液体姿控发动机高模试验逆向稀薄来流模拟装置的制作方法

本发明涉及航天液体发动机试验技术领域，具体涉及一种流体模拟装置。

背景技术：

在探测空间星球的过程中，当航天飞行器在接近目标星球时，是以一定的速度进入目标星球的大气层内的，以探测火星为例，火星表面的大气层较为稀薄，此时航天飞行器的液体姿控发动机处于一个较低的真空环境，且迎着稀薄的大气层运动以着陆火星表面。稀薄大气会对火星探测器产生一个逆向的阻力，可能对快速移动的姿控发动机点火存在一定的干扰风险，因此需要开展姿控发动机在火星大气稀薄来流条件下的高空模拟试验，以验证姿控发动机的性能参数及工作可靠性，从而保证姿控发动机在火星大气环境中的工作适应性。

现有的发动机高空模拟试验系统一般用于液体火箭姿控发动机高空模拟试验，不具备火星大气稀薄来流模拟环境，无法进行火星探测器姿控发动机在火星大气环境中的流场点火模拟试验。

技术实现要素：

为了解决现有液体姿控发动机高空模拟试验系统不具备火星大气稀薄来流模拟环境，无法进行火星探测器姿控发动机在火星大气环境中的流场点火模拟试验的技术问题，本发明提供一种液体姿控发动机高模试验逆向稀薄来流模拟装置。

本发明的技术解决方案如下：

液体姿控发动机高模试验逆向稀薄来流模拟装置，其特殊之处在于：

包括同轴设置的来流喷气组件41及来流回流腔42；

所述来流喷气组件41包括喷气环411、导流筒412及第一固定组件413；

所述喷气环411包括同轴嵌套设置的内环筒和外环筒，所述内环筒和外环筒之间具有间距，所述内环筒与外环筒的一端封闭，另一端为敞口，封闭的一端对称设置有多个进气口414，敞口的一端为出气口415，所述出气口415的出气方向与喷气环411中心轴的夹角α的范围为30-60度；

所述导流筒412为锥形圆筒结构，导流筒412的大径端与外环筒敞口的一端固定连接，小径端与来流回流腔42固定连接；

所述第一固定组件413包括至少一个固定支耳，所述固定支耳用于固定来流喷气组件41；

所述来流回流腔42包括回流环421、延伸筒422及第二固定组件423；

所述回流环421包括中心区4211及回流区4212，回流区4212位于中心区4211的外侧，所述中心区4211为圆形平板，所述圆形平板的中心设置有中心孔，所述中心孔用于与发动机喷管配合安装；

所述回流区4212为圆环形，截面形状为圆弧状，回流区朝向出气口415的出气方向内凹；

所述延伸筒422的一端与回流环421的外壁连接，所述延伸筒的另一端位于导流筒412的外侧，所述延伸筒与导流筒412之间设置有间隙；

所述第二固定组件423用于固定来流回流腔42。

进一步地，所述喷气环的多个进气口沿外环筒的切向设置。

本发明喷气环的进气口沿切向设置的目的是改变流体方向，使流体沿切向进入喷气环内减速后形成均匀稳压环境，通过改变供应方向减少进气口位置对喷气流场均匀性影响。通过设置切向的进气口，使气流在真空环境下在半封闭喷气环内减速稳压，并沿喷气环的敞口端以一定夹角向内喷气，形成撞击交汇均匀逆向喷气气流，气流沿导流筒向发动机喷管出口端移动，从而保证喷管前端来流速度场的均匀性。

进一步地，所述多个出气口的出气方向与喷气环中心轴的夹角为45度。

本发明的出气方向与喷气环中心轴夹角会影响交汇撞击流场的柱状直径包络范围，优选出气方向会利于形成合适的逆向喷管来流速度场包络，可根据发动机喷管出口直径及喷管出口位置设置出气口的夹角。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明液体姿控发动机高模试验逆向稀薄来流模拟装置，可为液体姿控发动机进行逆向稀薄来流高模试验创造试验所需的来流环境。

