CN114563159B - 高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞技术领域，尤其涉及一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置及方法。测量装置包括轴向移动机构、径向连接机构、测量部和数据采集系统，轴向移动机构安装在试验段，滑动圆杆与测量探针同轴连通且与喷管的轴线重合，并随轴向移动机构沿喷管轴向移动，根据数据采集系统采集并记录测得的总温数据、总压数据、测量探针的位置数据和测量探针位置对应的皮托压力数据，计算轴向各位置的马赫数，得到喷管轴线马赫数分布情况。该测量装置结构简单，采用轴向移动机构和径向连接机构相结合的方式，在不改变风洞气动布局、不进行风洞改造的条件下，实现喷管轴线马赫数大范围测量，为研究喷管内部流场分布、风洞设备研制提供了技术支持。

Description

高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及风洞技术领域，尤其涉及一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置及方法。

背景技术

高超声速轴对称喷管的设计，首先求解无粘型面，然后求解附面层厚度，将附面层厚度加到无粘型面上而形成最终的物理型面。无粘型面的设计一般采用特征线方法，附面层修正一般通过求解轴对称的附面层动量厚度方程得到。当马赫数在5-10之间时，附面层的求解方法有多个，并且得到验证。但当马赫数大于10的时候，这些求解方法的适用性尚未得到验证。高超声速低密度风洞使用的轴对称喷管，其内部的流动情况更加复杂，存在着层流到湍流的转换过程，并且转换位置不容易确定，采用现有的修正方法都存在一定的问题，设计难度更大。

理论上，流经喷管的介质在通过喉道后急剧膨胀，速度快速加大，轴线上的马赫数快速增加，直到进入喷管流动的均匀流区，但实际试验中则发现实际情况与理论可能会有出入，但究竟是由于设计问题所导致还是客观误差导致还需要验证，因此，采用测量喷管内部轴线上的马赫数，对比测量值与设计值的符合程度，来检验设计方法是否正确，并以此不辅助喷管设计则变得尤为重要。但测量喷管内部轴线上的马赫数分布，若想取得规律性的试验结果，有效测量的轴向范围需要达到喷管出口口径的2~3倍，有时还需要全轴向范围内的马赫数分布，同时还需要注意在测量过程中尽量不改变风洞气动布局，不对风洞结构进行改造，目前尚未有能够满足要求的风洞喷管内部轴线马赫数测量装置及测量方法。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置及方法，实现喷管内部轴线马赫数的大范围测量。

（二）技术方案

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，包括：

轴向移动机构，安装在试验段内，试验段位于喷管和扩压器之间；

径向连接机构，包括径向连杆和连接座，径向连杆沿试验段的径向布置，且一端与轴向移动机构连接，另一端与连接座连接，轴向移动机构带动径向连接机构在扩压器的入口和喷管的出口之间往复移动；

测量部，包括测量探针、滑动圆杆、压力传感器、总温探针和总压探针，测量探针和滑动圆杆均具有沿轴向设置的圆腔，测量探针的一端与滑动圆杆的一端同轴连接为一体，测量探针和滑动圆杆的圆腔相连通形成压力传导通道，滑动圆杆的另一端通过压力传导管与压力传感器连通，压力传感器设置在试验段内，压力传导管至少包括一段软管，且软管与压力传感器连接，滑动圆杆可拆卸的固定于连接座，测量探针的探测端朝向喷管，压力传导通道与喷管同轴，总温探针和总压探针设置在稳定段，稳定段位于喷管的上游并与喷管连接；以及

数据采集系统，用于采集总温探针测得的总温数据、总压探针测得的总压数据、测量探针的位置数据以及测量探针测得的与测量探针位置相对应的皮托压力数据。

可选地，轴向移动机构包括安装座、套杆、螺杆、步进电机和支撑块，安装座开设有贯穿安装座的长孔，长孔的长度方向沿喷管的轴向设置，步进电机和支撑块安装在安装座上，且分别位于长孔的两端，套杆垂直穿过长孔，且一端设有沿轴向布置的套接孔，另一端设有沿径向贯穿套杆的螺纹孔，径向连杆通过套接孔套接于套接孔内，螺杆穿过螺纹孔，一端与步进电机连接，另一端通过轴承与支撑块转动连接；

当步进电机工作时，带动螺杆转动，长孔的两侧壁限制套杆随螺杆转动，使套杆沿螺杆的轴向在长孔内移动。

可选地，套杆包括套杆连接部和卡固部，套杆连接部与螺杆连接，卡固部由两个卡固块组成，每个卡固块均设有弧形槽，其中一个卡固块与套杆连接部一体连接，另一个卡固块相对套杆连接部为可拆卸连接，两个卡固块的弧形槽相对设置形成与径向连杆相匹配的套接孔，径向连杆装配到位后，通过螺栓将两个卡固块锁紧固定。

