一种高超声速暂冲式风洞启停控制系统及方法与流程

本发明属于风洞实验领域，更具体地，涉及一种高超声速暂冲式风洞启停控制系统及方法。

背景技术：

风洞是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。风洞试验性能的好坏，直接影响着飞行器设计的精细化程度。随着先进飞行器研制日趋精准化、功能化、一体化，为飞行器设计提供最原始依据的风洞试验不断向模拟真实化、测量精细化、试验高效化和手段综合一体化方向发展，对高性能暂冲式跨超声速风洞这一基础试验平台建设提出了日趋迫切的需求。

相比于连续式风洞，暂冲式风洞一次只能工作很短的时间，一般在30秒至1分钟。对于高超声速的暂冲式风洞，一次工作时间将会更短，一般在毫秒量级。由于工作时间短暂，要求高超声速暂冲式风洞的控制设备响应迅速，尤其是风洞的启停过程，需要在几毫秒的时间内完成启停过程，对风洞的启停控制系统研制提出了额外苛刻的要求。

目前暂冲式风洞主要的启动方式有破膜式启动和阀门开启启动。前者启动方式是在风洞喷管进口或出口处布置一张塑料薄膜，当风洞充气压力大于薄膜破裂压力值时，薄膜突然破裂而启动静风洞，后者启动方式是在喷管进口或出口处布置一阀门，通过阀芯的快速开闭来开停静风洞。显然，破膜启动方式启动静风洞后储气罐内高压气体全部排空前无法终止，使得试验能量耗损大，试验效率底，不适用于大量型号试验要求。阀门开启方式虽可随时关闭阀门而终止试验，但其启动方式严重依赖机械传动装置引导阀芯的运动，相对静风洞总的实验时间(一般为几十毫秒量级)而言，这种开启方式开启过程缓慢，使储气段内波系传播结构过于偏离激波管理论解，造成试验流场品质下降。

因此，现有技术中高超声速暂冲式风洞启停过程不理想的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高超声速暂冲式风洞启停控制系统及方法，其目的在于提供一种启停过程时间达到毫秒量级的面向高超声速暂冲式风洞的启停控制系统及方法，由此解决高超声速暂冲式风洞试验启动过程中相对总体实验时间而言风洞开启关闭响应速度慢、风洞不能重复开闭的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高超声速暂冲式风洞启停控制系统，其特征在于，包括内部同轴设置有圆柱凹腔的阀芯底座、多个支撑肋板、可动阀芯、穿过暂冲式风洞管壁用于控制暂冲式风洞储气段内气压的第一管路，以及依次穿过暂冲式风洞管壁、支撑肋板用于控制所述圆柱凹腔内气压的第二管路，其中，

所述阀芯底座通过周向分布、固定在其圆柱面外壁上的所述多个支撑肋板固定安装在暂冲式风洞内壁上，与暂冲式风洞同轴布置；所述多个支撑肋板的每相邻两个之间在暂冲式风洞内部形成气体流通通道；

所述圆柱凹腔右侧开口，所述可动阀芯从该开口同轴嵌入所述圆柱凹腔内部并能够沿所述圆柱凹腔的内壁面做往复运动；

所述可动阀芯右侧端面与暂冲式风洞渐缩段内壁相配合，当所述可动阀芯运动至最右侧，所述可动阀芯右侧端面与所述暂冲式风洞渐缩段内壁面相接触的部位形成周向密封连接，从而封闭暂冲式风洞喉部；

通过所述第一管路和所述第二管路控制所述可动阀芯左侧圆柱凹腔内和所述可动阀芯右侧的压差，控制所述可动阀芯的往复运动。

优选地，所述第一管路包括第一驱动管路和第二驱动管路；所述第一驱动管路的入口用于连通高压气源，其出口穿过暂冲式风洞管壁连通所述暂冲式风洞储气段，所述第一驱动管路中依次设有第一单向阀、第三电磁开关阀和第四电磁开关阀；所述第二驱动管路的入口与所述暂冲式风洞储气段连通，其出口连通外部，所述第二驱动管路中设有第五电磁开关阀；暂冲式风洞储气段是指暂冲式风洞内用于储气的一段，其右侧至阀芯底座的左侧迎风面为止。

