CN211253077U - 一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，属于航空航天飞行器气动热地面模拟试验装置领域；包括内壳、外壳和加强筋组；外壳包覆在内壳的外壁外侧；外壳的小径开口端设置有冷却水入口；外壳的大径开口端设置有冷却水出口；内壳外壁与外壳内壁的轴向两端固定连接；内壳外壁与外壳内壁之间留有间隙；加强筋组设置在内壳与外壳之间的间隙中；烧蚀实验时，外部高焓气流由内壳小径方向流入，由内壳大径方向流出；外部冷却水由入口进入内壳与外壳之间的间隙，由冷却水出口流出；本实用新型有效减少了由于试验模型在烧蚀过程中外形尺寸发生的未知变化而产生的反馈误差，从另一个方面确保高焓流场的稳定性，从而确保模型表面烧蚀均匀。

Description

一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管

技术领域

本实用新型属于航空航天飞行器气动热地面模拟试验装置领域，涉及一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管。

背景技术

在气动热地面模拟试验中，采用电弧加热亚声速包罩试验技术研究模型表面防热材料的烧蚀特征是一个比较好的技术途径。其最大特点是能够将有限的能量限制在模型表面，从而能够用较小的质量流量的加热气体覆盖具有模拟飞行环境的较大尺寸的试验模型。

当前，随着高焓大功率电弧加热设备的建成以及投入使用，飞行器研制对气动热地面模拟试验提出了更高的要求。现有的包罩烧蚀试验中所使用的喷管只能适应气流总焓10MJ/kg以下的试验，不能满足气流总焓更高条件下的试验要求，主要缺陷包括如下几点：

1、当前亚声速包罩烧蚀试验使用的喷管，其内型面沿轴向为直线设计，模型表面气流马赫数会出现跳跃现象，导致流场不稳定，模型表面烧蚀不均匀；

2、当前亚声速包罩烧蚀试验使用的喷管只能适用于气流总焓较低的烧蚀试验，在高焓气流环境下，喷管冷却不均匀，局部区域易烧毁而导致冷却水外漏，使得试验失败；

3、当前亚声速包罩烧蚀试验使用的喷管承压能力较低，喷管外壳与内壳间使用橡胶密封圈进行密封。在高焓高压气流环境中，紫铜内壳容易产生较大热应变,使得橡胶密封圈失效，导致冷却水外漏,使得试验失败。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管。效减少了由于试验模型在烧蚀过程中外形尺寸发生的未知变化而产生的反馈误差，从另一个方面确保高焓流场的稳定性，从而确保模型表面烧蚀均匀。

本实用新型解决技术的方案是：

一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，包括内壳、外壳和加强筋组；其中，内壳和外壳为中空椎体结构；外壳包覆在内壳的外壁外侧；外壳的小径开口端外壁沿径向设置有冷却水入口；外壳的大径开口端外壁沿径向设置有冷却水出口；内壳外壁与外壳内壁的轴向两端固定连接；内壳外壁与外壳内壁之间留有间隙；加强筋组设置在内壳与外壳之间的间隙中；烧蚀实验时，外部试验模型的头端从内壳的大径开口端伸入内壳；外部高焓气流由内壳小径方向流入，由内壳大径方向流出；外部冷却水由冷却水入口进入内壳与外壳之间的间隙，由冷却水出口流出。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，加强筋组包括长筋组和短筋组；长筋组和短筋组均沿内壳侧壁长度方向设置。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，所述长筋组的轴向长度与内壳侧壁长度相同；长筋组的轴向一端位于内壳小径端处；长筋组的轴向另一端位于内壳大径端处；短筋组的轴向长度为170-180mm；且短筋组的轴向一端位于内壳大径端处。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，所述长筋组包括24条长筋；24条长筋沿周向均匀分布在内壳的外壁；短筋组包括24条短筋；24条短筋沿周向均匀分布在内壳的外壁；且长筋与短筋交错分布。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，所述长筋沿长度方向保持筋宽不变；筋宽为2.8-3.2mm；长筋沿长度方向筋高线性减少；长筋位于内壳小径端的筋高为8mm；长筋位于内壳大径端的筋高为4.4mm。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，所述内壳包括直筒段、第一锥面段、第二锥面段、第三锥面段和第四锥面段；直筒段、第一锥面段、第二锥面段、第三锥面段和第四锥面段沿轴向依次首尾连接组成内壳。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，所述第一锥面段的半锥角a为6.4°；第二锥面段的半锥角b为7.3°；第三锥面段的半锥角c为8.1°；第四锥面段的半锥角d为8.3°。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，所述在外部试验模型和内壳之间外部高焓气流的马赫数为Ma0.6。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，外部冷却水经过内壳与外壳之间的强筋组后，在额定工作条件下，外部冷却水的温升小于20℃；且消耗的外部冷却水量较传统喷管下降25％。