可选地，在长孔两端设置限位开关，限位开关与步进电机信号连接，用于限制套杆沿螺杆轴向移动的极限距离。

可选地，在长孔的两侧壁中的至少一侧壁设有滑槽，滑槽沿长孔的长度方向布置，在套杆的外侧设有与滑槽相匹配的滑块，滑块插入滑槽内沿滑槽滑动。

可选地，

连接座包括连接板和两个固定板，连接板的一侧与径向连杆的一端连接，连接板背离径向连杆的一侧设有连接板通槽，连接板通槽与喷管同轴布置，且横截面为半圆形；

固定板朝向连接板的一侧设有固定板通槽，固定板通槽的横截面为半圆形，两个固定板在喷管的轴向上间隔设置，并通过螺栓固定在连接板上，使两个固定板通槽与连接板通槽形成供滑动圆杆穿过的通道，且通道与滑动圆杆的外型面紧贴。

可选地，其特征在于：连接板在喷管轴向上的尺寸不小于滑动圆杆轴向尺寸的1/4。

可选地，径向连杆垂直于连接板通槽的轴向，且垂直度不低于0.1mm；

滑动圆杆与测量探针的同轴度不超过0.1mm；

滑动圆杆外表面粗糙度为3.2μm，圆度不低于0.1mm。

可选地，压力传导管包括紫铜管和橡胶软管，紫铜管一端与滑动圆杆连通，另一端与橡胶软管的一端连通，橡胶软管的另一端与压力传感器连接，橡胶软管和压力传感器位于流场外。

可选地，测量探针采用06Cr19Ni10或06Cr25Ni20材料制作；和/或

滑动圆杆采用30CrMnSi材料制作。

可选地，连接座与径向连杆相连接的一侧面设有用于放置水平仪的基准平面。

第二方面，本发明还提供了一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量方法，采用第一方面中任一实现方式的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置进行测量，包括以下步骤：

通过轴向移动机构将径向连接机构移动到靠近喷管一侧的起始位置；

将滑动圆杆固定在连接座，确保压力传导通道与喷管同轴，测量探针伸入喷管内的长度达到能够伸入的极限长度，测量测量探针的测量端面与喷管出口端面之间的距离，在数据采集系统中将测量探针此时测量位置设为测量初始位置；

测量时，轴向移动机构朝向扩压器方向移动，数据采集系统同时记录总温探针测得的总温数据、总压探针测得的总压数据、测量探针的位置数据以及测量探针测得的与位置数据相对应的皮托压力数据，直至完成预期的轴线马赫数测量范围；

若轴向移动机构向扩压器方向移动至极限位置后，仍未达到预期的轴线马赫数测量范围，则停车并记录此时测量探针的位置，将滑动圆杆从连接座拆除，将轴向移动机构反向移动至起始位置，再将滑动圆杆保持在停车时所处位置安装在连接座，然后再继续进行测量，直至完成预期的轴线马赫数测量范围；

根据测得的总温、总压和轴向不同位置对应的皮托压力数据，计算轴向各位置的马赫数，得到喷管轴线马赫数分布情况。

可选地，在进行测量前校准测量探针与喷管是否符合同轴度公差要求，校准步骤如下：

提供一同轴校准盘，在同轴校准盘上设有贯穿同轴校准盘的校准孔，校准孔的直径大于测量探针的外径，且校准孔直径与测量探针外径的差值不超过测量探针与喷管的同轴度公差，同轴校准盘具有与喷管出口相匹配的连接口；

将同轴校准盘安装在喷管出口，校准孔与喷管同轴；

轴向移动机构带动测量探针移动，若测量探针能够插入校准孔，并不与校准孔发生干涉，测量探针与喷管的同轴度满足测量要求，否则，测量探针与喷管的同轴度不满足测量要求；

若满足测量要求，则拆除同轴校准盘进行测量，若不满足测量要求，则对高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置的各部进行检查调整，直至满足测量要求。

可选地，通过以下方法判断测量探针是否与校准孔发生干涉：

在校准孔内涂覆染色剂，若测量探针上染色，则判断测量探针与校准孔发生干涉。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，包括轴向移动机构、径向连接机构、测量部和数据采集系统，轴向移动机构安装在试验段，使轴向移动机构、和径向连接机构均位于喷管的外侧，能够尽量避免对风洞布局和喷管流场的影响，滑动圆杆与测量探针同轴连通，既为气体压力的传导通道，又为测量探针的支撑，减化装置，结构紧凑，测量探针与喷管的轴线重合，并能够随轴向移动机构沿喷管轴向移动，根据数据采集系统采集并记录测得的总温数据、总压数据、测量探针的位置数据和测量探针位置相对应的皮托压力数据，计算轴向各位置的马赫数，得到喷管轴线马赫数分布情况。该测量装置结构简单，主体位于试验段内，采用轴向移动机构和径向连接机构相结合的方式，在不改变风洞气动布局、不进行风洞改造的条件下，实现喷管轴线马赫数大范围测量。为研究喷管内部流场分布、风洞设备研制提供了技术支持。