2、本发明液体姿控发动机高模试验逆向稀薄来流模拟装置，结构尺寸紧凑，易加工，成本低，安装方便，操作简单。

3、本发明通过更换不同的来流回流腔的中心区，以适应不同推力的液体姿控发动机进行逆向稀薄来流高模试验，通用性强。

附图说明

图1为本发明实施例逆向稀薄来流模拟装置与发动机配合的结构图；

图2为图1的右视图；

图3为本发明逆向稀薄来流模拟装置的工作原理图；

图4是本发明逆向稀薄来流模拟装置的高空模拟试验系统组成结构图；

其中附图标记为：

1-真空模拟装置、2-燃气升压降温装置、3-燃气引射排气装置、5-二氧化碳生产供应装置、13-发动机安装架、14-发动机、15-真空舱、21-扩压器、41-来流喷气组件、411-喷气环、412-导流筒、413-第一固定组件、414-进气口、415-出气口、42-来流回流腔、421-回流环、4211-中心区、4212-回流区、422-延伸筒、423-第二固定组件。

具体实施方式

液体姿控发动机逆向稀薄来流高模试验相对于传统的液体姿控发动机高模试验和单纯的来流吹风试验，试验环境的要求苛刻很多。要营造逆向稀薄来流环境，须解决如下难题：

(1)制造均匀的逆向来流；

(2)在逆向来流存在的情况下，需保证试验系统的真空舱内的真空度维持在一定的水平，故发动机的燃气和喷入真空舱内的来流气体不可在真空舱内堆积，需及时被真空抽吸系统抽走；

(3)来流模拟装置不能影响发动机的正常工作，不可阻挡发动机羽流，需确保发动机燃气可被真空抽吸系统正常抽走。

为实现液体姿控发动机进行逆向来流高模试验，解决试验中来流条件创造及真空环境维持等难题，本发明提出了一种液体姿控发动机高模试验的逆向稀薄来流模拟装置，以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1-2所示，本发明的液体姿控发动机高模试验逆向稀薄来流模拟装置，包括同轴设置的来流喷气组件及来流回流腔；来流喷气组件包括喷气环411、导流筒412及第一固定组件413；喷气环411包括同轴嵌套设置的内环筒和外环筒，内环筒和外环筒之间具有间距，内环筒与外环筒的一端封闭，另一端为敞口，封闭的一端对称设置有多个进气口414，敞口的一端为出气口415，出气口415的出气方向与喷气环411中心轴的夹角α的范围为30-60度；导流筒412为锥形圆筒结构，导流筒412的大径端与外环筒敞口的一端固定连接，小径端与来流回流腔42固定连接；第一固定组件413包括至少一个固定支耳，固定支耳用于固定来流喷气组件41；来流回流腔42包括回流环421、延伸筒422及第二固定组件423；回流环421包括中心区4211及回流区4212，回流区4212位于中心区4211的外侧，中心区4211为圆形平板，圆形平板的中心设置有中心孔，中心孔用于与发动机喷管配合安装；回流区4212为圆环形，截面形状为圆弧状，回流区朝向出气口415的出气方向内凹；延伸筒422的一端与回流环421的外壁连接，延伸筒的另一端位于导流筒412的外侧，延伸筒与导流筒412之间设置有间隙；第二固定组件423用于固定来流回流腔42。喷气环411的多个进气口414沿外环筒的切向设置。多个出气口415的出气方向与喷气环411中心轴的夹角为45度。

本发明中来流喷气组件41其作用是将成分气体通过扩散，掺混，使气流从来流喷气组件41出气口415均匀地流出，使得在发动机喷管区域形成交汇的逆向来流覆盖区域。

来流回流腔42的作用是将从来流喷气组件41喷出的气体进行收集和导流，使气流流动方向与试验系统抽吸方向一致，方便气流顺利进入扩压器21后被抽吸系统顺利抽出，从而确保真空舱15内的压力维持在一定的范围内。

