CN112747888B - 一种高焓高热流地面模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

一种高焓高热流地面模拟试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

一种高焓高热流地面模拟试验装置及试验方法，电弧加热器对进入的试验介质加热，形成高温气流，经喷管膨胀加速后在喷管出口产生矩形截面亚声速气流，第一压力测量装置和第三压力测量装置分别测量喷管出口压力P1和试验仓真空压力P2并实时反馈给数据分析终端，数据分析终端依据P1和P2值下达指令，调节真空泵组和真空阀门的运行参数，直至试验仓真空压力P2与喷管出口压力P1匹配，保证所述喷管出口亚声速气流建立稳定工作状态；数据分析终端发出指令控制平板支架从负攻角调整至正攻角布置在平板支架上的热流测量装置和第二压力测量装置实时测量平板支架表面热流值q和压力P3，并反馈给数据分析终端，获得所需的高热流地面模拟试验环境。

Description

一种高焓高热流地面模拟试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及一种高焓高热流地面模拟试验装置，属于飞行器地面气动热试验研究领域。
背景技术
高超声速飞行器的再入速度达到7km/s-8km/s，其同时面临高焓和数10MW/m2高热流的气动热环境，这对地面试验设备模拟能力提出了严苛的要求。现有电弧风洞设备的模拟能力有其局限性：常规管式电弧加热器一般只能模拟中低焓、高压的气动热环境；分段电弧加热器模拟中焓、中高压的气动热环境；叠片式电弧加热器一般只能模拟高焓、中低压(小于等于1Mpa)的气动热热环境。目前国际上具备模拟高焓、高压、高热流的大功率电弧加热器以美国AEDC的70MW H3高压叠片电弧加热器为代表，该加热器是具备常压点弧的试验能力，可以进行高焓、高压自由射流端头烧蚀试验，目前国内欠缺相关的试验能力。同时，目前已有的电弧风洞气动热地面试验一般均采用超声速自由射流的试验方法，这种方法的不足之处在于其有效功率投入效率很低，一般50MW电功率的试验，作用的大面积防热材料本身上的功率不足1MW，大部分的能量被耗散，现有电弧风洞设备对飞行器大面积的地面试验，难以同时模拟高焓(≥10MJ/kg)和高热流(10MW/m2)气动热环境的试验能力。
发明内容
本发明的技术解决问题：本发明的内容提供了一种模拟高焓、高热流飞行器再入环境的电弧风洞地面模拟试验装置。
本发明的技术方案是：一种高焓高热流地面模拟试验装置，包括：电弧加热器、喷管、第一压力测量装置、平板支架、热流测量装置、第二压力测量装置、第三压力测量装置、数据分析终端、真空泵组、真空阀门、球罐；
电弧加热器对进入的试验介质加热，形成高温气流，经喷管膨胀加速后在喷管出口产生矩形截面亚声速气流，第一压力测量装置和第三压力测量装置分别测量喷管出口压力P1和试验仓真空压力P2，所述压力测量值P1和P2实时反馈给数据分析终端，数据分析终端依据P1和P2值下达指令，调节真空泵组和真空阀门的运行参数，直至试验仓真空压力P2与喷管出口压力P1匹配，保证所述喷管出口亚声速气流建立稳定工作状态；数据分析终端发出指令控制平板支架从负攻角调整至正攻角布置在平板支架上的热流测量装置和第二压力测量装置实时测量平板支架表面热流值q和压力P3，并反馈给数据分析终端，获得所需的高热流地面模拟试验环境。
优选的，所述电弧加热器为常压点弧-叠片式电弧加热器，用于在P0压力环境下完成点弧，P0＝10Pa-105Pa,电弧加热器的焓值运行范围8MJ/kg-25MJ/kg，压力运行范围0.05-10Mpa。
优选的，所述电弧加热器有两种点弧方式：(1)P0＝10Pa-500Pa时，采用电弧加热器的阳极和阴极直接电弧；(2)P0＝500Pa-105Pa时，首先采用电弧加热器阳极和阳极上游的辅助阴极进行电弧，然后将电弧弧根拉长，在电弧加热器的阳极和阴极建立稳定的电弧通道。
优选的，所述喷管为亚声速喷管，出口截面为矩形截面。
优选的，所述数据分析终端通过下述步骤保证喷管出口亚声速气流建立稳定工作状态：
根据实时采集的喷管出口压力P1和试验仓真空压力P2，确定压力差值δp，δp＝P2/P1-1；
当压力差值δp＞0.05时，发出指令，调节真空泵组的抽速和真空阀门的开度，从而降低试验仓真空压力P2；
当压力差值δp≤0.05时，停止发出指令，保持试验仓真空压力P2稳定。
优选的，所述的平板支架安装试验舱内喷管出口处。
优选的，所述平板支架为水冷平板支架，支架调整角度-15°-30°，采用气缸送进方式。