所述第二管路包括第三驱动管路和第四驱动管路；所述第三驱动管路的入口与所述第三电磁开关阀、第四电磁开关阀之间的所述第一驱动管路部位连通，所述第三驱动管路的出口与所述圆柱凹腔内部连通，所述第三驱动管路中依次设有第二单向阀和第一电磁开关阀；所述第四驱动管路的入口与所述圆柱凹腔内部连通，其出口连通外部，所述第四驱动管路中设有第二电磁开关阀。

优选地，通过外部电气控制装置按照预定程序控制所述第三电磁开关阀、第四电磁开关阀、第五电磁开关阀、第一电磁开关阀和第二电磁开关阀的开闭，实现风洞储气段的安全充排气和所述可动阀芯的气动控制。

优选地，能够相接触形成周向密封连接的所述可动阀芯的右侧端面部分和所述暂冲式风洞渐缩段内壁面相应部位，设计为相配合的切面或曲面，实现所述可动阀芯与所述暂冲式风洞渐缩段内壁面间的良好密封。

优选地，所述可动阀芯的右侧端面密封部分的材质硬度小于所述暂冲式风洞渐缩段内壁面相应部位的表面硬度，避免风洞内型面的撞击破坏；所述可动阀心为中空结构，减小所述可动阀芯的固有惯性。

优选地，所述阀芯底座的迎风面为导流锥形，锥角15°～60°，避免流动分离。阀芯底座的迎风面是指阀芯底座迎向气流来流的左侧端面。

优选地，所述支撑肋板为三个，均匀周向分布在所述阀芯底座的圆柱面外壁上；所述支撑肋板的前缘与后缘均设计为楔形，楔角15°～60°，降低支撑肋板对流场的扰流作用。

优选地，所述外部电气控制装置为可编程逻辑控制器plc。

优选地，所述第三电磁开关阀、第四电磁开关阀、第五电磁开关阀、第一电磁开关阀和第二电磁开关阀的耐压、耐温等级均大于所述暂冲式风洞储气段内的最大气体压力和温度。

按照本发明的另一方面，还提供了一种基于上述任一种高超声速暂冲式风洞启停控制系统的高超声速暂冲式风洞启停控制方法，通过第二管路向圆柱凹腔内充入高压气体，可动阀芯在气体压力下向右运动直到可动阀芯右端面与暂冲式风洞渐缩段内壁面密封连接，此时风洞关闭；

通过第一管路向暂冲式风洞储气段内充气至设定气压；若暂冲式风洞储气段内压力超压或欠压时，通过第一管路对暂冲式风洞储气段内压力进行微调直到压力达到目标控制精度；

在接收到开启风洞的指令后，通过所述第二管路对圆柱凹腔排气，圆柱凹腔内气压迅速降低，可动阀芯在左右两侧压力差的作用下快速向左运动而开启暂冲式风洞。

按照本发明的另一方面，还提供了一种基于上述高超声速暂冲式风洞启停控制系统的高超声速暂冲式风洞启停控制方法，初始时刻，控制第一电磁开发阀打开，第二电磁开关阀、第三电磁开关阀、第四电磁开关阀和第五电磁开关阀关闭；

开启第三电磁开关阀对圆柱凹腔内充气，可动阀芯在气体压力下向右运动直到可动阀芯右端面与暂冲式风洞渐缩段内壁面密封连接，此时风洞关闭；开启第四电磁开关阀，对暂冲式风洞储气段进行充气，在暂冲式风洞储气段内压力达到设定压力的95％-105％时关闭第四电磁开关阀，停止充气；若暂冲式风洞储气段内压力略大于设定压力，开启第五电磁开关阀进行微调放气，若暂冲式风洞储气段内压力略小于设定压力，开启第四电磁开关阀进行微调充气，重复微调直至暂冲式风洞储气段内压力达到目标控制精度；