在上述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，通过加强筋组实现内壳与外壳配合后，实现内壳的内外壁在处于极限压差和温差环境下，周向内径热应变减少20％，轴向热应变减少99％。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

(1)本实用新型通过内壳内型面的多段折线设计，保证模型表面气流马赫数能够稳定保持在一个较小的浮动范围内，从而得到稳定的高焓流场，另一方面，以±2％为误差限取最少折线段数量的设计方法可有效减少由于试验模型在烧蚀过程中外形尺寸发生的未知变化而产生的反馈误差，从另一个方面确保高焓流场的稳定性，从而确保模型表面烧蚀均匀；

(2)本实用新型加强筋沿轴向的非均匀设计，使冷却水通道的截面积沿轴线方向保持不变，从而在确保加强筋冷却效果的前提下使得喷管具有良好的冷却性能，确保试验过程中喷管的安全性；

(3)本实用新型通过内壳和外壳的整体焊接方式，一方面可以提高喷管承压能力，确保试验过程中喷管的安全性，另一方面可以保持高焓流场的稳定性和均匀性。

附图说明

图1为本实用新型定马赫数喷管剖视图；

图2为本实用新型长筋组和短筋组分布示意图；

图3为本实用新型内壳各段半锥角示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步阐述。

本实用新型提出了一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，预解决的技术问题包括：1、当前亚声速包罩烧蚀试验使用的喷管，其内型面沿轴向为直线设计，模型表面气流马赫数会出现跳跃现象，导致流场不稳定，模型表面烧蚀不均匀；2、当前亚声速包罩烧蚀试验使用的喷管只能适用于气流总焓较低的烧蚀试验，在高焓气流环境下，喷管冷却不均匀，局部区域易烧毁而导致冷却水外漏，使得试验失败；3、当前亚声速包罩烧蚀试验使用的喷管承压能力较低，喷管外壳与内壳间使用橡胶密封圈进行密封。在高焓高压气流环境中，紫铜内壳容易产生较大热应变,使得橡胶密封圈失效，导致冷却水外漏,使得试验失败。

该喷管包括内壳1、外壳2和加强筋组3；优选地，内壳1可采用紫铜材料制造。因为紫铜具有极佳的导热性，可使冷却水能够有效地对内壳1进行冷却，防止高焓气流将内壳1烧毁。优选地，外壳2可采用优质不锈钢材料制造。可使装置多次使用而不产生锈蚀，延长装置使用寿命。此外，由于紫铜材料强度较低，通过将内壳1和外壳2之间焊接成整体，将内壳1所受的拉力传导至强度较高的外壳2，一方面可以提高喷管承压能力，确保试验过程中喷管的安全性，另一方面可以保持高焓流场的稳定性和均匀性。其中，内壳1和外壳2为中空椎体结构；外壳2包覆在内壳1的外壁外侧；内壳1和外壳2之间采用整体焊接方式组成一体。外壳2的小径开口端外壁沿径向设置有冷却水入口21；外壳2的大径开口端外壁沿径向设置有冷却水出口22；内壳1外壁与外壳2内壁的轴向两端固定连接；内壳1外壁与外壳2内壁之间留有间隙；加强筋组3设置在内壳1与外壳2之间的间隙中；烧蚀实验时，外部试验模型的头端从内壳1的大径开口端伸入内壳1；外部高焓气流由内壳1小径方向流入，由内壳1大径方向流出；外部冷却水由冷却水入口21进入内壳1与外壳2之间的间隙，由冷却水出口22流出；实现对喷管的冷却，如图1。

如图2所示，加强筋组3包括长筋组31和短筋组32；长筋组31和短筋组32均沿内壳1侧壁长度方向设置。长筋组31的轴向长度与内壳1侧壁长度相同；长筋组31的轴向一端位于内壳1小径端处；长筋组31的轴向另一端位于内壳1大径端处；短筋组32的轴向长度为170-180mm；且短筋组32的轴向一端位于内壳1大径端处。长筋组31包括24条长筋；24条长筋沿周向均匀分布在内壳1的外壁；短筋组32包括24条短筋；24条短筋沿周向均匀分布在内壳1的外壁；且长筋与短筋交错分布。长筋沿长度方向保持筋宽不变；筋宽为2.8-3.2mm；长筋沿长度方向筋高线性减少；长筋位于内壳1小径端的筋高为8mm；长筋位于内壳1大径端的筋高为4.4mm。这种设计能够在保证加强筋3冷却效果的前提下，使冷却水通道的截面积沿纵向保持不变，从而使喷管具有良好的冷却性能，确保试验过程中喷管的安全性；