本发明提供的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量方法，采用轴向移动机构和径向连接机构相结合的方式，在不改变风洞气动布局、不进行风洞改造的条件下，实现喷管轴线马赫数大范围测量，通过多次测量叠加，能够获得完整的喷管内部轴线马赫数分布测量结果。

附图说明

本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。

图1是本发明实施例中一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置的结构及安装位置示意图；

图2是图1中高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置立体结构示意图；

图3是图2中的A部放大示意图；

图4是图1中高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置正视结构示意图；

图5是图4中的B-B剖视结构示意图；

图6是图4中的C-C剖视结构示意图；

图7是本发明实施例中一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置的滑动圆杆和测量探针的半剖结构示意图；

图8是本发明实施例中另一种套杆的结构示意图；

图9是图8中的D-D剖视结构示意图。

图中：1：喷管；2扩压器；3：试验段；

4：轴向移动机构；

41：安装座；411：长孔；4111:滑槽；412：支撑块；

42：套杆；421：套接孔；422：滑块；423：套杆连接部；424：卡固部； 4241：卡固块；

43：螺杆；44：步进电机；45：调节螺钉；

5：径向连接机构；

51：径向连杆；

52：连接座；521：连接板；5211：连接板通槽；522：固定板；5221：固定板通槽；

6：测量部；61：测量探针；62：滑动圆杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

实施例一

参见图1、图2和图4所示，本发明实施例提供的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，包括轴向移动机构4、径向连接机构5、测量部6和数据采集系统。喷管1、扩压器2、试验段3和稳定段（图中未示出）同轴设置，试验段3位于扩压器2和喷管1之间，稳定段位于喷管1的上游（图1中的右侧）。针对喷管1，其朝向试验段3的一端为出口端，朝向稳定段的一端为入口端。

参见图1所示，轴向移动机构4安装在试验段3内，能够尽量减少对喷管1内流场的影响。此外，由于试验段3内设有各种设备固定的接口，轴向移动机构4可以利用原有设备接口固定在试验段3，也可以直接通过螺栓或者焊接等方式固定在试验段3。

参见图2、图4和图7所示，测量部6包括测量探针61、滑动圆杆62、压力传感器、总温探针和总压探针（压力传感器、总温探针和总压探针在图中未示出），测量探针61和滑动圆杆62均具有沿各自轴向设置的圆腔，测量探针61的一端与滑动圆杆62的一端同轴连接为一体，使测量探针61和滑动圆杆62的圆腔相连通形成压力传导通道，滑动圆杆62既是气体压力的传导通道，又同时为测量探针运动61提供支撑，整体结构紧凑，减少功能部件数量。测量探针61的另一端为测量端，测量端的端面为平面，压力传感器通过压力传导管（图中未示出）与滑动圆杆62背离测量探针61的一端连通，压力传感器设置试验段内，压力传导管至少包括一段软管，且软管与压力传感器连接，在轴向移动机构移动时，软管能够保证滑动圆杆62的正常移动。在一些试验中，压力传导管也可以整体采用软管，只需要能够承受试验段内的温度即可。

在一些优选实施方式中，压力传导管采用紫铜管和橡胶软管结合的方式，橡胶软管和压力传感器位于流场区域外，紫铜管一端与滑动圆杆连通，另一端与橡胶软管的一端连通，橡胶软管的另一端与压力传感器连接。

总温探针和总压探针设置在风洞的稳定段内，用于测量总温和总压（激波前总压）。需要说明的是，总温探针和总压探针以及两者位置设置均是现有风洞的成熟技术，在此不再赘述。

参见图1、图2和图4所示，径向连接机构5整体沿试验段3的径向布置，用于连接测量探针61。径向连接机构5包括径向连杆51和连接座52，径向连杆51沿试验段3的径向布置，且一端与轴向移动机构4连接，另一端与连接座52连接，轴向移动机构4通过径向连杆51能够带动连接座52在扩压器2的入口和喷管1的出口之间沿喷管1的轴向往复移动。

在一个实施方式中，滑动圆杆62与连接座52之间的连接，是在连接座52上设有与滑动圆杆62相匹配的过孔，将滑动圆杆62穿过该过孔实现与连接座52的固定，此处，滑动圆杆62与过孔相匹配是指滑动圆杆62与过孔同轴紧配。

本实施例还设有数据采集系统（图中未示出），用于采集并记录总温探针测得的总温数据、总压探针测得的总压数据以及测量探针的位置数据和测量探针位置相对应的皮托压力（激波后总压）数据。

