时控制时间精度＜0.1ms，固态继电器的响应时间＜2ms。
以下简要说明本发明的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统的工作过程及原理：
当风洞试验气流到达触发压力传感器位置时，触发压力传感器将采集到的试验气流压力信号传输给时序控制系统，时序控制系统触发电永磁铁控制器，电永磁铁控制器将发动机投放，同时风洞来流建立，模型在流场内做一段时间的自用落体运动，期间会受到风洞来流冲击，同时发动机超燃内流场建立，模型正好做自由落体运动到流场中心区域，时序控制系统控制燃料喷注系统的燃料喷注，使得燃料气流与试验气流进行燃烧试验。在此过程中，高速摄像系统的图像识别软件通过matlab识别程序判读标记板运动轨迹，得出发动机的运动速度和加速度，数据采集系统采集发动机内流沿程压力和模型加速度数据，沿程压力判读可以判断内流场建立情况，加速度计数据的判读可与高速摄像系统判读结果相互印证。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.一种脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，包括触发压力传感器、时序控制系统、模型投放系统及燃料喷注系统，所述触发压力传感器将采集到的试验气流的压力信号传输给所述时序控制系统，所述时序控制系统控制所述模型投放系统对模型进行投放，并同时控制所述燃料喷注系统为发动机提供燃料注入。
2.根据权利要求1所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，还包括高速摄像系统和数据采集系统，所述高速摄像系统和数据采集系统均通过所述时序控制系统来控制。
3.根据权利要求2所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，所述模型投放系统包括加速度计和沿程压力传感器，所述数据采集系统用于采集所述加速度计和沿程压力传感器的数据。
4.根据权利要求3所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，所述模型投放系统包括标记板，所述高速摄像系统包括图像识别软件，所述图像识别软件判读所述标记板运动轨迹，得出发动机的运动速度和加速度。
5.根据权利要求4所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，所述图像识别软件通过matlab识别程序判读所述标记板运动轨迹，得出发动机的运动速度和加速度。
6.根据权利要求1所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，所述模型投放系统包括电永磁铁机构，所述模型投放系统通过所述电永磁铁机构对模型进行投放。
7.根据权利要求1所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，所述电永磁铁机构包括电永磁铁支架、电永磁铁、电永磁铁控制器、拉紧绳和安全绳。
8.根据权利要求1所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，所述时序控制系统通过固态继电器控制所述燃料喷注系统为发动机提供燃料注入。
9.根据权利要求1所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，所述时序控制系统的定时控制时间精度＜0.1ms。
10.根据权利要求8所述的脉冲风洞吸气式发动机推阻测量试验系统，其特征在于，所述固态继电器的响应时间＜2ms。
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