优选的，所述热流测量装置为塞式热流传感器，测量量程0.1-5MW/m2；或者水卡热流传感器，测量量程2-20MW/m2。
优选的，所述第一压力测量装置、第二压力测量装置和第三压力测量装置均为真空压力传感器，测量量程0-100kPa。
优选的，所述热流测量装置、第二压力测量装置与平板支架表面齐平、一体安装。
一种高焓高热流地面模拟试验方法，包括如下步骤：
控制电弧加热器对进入的试验介质加热，形成高温气流，高温气流经喷管膨胀加速后在喷管出口产生矩形截面亚声速气流，
数据分析终端根据实时采集的喷管出口压力P1和试验仓真空压力P2，确定压力差值δp，δp＝P2/P1-1；当压力差值δp＞0.05时，发出指令，调节真空泵组的抽速和真空阀门的开度，从而降低试验仓真空压力P2；当压力差值δp≤0.05时，停止发出指令，保持试验仓真空压力P2稳定；
数据分析终端发出指令控制平板支架从负攻角调整至正攻角布置在平板支架上的热流测量装置和第二压力测量装置实时测量平板支架表面热流值q和压力P3，并反馈给数据分析终端，获得所需的高热流地面模拟试验环境。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明提供了一种模拟高焓、高热流飞行器再入环境的电弧风洞地面模拟试验装置，具备模拟同时模拟高焓(＞10MJ/kg)和高热流(10MW/m2量级)的试验能力。
(2)本发明采用常压电弧的叠片式电弧加热器模拟高焓、高热流气动热环境，可以实现从低真空(10Pa)到常压一个大气压条件点弧，该装置具有非常宽的点弧工作压力范围。
(3)本发明采用亚声速喷管结合试验仓真空压力匹配的调节方法，可以减少气流动能的耗散，增加对防热材料的对流传热，从而获得高焓、高热流、稳定的亚声速流场。
附图说明
图1为本发明的高焓高热流地面模拟试验装置的布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例中的一种高焓高热流地面模拟试验装置结构图，包括：电弧加热器1、喷管2、第一压力测量装置3、平板支架4、热流测量装置5、第二压力测量装置6、第三压力测量装置7、数据分析终端8、真空泵组9、真空阀门10、球罐11。
电弧加热器1对进入的试验介质加热，形成高温气流，经喷管2膨胀加速后在喷管出口产生矩形截面亚声速气流，第一压力测量装置3和第三压力测量装置7分别测量喷管2出口压力P1和试验仓真空压力P2，所述压力测量值P1和P2实时反馈给数据分析终端8，数据分析终端8依据P1和P2值下达指令，调节真空泵组9和真空阀门10的运行参数，直至试验仓真空压力P2与喷管2出口压力P1匹配，保证所述喷管2出口亚声速气流建立稳定工作状态。
本发明给出一优选实例中，所述电弧加热器1为常压点弧-叠片式电弧加热器，用于可以在P0压力环境下完成点弧，P0＝10Pa-105Pa,电弧加热器1有两种点弧方式：(1)P0＝10Pa-500Pa时，采用电弧加热器1的阳极和阴极直接电弧；(2)P0＝500Pa-105Pa时，首先采用电弧加热器1阳极和阳极上游的辅助阴极进行电弧，然后将电弧弧根拉长，在电弧加热器1的阳极和阴极建立稳定的电弧通道。电弧加热器1的焓值运行范围8MJ/kg-25MJ/kg，压力运行范围0.05-10Mpa。所述喷管2喷管为亚声速喷管，出口截面为矩形截面。
本发明给出一优选实例中，所述数据分析终端8的具体调节过程如下：
(1)、数据分析终端8根据实时采集的喷管2出口压力P1和试验仓真空压力P2，确定压力差值δp，δp＝P2/P1-1；
(2)、当压力差值δp＞0.05时，数据分析终端8发出指令，调节真空泵组(9)的抽速和真空阀门(10)的开度，从而改变试验仓真空压力P2；
(3)、当压力差值δp≤0.05时，数据分析终端8停止发出指令，保持试验仓真空压力P2稳定；
(4)、数据分析终端8发出指令给平板支架4，平板支架4从负攻角调整至正攻角，布置在平板支架4上的热流测量装置5和第二压力测量装置6实时测量平板支架4表面热流值q和压力P3，并反馈给数据分析终端8，获得所需的高热流地面模拟试验环境；
本发明给出一优选实例中，所述平板支架4为水冷平板支架，支架调整角度-15°-30°，采用气缸送进方式。
本发明给出一优选实例中，所述热流测量装置5为塞式热流传感器，测量量程0.1-5MW/m2；也可为水卡热流传感器，测量量程2-20MW/m2。所述第一压力测量装置3、第二压力测量装置6和第三压力测量装置7均为真空压力传感器，测量量程0-100kPa。所述热流测量装置5、第二压力测量装置6与平板支架4表面齐平、一体安装。
真空泵组9、真空阀门10、球罐11布置在试验仓下游，真空泵组9各组真空泵组通过管路与主管路焊接密封连接，真空阀门10为真空挡板阀，布置在真空泵组9和球罐11之间，可以通过指令控制，开启真空阀门10，从而使得电弧加热器1、喷管2、真空泵组9与球罐11连通，从而建立低真空环境。