设计时根据试验模型尺寸及流场马赫数确定内壳1内型面与试验模型间缝隙面积，并以±2％为误差限取最少折线段数量，本喷管使用四段折线，内壳1包括直筒段11、第一锥面段12、第二锥面段13、第三锥面段14和第四锥面段15；直筒段11、第一锥面段12、第二锥面段13、第三锥面段14和第四锥面段15沿轴向依次首尾连接组成内壳1。第一锥面段12的半锥角a为6.4°；第二锥面段13的半锥角b为7.3°；第三锥面段14的半锥角c为8.1°；第四锥面段15的半锥角d为8.3°，如图3。这种结构使得试验模型外表面与内壳1内型面之间的高焓高压气流的马赫数能够稳定保持在一个较小的浮动范围内，也可有效减少由于试验模型在烧蚀过程中外形尺寸发生的未知变化而产生的反馈误差，从而得到稳定的高焓流场，确保模型表面烧蚀均匀。

本实用新型能够用于亚声速包罩烧蚀试验，使试验过程中模型表面气流马赫数可以稳定在一个较小的浮动范围内，且在试验过程喷管能够保持良好的冷却性能和承压能力，提高了喷管安全性，使得模型表面烧蚀均匀。在外部试验模型和内壳1之间外部高焓气流的马赫数为Ma0.6。外部冷却水经过内壳1与外壳2之间的强筋组3后，在额定工作条件下，外部冷却水的温升小于20℃；且消耗的外部冷却水量较传统喷管下降25％。通过加强筋组3实现内壳1与外壳2配合后，实现内壳1的内外壁在处于极限压差和温差环境下，周向内径热应变减少20％，轴向热应变减少99％。

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：包括内壳(1)、外壳(2)和加强筋组(3)；其中，内壳(1)和外壳(2)为中空椎体结构；外壳(2)包覆在内壳(1)的外壁外侧；外壳(2)的小径开口端外壁沿径向设置有冷却水入口(21)；外壳(2)的大径开口端外壁沿径向设置有冷却水出口(22)；内壳(1)外壁与外壳(2)内壁的轴向两端固定连接；内壳(1)外壁与外壳(2)内壁之间留有间隙；加强筋组(3)设置在内壳(1)与外壳(2)之间的间隙中；烧蚀实验时，外部试验模型的头端从内壳(1)的大径开口端伸入内壳(1)；外部高焓气流由内壳(1)小径方向流入，由内壳(1)大径方向流出；外部冷却水由冷却水入口(21)进入内壳(1)与外壳(2)之间的间隙，由冷却水出口(22)流出。

2.根据权利要求1所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：加强筋组(3)包括长筋组(31)和短筋组(32)；长筋组(31)和短筋组(32)均沿内壳(1)侧壁长度方向设置。

3.根据权利要求2所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：所述长筋组(31)的轴向长度与内壳(1)侧壁长度相同；长筋组(31)的轴向一端位于内壳(1)小径端处；长筋组(31)的轴向另一端位于内壳(1)大径端处；短筋组(32)的轴向长度为170-180mm；且短筋组(32)的轴向一端位于内壳(1)大径端处。

4.根据权利要求3所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：所述长筋组(31)包括24条长筋；24条长筋沿周向均匀分布在内壳(1)的外壁；短筋组(32)包括24条短筋；24条短筋沿周向均匀分布在内壳(1)的外壁；且长筋与短筋交错分布。

5.根据权利要求4所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：所述长筋沿长度方向保持筋宽不变；筋宽为2.8-3.2mm；长筋沿长度方向筋高线性减少；长筋位于内壳(1)小径端的筋高为8mm；长筋位于内壳(1)大径端的筋高为4.4mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：所述内壳(1)包括直筒段(11)、第一锥面段(12)、第二锥面段(13)、第三锥面段(14)和第四锥面段(15)；直筒段(11)、第一锥面段(12)、第二锥面段(13)、第三锥面段(14)和第四锥面段(15)沿轴向依次首尾连接组成内壳(1)。

7.根据权利要求6所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：所述第一锥面段(12)的半锥角a为6.4°；第二锥面段(13)的半锥角b为7.3°；第三锥面段(14)的半锥角c为8.1°；第四锥面段(15)的半锥角d为8.3°。

8.根据权利要求7所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：所述在外部试验模型和内壳(1)之间外部高焓气流的马赫数为Ma0.6。

9.根据权利要求5所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：外部冷却水经过内壳(1)与外壳(2)之间的强筋组(3)后，在额定工作条件下，外部冷却水的温升小于20℃；且消耗的外部冷却水量较传统喷管下降25％。

10.根据权利要求9所述的一种用于亚声速包罩烧蚀试验的定马赫数喷管，其特征在于：通过加强筋组(3)实现内壳(1)与外壳(2)配合后，实现内壳(1)的内外壁在处于极限压差和温差环境下，周向内径热应变减少20％，轴向热应变减少99％。

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