接收到开启风洞的指令后，关闭第一电磁开发阀，开启第二电磁开关阀，圆柱凹腔6内的气体经第四驱动管路排出以迅速降低可动阀心左侧压力，可动阀芯在左右两侧压力差的作用下快速向左运动而开启暂冲式风洞，开启设定的实验时间后，关闭第二电磁开关阀，开启第一电磁开发阀，高压气源内的高压气体通过第三驱动管路进入圆柱凹腔内使可动阀心左侧压力逐渐升高，当可动阀心的左侧压力大于右侧压力时，可动阀心在压差作用下向右运动，直至与暂冲式风洞渐缩段内壁面密封连接而停止风洞运行；控制第一至第五电磁开发阀复位到初始时刻状态，准备暂冲式风洞下一组实验。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的高超声速暂冲式风洞启停控制系统及方法，将可动阀芯嵌套在阀芯底座的圆柱凹腔内，通过第一管路和第二管路控制可动阀芯左右两侧的气体压力差控制可动阀芯的往复运动，从而控制暂冲式风洞启停，气动响应速度快，保证了风洞开启关闭的速度，能够重复控制风洞启闭，提高了高超声速暂冲式风洞运行的经济性和风洞试验的流场品质；采用可动阀心右端面和喷管渐缩段内壁面配合密封，结构简单，造价低，对不同口径风洞具有很好的适应性；阀芯底座和风洞管壁通过静止支撑肋板固定安装，形成整体式结构，安全可靠，稳定性高；

2、本发明提供的高超声速暂冲式风洞启停控制系统及方法，通过第一、二、三和四驱动管路控制可动阀芯左侧圆柱凹腔内和暂冲式风洞储气段内压力，并能进行精准微调，采用多个电磁开关阀控制各个管路的开闭，气动响应性快，保证了风洞开启关闭的速度；

3、本发明提供的高超声速暂冲式风洞启停控制系统及方法，通过外部电气控制装置例如plc控制各个电磁开关阀的开闭，能按照预定程序进行自动操作，节省了操作时间，提高了风洞试验效率，并且极大地提高了操作的准确性；

4、本发明提供的高超声速暂冲式风洞启停控制系统，可动阀芯右侧端面密封部分和暂冲式风洞渐缩段内壁面相应部位，设计为相配合的切面或曲面，结构简单，能适应不同口径风洞；可动阀芯内部设计为中空结构，减轻重量，更利于往复运动和气动控制；可动阀芯右侧端面密封部分还可采用铝合金或表面镀一层娇软的材质，使其硬度小于暂冲式风洞渐缩段内壁面相应部位的表面硬度，避免喷管渐缩段表面冲击变形或破坏现象；

5、本发明提供的高超声速暂冲式风洞启停控制系统，采用三个支撑肋板周向分布固定阀芯底座，支撑肋板之间形成气体流道，支撑稳定，同时对风洞喷管内的气流扰动较小；通过阀芯底座迎风面的锥形及锥角设计，支撑肋板前缘与后缘的楔形及楔角设计，均能改善风洞内流场品质。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中高超声速暂冲式风洞启停控制系统结构示意图；

图2是本发明较佳实施例中阀心底座和支撑肋板布置结构示意图。

图3是本发明较佳实施例中高超声速暂冲式风洞启停控制方法流程图。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、高压气源；2、第一单向阀；3、第二单向阀；4、暂冲式风洞储气段；5、阀心底座；6、圆柱凹腔；7、可动阀心；8、暂冲式风洞渐缩段；9、暂冲式风洞渐扩段；10、通气孔；11、支撑肋板；12、暂冲式风洞管壁；v1、第一电磁开关阀；v2、第二电磁开关阀；v3、第三电磁开关阀；v4、第四电磁开关阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；另外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本发明提供一种高超声速暂冲式风洞启停控制系统，包括内部同轴设置有圆柱凹腔6的阀芯底座5、多个支撑肋板11、可动阀芯7、穿过暂冲式风洞管壁用于控制暂冲式风洞储气段4内气压的第一管路，以及依次穿过暂冲式风洞管壁、支撑肋板11用于控制圆柱凹腔6内气压的第二管路，其中，

阀芯底座5通过周向分布、固定在其圆柱面外壁上的多个支撑肋板11固定安装在暂冲式风洞内壁上，与暂冲式风洞同轴布置；多个支撑肋板11的每相邻两个之间在暂冲式风洞内部形成气体流通通道；

圆柱凹腔6右侧开口，可动阀芯7从该开口同轴嵌入圆柱凹腔6内部并能够沿圆柱凹腔6的内壁面做往复运动；

可动阀芯7右侧端面与暂冲式风洞渐缩段内壁相配合，当可动阀芯7运动至最右侧，可动阀芯7右侧端面与暂冲式风洞渐缩段内壁面相接触的部位形成周向密封连接，从而封闭暂冲式风洞喉部；