在一个实施方式中，数据采集系统为计算机，测量探针61的位置通过轴向移动机构4的相对移动位置得到，即轴向移动机构4与计算机信号连接，能够实时将移动位置数据传送给计算机，得到测量探针61的实时位置。

压力传感器、总温探针和总压探针与计算机信号连接，将皮托压力数据、总温数据和总压数据传送给计算机。

需要说明的是，轴向移动机构、压力传感器、总温探针和总压探针与计算机之间可以是直接信号连接，也可以是中转信号连接。

还需要说明的是本申请中信号连接可以是无线连接，也可以是有线连接。

当然，在其他一些实施方式中，也可以在轴向移动机构4的移动部或者与连接座52上设置位置传感器，位置传感器与计算机信号连接，将位置数据传输到计算机。需要说明的是，位置传感器采用现有成熟位置传感器即可，在此不再赘述。

测量探针61测得皮托压力数据的采集点，可以根据试验需要进行预设，例如，间隔10mm、50mm等距离设置一个预设采集点，更具体地一个实施方式中，间隔30mm为一个预设采集点，在测量探针61的测量初始位置设为第一个采集点，将在位置处测得的皮托压力数据与此位置对应，并将该相对应的数据存储，供后续计算使用。将测量探针61移动30mm后，测得的皮托压力数据与当前位置相对应，同样进行存储。

需要说明的是，测量探针61在轴向上的位置以及各位置相对应的皮托压力数据均能够实现实时采集，在不同的试验中可以根据需要选择预设采集点的数据。

理论上来说，总温数据和总压数据在试验过程中理论上不发生波动或者说发生的波动在试验允许的范围内。因此，一般试验中，在风洞运行稳定后进行测量，可以不用考虑总温和总压的波动，即可以不用考虑总温和总压数据与测量探针61的测量位置的对应，只需使用固定值。在一些测量精度要求较高的试验中，则优选地，将测得的总温和总压与测量探针的测量位置相对应取值，例如，可以根据测量探针的移动速度得到各预设测量位置的时间，然后将相对应时间点的总温数据和总压数据与测量探针的测量位置相对应。

针对压力传感器，可选用差压传感器和绝压传感器。优选地，精度0.2%~0.25%，量程达到预估值的2~3倍。

使用时，轴向移动机构4安装在试验段3，使测量装置的主体结构（轴向移动机构和径向连接机构）均位于喷管1的外侧，能够尽量避免对喷管1流场的影响，测量探针61通过滑动圆杆62与径向连接机构5连接，测量探针61能够伸入喷管1内，在整个测量过程中，测量探针61与喷管1的轴线重合且测量探针61的探测端朝向喷管1，测量探针61和滑动圆杆62同轴连接，圆腔连通保持气流畅通、不漏气，滑动圆杆62既起到支撑测量探针61的作用，也能起到传导气体压力的作用。轴向移动机构4带动测量探针61沿喷管1的轴向移动，增加测量探针61在喷管1轴向上的测量范围。在需要时还可以在保证测量探针61测量位置连续的情况下，拆除测量探针61，将轴向移动机构4复位再将测量探针61安装到位后（拆除时测量探针61与喷管1的相对位置不变），带动测量探针继续沿喷管1的轴向移动测量，在滑动圆杆62长度允许，强度能够支撑测量探针61移动过程中保持与喷管1的轴线重合的情况下，可以按上述步骤多次复位轴向移动机构4，通过多次测量叠加大大增加测量探针61在喷管1轴向上的测量范围。最后根据数据采集系统采集并记录测得的总温数据、总压数据、测量探针的位置数据和与测量位置相对应的皮托压力数据，即可计算轴向各位置的马赫数，得到喷管轴线马赫数分布情况。

该测量装置结构简单，主体位于试验段内，采用轴向移动机构和径向连接机构相结合的方式，在不改变风洞气动布局、不进行风洞改造的条件下，实现喷管轴线马赫数大范围测量。此外，还能够结合轴向移动机构4的有限运动距离和测量探针61、滑动圆杆62与连接座的相对运动距离，通过多次测量叠加，获得完整的喷管内部轴线马赫数分布测量结果。进而为研究喷管内部流场分布、风洞设备研制提供技术支持。

在一个优选实施方式中，参见图1、图4和图6所示，轴向移动机构4包括安装座41、套杆42、螺杆43、步进电机44和支撑块412，安装座41开设有贯穿安装座41的长孔411，轴向机构4安装在试验段3后，长孔411的长度方向沿喷管1的轴线布置。步进电机44和支撑块412安装在安装座41上，且分别位于长孔411的两端，套杆42垂直穿过长孔411，其一端沿自身轴向设有用于连接径向连杆51的套接孔421，径向连杆51的一端套设于套接孔421内，实现与套杆42的连接，套杆42的另一端设有沿径向贯穿套杆42的螺纹孔，螺杆43平行于试验段3的轴向设置，并通过螺纹孔垂直穿过套杆42，一端与步进电机44连接，另一端通过轴承与支撑块412可转动连接，螺杆43与套杆42螺纹之间为螺纹连接。当步进电机44工作时螺杆43随之转动，长孔411的两侧壁限制套杆42随螺杆43转动，将旋转运动转为直线运动，能够使套杆42沿螺杆43的轴向在长孔411内移动。