以下对本发明来流喷气组件及来流回流腔的部件功能进行说明。

本发明的进气口414用于输送气体，其与外部气源连接，将气体导入来流喷气组件41内。

喷气环411用于气体的收集和缓冲，使环腔内聚集一定量的均匀气体，后气体以一定角度、一定速度从喷气环出气口415喷出，从而形成覆盖发动机喷管区域的逆向来流流场。

导流筒412的作用是限制气流流动的区域，确保气流能够沿着与发动机燃气流动方向相反的方向流动，防止从喷气口喷出的气体被真空抽吸系统直接抽走。

固定支耳用于将来流喷气组件41与试验台扩压器21入口端面进行安装和固定，确保来流喷气组件41轴心与试验台扩压器21轴心重合。

回流环421用于将从来流喷气组件41喷出的气流进行收集和导向。

延伸筒422作用为限制气流流动区域，使气流最终进入扩压器21内。

回流环421及延伸筒422同轴设置，回流环421的中心区4211的作用是防止发动机燃气回流，同时对逆向来流起到一定的遮挡作用，防止来流从发动机与回流环421间的间隙流出，影响真空舱的真空度。通过设置不同大小中心区4211可以使本发明用于不同推力量级的液体姿控发动机进行逆向稀薄来流高模试验；为了方便安装，回流环421的中心区4211一分为二，两半独立安装。

第二固定组件423用于将来流回流腔42与试验台扩压器21入口端面进行安装和固定，确保来流回流腔42与来流喷气组件41及试验台扩压器21三者轴心重合。

稀薄来流模拟装置的工作原理如图3，采用低压条件下环状夹角进行方式形成环状周向内喷气流，对称内喷的气流形成交汇撞击后，撞击区域形成一定的拥塞，撞击后的柱状气流沿轴向方向移动，从而形成了发动机喷管前端的逆向来流条件，根据来流喷气组件41喷气环内部压力不同可形成喷管前端不同速度大小的稀薄来流。

如图4所示，使用本发明的火星探测姿控发动机稀薄来流高模试验系统包括依次连接的真空模拟装置1、燃气升压降温装置2及燃气引射排气装置3；真空模拟装置1包括真空舱及设置于真空舱内的发动机安装架13，发动机安装架13用于安装发动机14；燃气升压降温装置2包括扩压器21，扩压器21的入口位于真空舱15内，发动机的喷管出口朝向扩压器21的入口。本发明的火星探测姿控发动机稀薄来流高模试验系统中的真空模拟装置、燃气升压降温装置及燃气引射排气装置均可采用现有的发动机高空模拟试验系统中结构进行设置。

本发明的液体姿控发动机高模试验逆向稀薄来流模拟装置在使用时，首先将来流喷气组件41上的固定支耳通过螺栓与试验台扩压器3的端面进行连接固定。之后，安装来流回流腔42，通过安装支耳和安装杆及螺栓等紧固件将来流回流腔安装于扩压器端面上，安装过程中，确保扩压器、来流喷气组件41和来流回流腔42三者轴心重合，且来流回流腔42的延伸通距离扩压器端面由一定的距离，约100mm～150mm。安装完成后，将试验的液体姿控发动机安装于试验真空舱内，最后安装回流环421的中心区4211。

装置安装完成后，通过二氧化碳生产供应装置5的供气管路与来流喷气组件41的进气管连接，整个模拟装置即建立完成。

进行液体姿控发动机逆向来流高模试验时，当真空舱内的压力满足一定条件后，打开试验台气体供应系统，将气体输送至来流喷气组件41内。气体进入进气管，在喷气环内形成均匀的、流速低的、有一定压力的气流，气流经过喷气环喷气口，在真空环境下，以一定的速度和角度喷出，在发动机喷管区域形成较为均匀的稀薄来流流场。随后，气流沿着来流回流腔内壁流动，经过导流后，气流进入扩压器，被真空抽吸系统抽走。

通过改变进入来流喷气组件内气体的压力，可获得不同来流速度的逆向稀薄来流流场，满足不同条件的液体姿控发动机逆向稀薄来流高模试验。

(4)高模试验时，为使发动机燃气顺利导出以维持舱内稳定的真空度，液体发动机一般安装于靠近扩压器入口的位置，故来流模拟装置设计需充分考虑自身的安装固定及发动机的安装，确保安装可靠、避免干涉。