通过第一管路和第二管路控制可动阀芯7左侧圆柱凹腔6内和可动阀芯7右侧的压差，控制可动阀芯7的往复运动。

作为一种可选的实施方式，第一管路包括第一驱动管路和第二驱动管路；第一驱动管路的入口用于连通高压气源1，其出口穿过暂冲式风洞管壁连通暂冲式风洞储气段4，第一驱动管路中依次设有第一单向阀2、第三电磁开关阀v3和第四电磁开关阀v4；第二驱动管路的入口与暂冲式风洞储气段4连通，其出口连通外部，第二驱动管路中设有第五电磁开关阀v5；

第二管路包括第三驱动管路和第四驱动管路；第三驱动管路的入口与第三电磁开关阀v3、第四电磁开关阀v4之间的第一驱动管路部位连通，第三驱动管路的出口与圆柱凹腔6内部连通，第三驱动管路中依次设有第二单向阀3和第一电磁开关阀v1；第四驱动管路的入口与圆柱凹腔6内部连通，其出口连通外部，第四驱动管路中设有第二电磁开关阀v2。

作为一种可选的实施方式，通过外部电气控制装置(例如可编程逻辑控制器plc)按照预定程序控制第三电磁开关阀v3、第四电磁开关阀v4、第五电磁开关阀v5、第一电磁开关阀v1和第二电磁开关阀v2的开闭。

第三电磁开关阀、第四电磁开关阀、第五电磁开关阀、第一电磁开关阀和第二电磁开关阀的耐压、耐温等级均大于所述暂冲式风洞储气段4内的最大气体压力和温度。

作为一种可选的实施方式，能够相接触形成周向密封连接的所述可动阀芯7的右侧端面部分和所述暂冲式风洞渐缩段内壁面相应部位，设计为相配合的切面或曲面。

可动阀芯7的右侧端面密封部分的材质硬度小于所述暂冲式风洞渐缩段内壁面相应部位的表面硬度。

作为一种可选的实施方式，支撑肋板11为三个，相邻支撑肋板11之间夹角为120°。三个支撑肋板11均匀周向分布在所述阀芯底座5的圆柱面外壁上，支撑肋板11之间与暂冲式风洞内壁和阀芯底座5外壁构成环状流道。三个支撑肋板11作为三个支点支撑稳定，同时对风洞喷管内的气流扰动较小。

作为一种可选的实施方式，支撑肋板11的前缘与后缘均设计为楔形，楔角15°～60°。

本发明实施例还提供一种高超声速暂冲式风洞启停控制系统的方法，其采用上述高超声速暂冲式风洞启停控制系统，在对暂冲式风洞充气前，首先对气动执行部分圆柱凹腔内充入高压气体，使可动阀心与暂冲式风洞渐缩段壁面啮合而关闭暂冲式风洞，然后对暂冲式风洞储气段内充气直至目标压力为止；若暂冲式风洞储气段内压力超压或欠压时，可通过调节气体管路上的电磁开关阀对暂冲式风洞储气段内压力进行微调；开启暂冲式风洞时，首先关闭气动执行部分与高压气源间的管路，然后开启气动执行部分与周围环境间的管路进行排气，在可动阀心两侧的压差作用下，可动阀心会逐渐加速远离暂冲式风洞渐缩段，直至暂冲式风洞完全开启。

本发明采用气动驱动形式，采用电磁开关阀实现对驱动源开关操作，利用气动压差实现对可动阀心的开关操作切换，采用可动阀心和喷管渐缩段凹凸面配合密封，结构简单，造价低，对不同口径风洞具有很好的适应性；气动执行器和风洞管壁通过静止支撑肋板固定安装，形成整体式结构，安全可靠，稳定性高；可采用编程逻辑控制器plc对所有电磁开关阀门进行控制，集成到一个控制柜内部，能按预设时序模式进行自动操作，节省了操作时间，提高了风洞试验效率，并且极大地提高了操作的准确性；气动执行器气动响应性快，保证了阀门开启关闭的速度；可动阀心采用铝合金或表面镀一层娇软的材质，避免喷管渐缩段表面冲击变形或破坏现象。