需要说明的是，在此实施方式中可以利用步进电机44的转动来确定测量探针61的位置，为成熟现有技术，在此不再赘述。

为了提高轴向移动机构4的运行的安全性，在一些优选实施方式中，在长孔411两端设置限位开关（图中未示出），限位开关与步进电机44信号连接，用于限制套杆42沿螺杆43轴向移动的极限距离。需要说明的是，限位开关采用现有成熟产品即可，在此不再赘述。

针对长孔411的两侧壁对套杆42的转动限制，在一些优选实施方式中，参见图2、图3和图6所示，在长孔411的两侧壁中的至少一侧壁设有滑槽4111，该滑槽4111沿长孔411长度方向布置，套杆42相对应的一外侧设有与滑槽4111相匹配的滑块422，滑块422插入滑槽4111内沿滑槽4111滑动，避免套杆42绕螺杆43的轴向发生转动，尽而避免影响测量结果。在其他一些实施方式中，参见图6所示，可以长孔411的两侧壁分别设置滑槽4111，相对应在套杆42的两外侧设置相对应的滑块422。需要注意的是，滑块422与滑槽4111的配合要平稳不发生晃动，避免影响测量精准度。

在一些优选实施方式中，径向连杆51能够相对套杆42在轴向上进行调节，即调整径向连杆51插入套杆42内的深度，在需要时进行调节，以更好保证测量探针61的轴线与喷管1的轴线重合。

因加工误差和装配误差客观存在，为了保证测量探针61的轴线与喷管1的轴线重合，还需要考虑测量探针61的轴线与喷管1的轴线所在水平面或竖直平面内是否有倾斜夹角存在。

针对测量探针61的轴线与喷管1的轴线在水平面内可能存在倾斜夹角的情况，在一些优选实施方式中，通过径向连杆51能够相对套杆42转动调节测量探针61的轴线与喷管1的轴线在水平面内夹角。在这样的调节方式中，若径向连杆51与套杆42采用紧配套接的方式，虽然能够支撑径向连杆51，但在插入后相对转动则难以精确调整，甚至难以调整，因此，在一些实施方式，参见图1、图2和图4所示，可以采用调节螺钉45来实现径向连杆51与套杆42之间的限位。

具体地，径向连杆51的外径小于套接孔421的直径，无限位的情况下，使径向连接51相对套杆42能够轴向滑动，在套杆42上沿其轴向间隔设置两个调节螺纹孔（图中未示出），且与套接孔421连通，两个调节螺钉45分别与两个调节螺纹孔相配合，当径向连杆51相对套杆42转动到位后，通过旋转调节螺钉45调节其伸入套接孔421内的深度，抵在径向连杆51，实现对径向连杆51的限位。

在另外一些优选实施方式中，参见图8和图9所示，套杆42包括套杆连接部423和卡固部424，套杆连接部423和卡固部424同轴设置，套杆连接部423与螺杆43连接，卡固部424由两个卡固块4241组成，用于与径向连杆51连接。每个卡固块4241均设有弧形槽，其中一个卡固块4241与套杆连接部423一体连接，作为另一块卡固块4241的安装基准，另一个卡固块4241相对套杆连接部423为可拆卸连接，两个卡固块4241的弧形槽相对设置形成与径向连杆51相匹配的套接孔421，径向连杆51装配到位后，通过螺栓将两个卡固块4241锁紧固定，实现对径向连杆51的限位。

进一步优选地，连接座52与径向连杆51相连接的一侧面设有用于放置水平仪的基准平面，在测量前可以通过水平仪确定测量探针61的轴线与喷管1的轴线在水平面内是否存在夹角，减少无效测量，提交测量效率。

针对测量探针61的轴线与喷管1的轴线所在竖直平面内可能存在倾斜夹角的情况，则需要控制相关零部件的加工精度和装配精度，为了保证测量结果的准确性，减少测量前对装置的调整，并综合考虑试验精度要求、当前的加工、装配能力以及成本，在一些优选实施方式中，测量探针61安装在连接座52后，径向连杆51垂直于测量探针61的轴线，且垂直度不低于0.1mm。滑动圆杆62与测量探针61的同轴度不超过0.1mm。滑动圆杆62外表面粗糙度为3.2μm，圆度不低于0.1mm。

