本发明涉及一种高超声速激波风洞工程领域，特别是一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置及充装方法。
背景技术：
激波风洞是一种特殊的高超声速风洞，激波风洞是通过激波的压缩来提高风洞来流总温，激波风洞结构很简单，造价也比较低廉，随着现代测试技术的发展，能够承担大部分的高超声速气动力和气动热测量试验，在新型号的气动外形研制过程中起着越来越重要的作用。同时某些激波风洞试验中，需要在激波管段中充装高纯度的特种气体(氮气、氦气或二氧化碳等)，就需要先为激波风洞炮管中抽吸到很低的真空度(一般需要抽吸到500Pa以下，甚至更低)，而激波风洞炮管上的管路连接孔口径不能太大(否则会影响风洞试验流场)，常规的真空抽吸管路无法满足要求。激波风洞运行过程中压力高(以航天11院FD-20风洞为例，常规条件下压力可达30MPa甚至更高)，对管路系统的要求很高。因此高纯度特种气体充装装置既要满足真空抽吸要求，又要满足高压气体对装置的冲击影响。同时对于压力的测量来说，一般传感器的测量范围在2-3个量级，而对于激波风洞来说需要测量的压力范围可多达7个量级(从几帕到几兆帕甚至几十兆帕)，同时常规的风洞用的真空传感器多为热传导式真空计，测量范围1Pa-5000Pa左右，而且一般是在空气条件下进行标定的，而特种气体的测量过程中存在偏差。因此特种气体充装过程中最低充装压力在几千帕时，单独的真空计无法满足测量需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，解决了激波风洞特种气体充装过程中，激波风洞压力脉动大，激波管抽真空困难，压力测量精度差、测量范围窄的问题，提高了特种试验气体充装的纯度，实现了充装的远程和自动控。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，包括真空抽吸装置、特种气体充气装置、测量装置和放气管路；其中，真空抽吸装置、特种气体充气装置和测量装置分别固定安装在外部激波风洞炮管段的同一侧，放气管路固定安装在外部激波风洞炮管段的另一侧；所述真空抽吸装置包括真空泵、真空泵阀、真空泵大气连通阀、真空波纹软管和高压气动阀；其中，真空泵的进气口与真空泵阀固定连接后分为两条管路，其中一条管路与真空泵大气连通阀固定连接，另一条管路依次与真空波纹软管和高压气动阀固定连接；高压气动阀的另一端与外部激波风洞炮管段固定连接。
在上述的一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，所述的特种气体充气装置包括特种气体气瓶、减压阀、高压软管和充气阀；其中，特种气体气瓶、减压阀、高压软管和充气阀依次连接后与外部激波风洞炮管段固定连接。
在上述的一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，所述的测量装置包括高压气动阀、高压测压传感器、高压力大气连通阀、真空保护阀、真空计、低压力传感器和低压力大气连通阀；其中，高压气动阀一端与外部激波风洞炮管段固定连接，另一端分为两路，其中一路依次与高压测压传感器和高压力大气连通阀固定连接，另一路分别与真空保护阀、真空计、低压力传感器和低压力大气连通阀固定连接。
在上述的一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，所述的放气管路包括气动放气阀、旁路放气手阀和消音器；其中，气动放气阀与旁路放气手阀并联后，一端与外部激波风洞炮管段固定连接，另一端与消音器固定连接。
在上述的一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，所述的真空波纹软管的口径不小于真空泵的进气口口径；高压气动阀的口径不小于外部激波风洞炮管段的连接口口径。
在上述的一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，所述的真空计为热传导真空计；低压力传感器的量程为0.1-0.15MPa；高压力传感器量程为0.1-30MPa；高压力大气连通阀、低压力大气连通阀和真空计保护阀采用真空阀门。
在上述的一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，所述的测量装置的测量精度为1Pa-30MPa的压力。
在上述的一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，特种气体充装装置充装高纯度特种气体的方法为：
步骤(一)、抽真空
通过真空抽吸装置将外部激波风洞炮管段中的压力抽吸至所需真空度后，关闭高压气动阀，并开启真空泵大气连通阀，实现对真空泵的保护；
步骤(二)、充气
通过减压阀将特种气体气瓶中的特种气体减压到所需压力，打开充气阀，充至试验要求压力后，关闭充气阀；
步骤(三)、测量真空压力
首先关闭高压力大气连通阀和低压力大气连通阀，开启高压气动阀、真空计保护阀；需要测量正压时，关闭高压力大气连通阀和真空计保护阀，开启高压气动阀、低压力大气连通阀；激波风洞运行前，关闭高压气动阀和真空计保护阀，开启高压力大气连通阀和低压力大气连通阀；