以下结合附图和实例对本发明提供的高超声速暂冲式风洞启停控制系统及方法进行进一步详细的说明。

如图1所示，在对暂冲式高超声速风洞进行快速开停车操作时，采用本发明的一种面向暂冲式风洞应用的启停系统及其开启方法执行，即在暂冲式风洞储气段4和暂冲式风洞渐缩段8之间同轴安装一气动执行部分，包括阀心底座5，三个支撑肋板11和可动阀心7，可动阀心7嵌入圆柱凹腔6中并能够沿圆柱凹腔6内壁面做往复运动(可动阀心7与圆柱凹腔6内壁面为间隙配合)，三个支撑肋板11和阀心底座5的相对位置如图2所示，各支撑肋板间的夹角为120°，支撑肋板11顶端与暂冲式风洞管壁12焊接固定安装，在阀心底座5和暂冲式风洞管壁12形成一环形气流通道(支撑肋板11之间)；在其中一个支撑肋板11上开有通气孔10，使气动执行部分内设置的圆柱凹腔6与风洞外部驱动管路部分相连通；风洞外部的驱动管路部分包括四个分支，高压气体至高压气源1经单向阀2，电磁开关阀v3和电磁开关阀v4后一路直接进入暂冲式风洞储气段4，另一路经单向阀3和电磁开关阀v1进入圆柱凹腔6，在电磁开关阀v4下游和暂冲式风洞储气段4入口上游之间设有一路气体管路并安装有电磁开关阀v5，在电磁开关阀v1下游和通气孔10入口上游间设有一路气体管路并安装有电磁开关阀v2。

优选地，可动阀心7为中空结构，右侧密封端面采用铜、铝等娇软金属材料；可动阀心7右侧密封端面形状可以为锥面或凹凸面，采用锥面时能够与暂冲式风洞渐缩段8型面相切密封，采用凹凸面时能够与暂冲式风洞渐缩段8型面啮合密封；阀心底座5的左侧迎风面为导流锥形，锥形顶角为15°～60°；支撑肋板11前后缘采用楔形状结构，楔角15°～30°。

优选地，电磁开关阀v1～v5的响应时间不大于10ms，承受压力和温度不低于暂冲式风洞储气段4内气体的压力和温度。当然驱动管路部分可以采用其它电磁开关阀组合来控制气流管路的通断，不限于本发明提供的。

本发明提供的一种面向高超声速暂冲式风洞启停控制系统开启方法的一种具体实例过程如图3所示：初始时刻，电气控制装置(图中未示出)控制电磁开发阀v1打开，电磁开关阀v2，v3，v4，v5关闭；开启电磁开关阀v3对气动执行部分的圆柱凹腔6充气，在可动阀心7与暂冲式风洞渐缩段8紧密啮合后，开启电磁开关阀v4，对暂冲式风洞储气段4进行充气直至目标压力；在暂冲式风洞储气段4内压力达到目标压力±5％时关闭电磁开关阀v4停止充气；若暂冲式风洞储气段4内压力略大于目标压力时，控制电磁开关阀v5的开启进行微调放气，若暂冲式风洞储气段4内压力略小于目标压力时，控制电磁开关阀v4的开启进行微调充气，重复这两步直至暂冲式风洞储气段4内压力达到目标控制精度；考虑到对暂冲式风洞储气段4进行加热会引起气体压力的提高，亦可控制开关阀v5的开启进行微调放气，避免暂冲式风洞储气段4内气体超压；电气控制装置接收到开启风洞的指令后，关闭电磁开关阀v1，然后开启电磁开关阀v2，圆柱凹腔6内的气体经通气孔10和电磁开关阀v2排入周围环境以迅速降低可动阀心7的背压，在可动阀心7左右两侧压力差的作用下，可动阀心7会快速往左运动而开启暂冲式风洞，延迟一定实验时间后(通常为几十毫秒)，电气控制装置控制电磁开关阀v2关闭，然后开启电磁开关阀v1，高压气源1内的高压气体经电磁开关阀v3、电磁开关阀v1和通气孔10进入圆柱凹腔6使可动阀心7的背压逐渐升高，当可动阀心7的左侧压力大于右侧压力时，可动阀心7在压差作用下向右运动，直至与暂冲式风洞渐缩段8壁面啮合而停止风洞运行；电气控制装置控制电磁开发阀v1～v5复位到初始时刻状态，准备暂冲式风洞下一组实验。

本发明高超声速暂冲式风洞启停控制系统及方法的显著特征为：其气流流程围绕着可动阀心，巧妙的构建了气动执行部分和驱动管路部分两个关键的作用过程，通过驱动管路部分电磁开关阀的综合调控将气动执行部分可动阀心的快速移动转换为可动阀心背压的升降操作，而气动执行部分可动阀心的动作响应不受喷管储气段直径的限制，在保证阀门开启速度的情形下，对超声速暂冲式风洞的口径适应性非常好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。