本发明采用常压点弧-叠片式电弧加热器和亚声速矩形喷管，模拟飞行器再入的严苛气动热环境，可以同时实现高焓(＞10MJ/kg)和高热流(10MW/m2量级)的环境，拓展现有电弧风洞设备气动热模拟试验能力。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种高焓高热流地面模拟试验装置，其特征在于：包括：电弧加热器、喷管、第一压力测量装置、平板支架、热流测量装置、第二压力测量装置、第三压力测量装置、数据分析终端、真空泵组、真空阀门；
电弧加热器对进入的试验介质加热，形成高温气流，经喷管膨胀加速后在喷管出口产生矩形截面亚声速气流，第一压力测量装置和第三压力测量装置分别测量喷管出口压力P1和试验仓真空压力P2，压力测量值P1和P2实时反馈给数据分析终端，数据分析终端依据P1和P2值下达指令，调节真空泵组和真空阀门的运行参数，直至试验仓真空压力P2与喷管出口压力P1匹配，保证所述喷管出口亚声速气流建立稳定工作状态；数据分析终端发出指令控制平板支架从负攻角调整至正攻角，布置在平板支架上的热流测量装置和第二压力测量装置实时测量平板支架表面热流值q和压力P3，并反馈给数据分析终端，获得所需的高热流地面模拟试验环境；
所述数据分析终端通过下述步骤保证喷管出口亚声速气流建立稳定工作状态：
根据实时采集的喷管出口压力P1和试验仓真空压力P2，确定压力差值δp，δp＝P2/P1-1；
当压力差值δp＞0.05时，发出指令，调节真空泵组的抽速和真空阀门的开度，从而降低试验仓真空压力P2；
当压力差值δp≤0.05时，停止发出指令，保持试验仓真空压力P2稳定。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电弧加热器为常压点弧-叠片式电弧加热器，用于在P0压力环境下完成点弧，P0＝10Pa-105Pa,电弧加热器的焓值运行范围8MJ/kg-25MJ/kg，压力运行范围0.05-10Mpa。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电弧加热器有两种点弧方式：(1)P0＝10Pa-500Pa时，采用电弧加热器的阳极和阴极直接点弧；(2) P0＝500Pa-105Pa时，首先采用电弧加热器阳极和阳极上游的辅助阴极进行点弧，然后将电弧弧根拉长，在电弧加热器的阳极和阴极建立稳定的电弧通道。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述喷管为亚声速喷管，出口截面为矩形截面。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的平板支架安装在 试验仓内喷管出口处。
6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于：所述平板支架为水冷平板支架，支架调整角度-15°-30°，采用气缸送进方式。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述热流测量装置为塞式热流传感器，测量量程0.1-5MW/m2；或者水卡热流传感器，测量量程2-20MW/m2。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一压力测量装置、第二压力测量装置和第三压力测量装置均为真空压力传感器，测量量程0-100kPa。
9.根据权利要求1或7或8所述的装置，其特征在于：所述热流测量装置、第二压力测量装置与平板支架表面齐平、一体安装。
10.一种利用权利要求1所述装置实现的高焓高热流地面模拟试验方法，其特征在于包括如下步骤：
控制电弧加热器对进入的试验介质加热，形成高温气流，高温气流经喷管膨胀加速后在喷管出口产生矩形截面亚声速气流，
数据分析终端根据实时采集的喷管出口压力P1和试验仓真空压力P2，确定压力差值δp，δp＝P2/P1-1；当压力差值δp＞0.05时，发出指令，调节真空泵组的抽速和真空阀门的开度，从而降低试验仓真空压力P2；当压力差值δp≤0.05时，停止发出指令，保持试验仓真空压力P2稳定；
数据分析终端发出指令控制平板支架从负攻角调整至正攻角，布置在平板支架上的热流测量装置和第二压力测量装置实时测量平板支架表面热流值q和压力P3，并反馈给数据分析终端，获得所需的高热流地面模拟试验环境。
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