为了方便测量探针61的拆卸和位置调整，同时在需要时，能够在竖直平面上对测量探针61进行一定的微调，以进一步保证测量探针61的轴线与喷管1的轴线所在竖直平面内无倾斜夹角。在一些优选实施方式中，参见图2、图4和图5所示，连接座52包括连接板521和两个固定板522，连接板521一侧与径向连杆51的一端连接，连接板521背离径向连杆51的一侧设有连接板通槽5211，连接板通槽5211与喷管1同轴布置，且横截面为半圆形。

固定板522朝向连接板521的一侧设有固定板通槽5221，固定板通槽5221的横截面为半圆形，两个固定板522在喷管1的轴向上间隔设置，并通过螺栓固定在连接板521上，使两个固定板通槽5221与连接板通槽5211形成与滑动圆杆62匹配且供滑动圆杆62穿过通道。若加工精度和装配精度均满足要求，此时所形成的供滑动圆杆62穿过的通道与喷管1同轴。若装置因装配精度或者加工导致的细微误差时，由于两个固定板522在喷管1的轴向上间隔设置，因此通过调整其中一个固定板522与连接板521之间的距离，能够实现在竖直平面上对测量探针61进行一定的微调，以进一步保证测量探针61的轴线与喷管1的轴线所在竖直平面内无倾斜夹角。在本实施方式中，进一步优选地，径向连杆51垂直于连接板通槽5211的轴向，且垂直度不低于0.1mm。

为了保证滑动圆杆62安装后的定位准确性和平稳性，在一些优选实施方式中，连接板521在喷管1轴向上的尺寸不小于滑动圆杆62轴向尺寸的1/4。

为了保证滑动圆杆62的强度，在一些优选实施方式中，滑动圆杆62采用30CrMnSi材料制作。同样为了保证测量探针61的强度，优选地，测量探针采用06Cr19Ni10材料制作。在一些风洞温度较高的测量工况，优选地，测量探针采用06Cr25Ni20材料制作。

实施例二

本实施例提供一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量方法，该测量方法可以采用实施例中一任一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置进行测量，包括以下步骤：

通过轴向移动机构4将径向连接机构5移动到靠近喷管1一侧的起始位置，此处起始位置是指图1中轴向移动机构4所能到达最右侧的极限位置。

将滑动圆杆62固定在连接座52，确保压力传导通道与喷管1同轴，测量探针61伸入喷管1内的长度达到能够伸入的极限长度，测量测量探针61的测量端面（朝向喷管的一端的端面）与喷管出口端面之间的距离，在数据采集系统中将测量探针61的此时测量位置设为测量初始位置。

测量时，轴向移动机构4朝向扩压器2方向移动（图1中的左侧方向），数据采集系统同时记录总温探针测得的总温数据、总压探针测得的总压数据、测量探针61的位置数据以及测量探针61测得的与测量位置数据相对应的皮托压力数据，直至完成预期的轴线马赫数测量范围。

若轴向移动机构4向扩压器方向移动至极限位置（图1中轴向移动机构所能到达的最左侧的极限位置）后，仍未达到预期的轴线马赫数测量范围，则停车并记录此时测量探针61的位置，然后将滑动圆杆62从连接座52拆除，将轴向移动机构4反向移动至起始位置，再将滑动圆杆62保持在停车时所处位置安装在连接座52，使轴向移动机构4能够带动测量探针61继续向扩压器2方向移动，然后再继续进行测量，直至完成预期的轴线马赫数测量范围。

最后根据测得的总温、总压和轴向不同位置对应的皮托压力数据，计算轴向各位置的马赫数，得到喷管轴线马赫数分布情况。针对计算（得到）主要分为三种情况：

（1）总温低于1000K，可根据量热完全气体正激波关系式求解马赫数。

（2）总温在1000K~2000K之间，需考虑气体的热效应，可采用查表法、拟合法、修正法求马赫数。

（3）总温高于2000K，还需考虑化学反应，一般没有解析解，往往通过迭代方法进行求解，在此不再赘述。

需要说明的是，以上三种情况计算（得到）马赫数均为现有技术，在此不再赘述。

在另外一些实施方式中，若需要从喷管出口端开始测量，只需从轴向移动机构4的左侧（靠近扩压器的一侧）极限位置作为起始位置，滑动圆杆62的右端（靠近测量探针的一端）与连接座52连接固定，到达右侧极限位置后拆除测量探针61，将轴向移动机构4复位至左侧起始位置，再将测量探针61保持拆除时位置安装在连接座52，然后继续向右侧移动测量探针61以增加测量范围，实现从喷管出口端向入口端测量。该测量方式与上述右侧作为起始位置的测量过程相比，除方向不同之外，其他基本相同，在此不再赘述。