步骤(四)、放气
激波风洞运行结束后，开启气动放气阀进行放气；同时，可以手动开启旁路手阀进行手动放气。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明提供了一种在激波风洞中进行高纯度特种气体充装的系统，其中测量系统中通过多种传感器的配合使用，提高了测量的精度和范围，同时增加了大气连通阀，使低压力传感器和真空计不易受到高压力气体的冲击而损坏；
(2)本发明中真空抽吸系统中使用了真空管路保护阀和大气连通阀，并且通过合理的管路设计使管路的流阻降低、流导提高，确保了真空系统抽吸的效率，提高了系统的极限真空度；
(3)本发明分别在真空抽吸系统和特种气体充气系统中使用了真空软管和高压软管，使整个系统适应了激波风洞移动情况；
(4)本发明所用的阀门除放气管路旁路手阀外均采用气动阀，实现了系统的远程控制和自动运行。
附图说明
图1为本发明高纯度特种气体充装装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供了一种在激波风洞中进行高纯度特种气体充装的系统，其中测量系统中通过多种传感器的配合使用，提高了测量的精度和范围，同时增加了大气连通阀，使低压力传感器和真空计不易受到高压力气体的冲击而损坏；真空抽吸系统中使用了真空管路保护阀和大气连通阀，并且通过合理的管路设计使管路的流阻降低、流导提高，确保了真空系统抽吸的效率，提高了系统的极限真空度；分别在真空抽吸系统和特种气体充气系统中使用了真空软管和高压软管，使整个系统适应了激波风洞移动情况。主要阀门采用气动阀，实现了系统的远程控制和自动运行。
如图1所示为高纯度特种气体充装装置结构示意图，由图可知，一种用于激波风洞的高纯度特种气体充装装置，其特征在于：包括真空抽吸装置1、特种气体充气装置2、测量装置3和放气管路4；其中，真空抽吸装置1、特种气体充气装置2和测量装置3分别固定安装在外部激波风洞炮管段的同一侧，放气管路4固定安装在外部激波风洞炮管段的另一侧；所述真空抽吸装置1包括真空泵101、真空泵阀102、真空泵大气连通阀103、真空波纹软管104和高压气动阀105；其中，真空泵101的进气口与真空泵阀102固定连接后分为两条管路，其中一条管路与真空泵大气连通阀103固定连接，另一条管路依次与真空波纹软管104和高压气动阀105固定连接；高压气动阀105的另一端通过接头直接连接在外部激波风洞炮管段上，降低了管路流阻的影响。其中，真空波纹软管104的口径不小于真空泵101的进气口口径；高压气动阀105的口径不小于外部激波风洞炮管段的连接口口径，外部激波风洞炮管段的口径按照不影响激波风洞流场的最大的口径选取。
其中，特种气体充气装置2包括特种气体气瓶201、减压阀202、高压软管203和充气阀204；其中，特种气体气瓶201、减压阀202、高压软管203和充气阀204依次连接后与外部激波风洞炮管段固定连接。
测量装置3包括高压气动阀301、高压测压传感器302、高压力大气连通阀303、真空保护阀304、真空计305、低压力传感器306和低压力大气连通阀307；其中，高压气动阀301一端与外部激波风洞炮管段固定连接，另一端分为两路，其中一路依次与高压测压传感器302和高压力大气连通阀303固定连接，另一路分别与真空保护阀304、真空计305、低压力传感器306和低压力大气连通阀307固定连接。高压气动阀301与外部激波风洞炮管段连接的管路、阀门及传感器间的管路尽可能短，保证测量的准确性。
放气管路4包括气动放气阀401、旁路放气手阀402和消音器403；其中，气动放气阀401与旁路放气手阀402并联后，一端与外部激波风洞炮管段固定连接，另一端与消音器403固定连接。
真空计305为热传导真空计；低压力传感器306的量程为0.1-0.15MPa；高压力传感器302量程为0.1-30MPa；高压力大气连通阀303、低压力大气连通阀307和真空计保护阀304采用真空阀门。
测量装置3的测量精度为1Pa-30MPa的压力。
特种气体充装装置充装高纯度特种气体的方法为：
步骤(一)、抽真空
通过真空抽吸装置1将外部激波风洞炮管段中的压力抽吸至所需真空度后，关闭高压气动阀105，并开启真空泵大气连通阀103，实现对真空泵101的保护；
步骤(二)、充气
通过减压阀202将特种气体气瓶201中的特种气体减压到所需压力，打开充气阀204，充至试验要求压力后，关闭充气阀204；
步骤(三)、测量真空压力
首先关闭高压力大气连通阀303和低压力大气连通阀307，开启高压气动阀301、真空计保护阀304；需要测量正压时，关闭高压力大气连通阀303和真空计保护阀304，开启高压气动阀301、低压力大气连通阀307；激波风洞运行前，关闭高压气动阀301和真空计保护阀304，开启高压力大气连通阀303和低压力大气连通阀307，保护真空计305和低压力传感器306不受试验时高压气体影响；
步骤(四)、放气
激波风洞运行结束后，开启气动放气阀401进行放气；同时，可以手动开启旁路手阀402进行手动放气。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。