此外，一般情况下，高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置各部件的加工精度和装配精度满足要求的情况下，测量探针61与喷管1的轴线能够实现重合，但有时也会因为部分部件磨损、装配不到位等原因导致测量结果不准确的情况发生，为了避免这种情况发生，在一优选实施方式中，在进行测量前校准测量探针与喷管是否符合同轴度公差要求，校准步骤如下：

提供一同轴校准盘，同轴校准盘上设有贯穿同轴校准盘的校准孔，校准孔的直径大于测量探针的外径，且校准孔的直径与测量探针的外径的差值不超过测量探针与喷管的同轴度公差，同轴校准盘具有与喷管出口相匹配的连接口。同轴校准盘连接口根据喷管出口的接口结构而定，可以是法兰接口也可以是止口。

将同轴校准盘安装在喷管出口，校准孔与喷管同轴。

轴向移动机构带到测量探针移动，若测量探针能够插入校准孔，并不与校准孔发生干涉，测量探针与喷管的同轴度满足测量要求，否则，测量探针与喷管的同轴度不满足测量要求。

若满足测量要求，则拆除同轴校准盘进行测量，若不满足测量要求，则对高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置的各部进行检查调整，直至满足测量要求。

在一优选实施方式中，在校准孔内涂覆染色剂，若测量探针经过校准孔后染色，则判断测量探针与校准孔发生干涉，染色部分即为干涉部分。

在一优选实施方式中，可以先通过在连接座与径向连杆相连接的一侧面设置基准平面，通过水平仪与该基准平面配合，先确定测量探针的轴线与喷管的轴线在水平面内是否存在夹角，能够先实现一个维度的快速校准，提高校准效率，降低测量探针与同轴校准盘干涉导致损坏的可能性。

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：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，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，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 (14)

1.一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于，包括：

轴向移动机构，安装在试验段内，所述试验段位于喷管和扩压器之间；

径向连接机构，用于连接测量探针，包括径向连杆和连接座，所述径向连杆沿所述试验段的径向布置，且一端与所述轴向移动机构连接，另一端与所述连接座连接，所述轴向移动机构带动所述径向连接机构在所述扩压器的入口和所述喷管的出口之间往复移动；

测量部，包括测量探针、滑动圆杆、压力传感器、总温探针和总压探针，所述测量探针和所述滑动圆杆均具有沿轴向设置的圆腔，所述测量探针的一端与所述滑动圆杆的一端同轴连接为一体，所述测量探针和所述滑动圆杆的圆腔相连通形成压力传导通道，所述滑动圆杆的另一端通过压力传导管与所述压力传感器连通，所述压力传感器设置在所述试验段内，所述压力传导管至少包括一段软管，且所述软管与所述压力传感器连接，所述滑动圆杆可拆卸的固定于所述连接座，其中，所述连接座设有过孔，所述滑动圆杆穿过所述过孔且与所述过孔同轴紧配，所述测量探针的探测端朝向所述喷管，所述压力传导通道与所述喷管同轴，所述总温探针和总压探针设置在稳定段，所述稳定段位于所述喷管的上游并与所述喷管连接；以及

数据采集系统，用于采集所述总温探针测得的总温数据、所述总压探针测得的总压数据、所述测量探针的位置数据以及所述测量探针测得的与所述测量探针位置相对应的皮托压力数据。

2.根据权利要求1所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

所述轴向移动机构包括安装座、套杆、螺杆、步进电机和支撑块，所述安装座开设有贯穿所述安装座的长孔，所述长孔的长度方向沿所述喷管的轴向设置，所述步进电机和所述支撑块安装在所述安装座上，且分别位于所述长孔的两端，所述套杆垂直穿过所述长孔，且一端设有沿轴向布置的套接孔，另一端设有沿径向贯穿所述套杆的螺纹孔，所述径向连杆通过所述套接孔套接于所述套接孔内，所述螺杆穿过所述螺纹孔，一端与所述步进电机连接，另一端通过轴承与所述支撑块转动连接；

当所述步进电机工作时，带动所述螺杆转动，所述长孔的两侧壁限制所述套杆随所述螺杆转动，使所述套杆沿所述螺杆的轴向在所述长孔内移动。

3.根据权利要求2所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

所述套杆包括套杆连接部和卡固部，所述套杆连接部与所述螺杆连接，所述卡固部由两个卡固块组成，每个所述卡固块均设有弧形槽，其中一个所述卡固块与所述套杆连接部一体连接，另一个所述卡固块相对所述套杆连接部为可拆卸连接，两个所述卡固块的弧形槽相对设置形成与所述径向连杆相匹配的套接孔，所述径向连杆装配到位后，通过螺栓将两个所述卡固块锁紧固定。

4.根据权利要求2所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

在所述长孔两端设置限位开关，所述限位开关与所述步进电机信号连接，用于限制所述套杆沿所述螺杆轴向移动的极限距离。

5.根据权利要求2所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

在所述长孔的两侧壁中的至少一侧壁设有滑槽，所述滑槽沿所述长孔的长度方向布置，在所述套杆的外侧设有与所述滑槽相匹配的滑块，所述滑块插入所述滑槽内沿所述滑槽滑动。

6.根据权利要求1所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

所述连接座包括连接板和两个固定板，所述连接板的一侧与所述径向连杆的一端连接，所述连接板背离所述径向连杆的一侧设有连接板通槽，所述连接板通槽与所述喷管同轴布置，且横截面为半圆形；

所述固定板朝向所述连接板的一侧设有固定板通槽，所述固定板通槽的横截面为半圆形，两个所述固定板在所述喷管的轴向上间隔设置，并通过螺栓固定在所述连接板上，使两个所述固定板通槽与所述连接板通槽形成供所述滑动圆杆穿过的通道，且所述通道与所述滑动圆杆的外型面紧贴。

7.根据权利要求6所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

所述连接板在所述喷管轴向上的尺寸不小于所述滑动圆杆轴向尺寸的1/4。

8.根据权利要求6所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

所述径向连杆垂直于所述连接板通槽的轴向，且垂直度不低于0.1mm；

所述滑动圆杆与测量探针的同轴度不超过0.1mm；

所述滑动圆杆外表面粗糙度为3.2μm，圆度不低于0.1mm。

9.根据权利要求1所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

所述压力传导管包括紫铜管和橡胶软管，所述紫铜管一端与所述滑动圆杆连通，另一端与橡胶软管的一端连通，所述橡胶软管的另一端与所述压力传感器连接，所述橡胶软管和所述压力传感器位于流场外。

10.根据权利要求1所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

所述测量探针采用06Cr19Ni10或06Cr25Ni20材料制作；和/或

所述滑动圆杆采用30CrMnSi材料制作。

11.根据权利要求1所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置，其特征在于：

所述连接座与所述径向连杆相连接的一侧面设有用于放置水平仪的基准平面。

12.一种高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量方法，其特征在于：

采用权利要求1-11任一项所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置进行测量，包括以下步骤：

通过所述轴向移动机构将所述径向连接机构移动到靠近所述喷管一侧的起始位置；

将所述滑动圆杆固定在所述连接座，确保所述压力传导通道与所述喷管同轴，所述测量探针伸入所述喷管内的长度达到能够伸入的极限长度，测量所述测量探针的测量端面与所述喷管出口端面之间的距离，在所述数据采集系统中将所述测量探针此时测量位置设为测量初始位置；

测量时，所述轴向移动机构朝向所述扩压器方向移动，所述数据采集系统同时记录所述总温探针测得的总温数据、所述总压探针测得的总压数据、所述测量探针的位置数据以及所述测量探针测得的与位置数据相对应的皮托压力数据，直至完成预期的轴线马赫数测量范围；

若所述轴向移动机构向所述扩压器方向移动至极限位置后，仍未达到预期的轴线马赫数测量范围，则停车并记录此时所述测量探针的位置，将所述滑动圆杆从所述连接座拆除，将所述轴向移动机构反向移动至所述起始位置，再将所述滑动圆杆保持在停车时所处位置安装在所述连接座，然后再继续进行测量，直至完成预期的轴线马赫数测量范围；

根据测得的总温、总压和轴向不同位置对应的所述皮托压力数据，计算轴向各位置的马赫数，得到所述喷管轴线马赫数分布情况。

13.根据权利要求12所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量方法，其特征在于：

在进行测量前校准所述测量探针与所述喷管是否符合同轴度公差

要求，校准步骤如下：

提供一同轴校准盘，在所述同轴校准盘上设有贯穿所述同轴校准盘的校准孔，所述校准孔的直径大于所述测量探针的外径，且所述校准孔直径与所述测量探针外径的差值不超过所述测量探针与所述喷管的同轴度公差，所述同轴校准盘具有与所述喷管出口相匹配的连接口；

将所述同轴校准盘安装在所述喷管出口，所述校准孔与所述喷管同轴；

所述轴向移动机构带动所述测量探针移动，若所述测量探针能够插入所述校准孔，并不与所述校准孔发生干涉，所述测量探针与所述喷管的同轴度满足测量要求，否则，所述测量探针与所述喷管的同轴度不满足测量要求；

若满足测量要求，则拆除同轴校准盘进行测量，若不满足测量要求，则对高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量装置的各部进行检查调整，直至满足测量要求。

14.根据权利要求13所述的高超声速低密度风洞喷管内轴线马赫数测量方法，其特征在于：

通过以下方法判断所述测量探针是否与所述校准孔发生干涉：

在所述校准孔内涂覆染色剂，若所述测量探针经过校准孔后染色，则判断所述测量探针与所述校准孔发生干涉。

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