一种用于高焓条件下的亚声速包罩烧蚀试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于高焓条件下的亚声速包罩烧蚀试验装置，属于航空航天飞行器气动热地面模拟试验装置领域。

背景技术：

在地面模拟试验中，采用亚声速包罩烧蚀试验技术研究模型表面防热材料的烧蚀性能是一个比较好的技术途径。其最大特点是能够将有限能量的高温气体限制在模型表面，从而能够用较小质量流量的高温气体模拟较大尺寸试验模型的飞行环境。

当前，随着大功率高焓加热设备的建成以及投入使用，飞行器的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技术只能适应气流总焓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。因此需要以大功率高焓加热设备为依托，紧密围绕高焓条件下大尺寸模型亚声速包罩的特殊试验需求，对试验装置进行全新设计。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题：克服现有技术存在的问题，提出了一种用于高焓条件下的亚声速包罩烧蚀试验装置，在高焓条件下的亚声速包罩烧蚀试验中，试验流场的温度和压力与当前试验条件相比有较大提升，需要确保整套试验设备在高焓流场环境下不会出现故障或损坏。

本实用新型的技术方案：

一种用于高焓条件下的亚声速包罩烧蚀试验装置，包括包罩喷管、喉道支杆、转接法兰、转接段和模型支架；

包罩喷管和模型支架固定于转接法兰上，喉道支杆经过转接段安装在模型支架上，喉道支杆、转接段以及包罩喷管三者的中心轴线重合，喉道支杆的喉道部分位于包罩喷管的内部；

试验进行时，试验模型安装在喉道支杆上，试验模型外表面与包罩喷管内表面之间的环形通道为高焓气流通道；经过加热、压缩的高焓空气以亚声速流经试验模型表面后，在喉道支杆的喉道处达到声速，最后流过模型支架；在试验过程中，包罩喷管、喉道支杆、转接段和模型支架内均通入高压水进行冷却。

进一步的，所述喉道支杆包括喉道外壳、模型连接块、连接筒和连接杆，其中：

模型连接块的前端用于安装试验模型，喉道外壳安装在模型连接块的外侧，用于与试验喷管之间形成音速喉道，连接筒和连接杆同心地安装在模型连接块的后端，连接筒处于连接杆外侧，且短于连接杆；所述喉道外壳、模型连接块、连接筒和连接杆具有一体化水冷结构；该一体化水冷结构包括设置在连接杆内部的冷却水入水通道，该通道与设置在模型连接块内的蓄水槽连通，模型连接块外侧与喉道外壳之间留有缝隙且在模型连接块的外侧设置环形水槽，该水槽两侧均设置均布的径向冷却水通道，其中一侧冷却水通道与所述的蓄水槽连通，另一侧冷却水通道与连接筒与连接杆之间的间隙连通。

进一步的，所述的与蓄水槽连通的冷却水通道出口为一斜面，该斜面与连接杆轴后端轴线之间的夹角范围30-60°；连接筒与连接杆之间的间隙截面积大于模型连接块外侧与喉道外壳之间缝隙的最小截面积；所述环形水槽径向截面积不大于蓄水槽径向截面积，蓄水槽径向截面积大于连接杆入水通道径向截面积。

进一步的，所述的喉道外壳使用紫铜材料支撑，外形为带翻边的桶形结构，翻边结构固定在模型连接块上且翻边前缘与模型连接块对应位置位于同一平面上，用于限制安装在前端的试验模型底部，筒形结构的内侧与翻边结构连接部位倒圆，外侧倒角；所述倒角内沿直径不小于预期所有使用试验模型的最小底圆直径，外沿直径需保证该位置处的喉道面积需求，倒角角度大于试验喷管半锥角；所述的喉道外壳相对连接杆轴线向外倾斜，倾斜角度小于试验喷管的半锥角；所述喉道外壳、模型连接块、连接筒和连接杆之间采用焊接方式集成为一体。

进一步的，所述包罩喷管包括包括内壳、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，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；

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；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；

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。

进一步的，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；

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°，在外部试验模型和内壳之间外部高焓气流的马赫数为ma0.6。

进一步的，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；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℃。

进一步的，所述模型支架包括大底法兰、支撑臂、连接法兰和冷却水管；大底法兰为环形；支撑臂为l形弯臂，三根支撑臂的一端分别沿大底法兰周向均匀分布，另一端向中心靠拢连接中心支撑件，形成三臂支撑结构；支撑臂内通过打孔方式形成冷却水通道；连接法兰位于中心支撑件一端且位于三根支撑臂内侧；冷却水管分别包覆在各支撑臂的外围；

支撑臂中的冷却水通道的入口位于支撑臂沿轴线的一条边的外侧壁上，冷却水通道的出口位于支撑臂另一条边的外侧壁上，冷却水从三根支撑臂的外侧进入冷却水通道，从支撑臂后端流出。

进一步的，大底法兰、支撑臂和连接法兰使用整体加工方式制造；大底法兰、支撑臂以及连接法兰的材料采用不锈钢，冷却水管的材料为紫铜。

进一步的，冷却水管的数量至少为3，使用数根冷却水管缠绕各支撑臂；每根冷却水管的长度不超过4米。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型通过使用亚声速定马赫数喷管、一体化喉道模型支杆和三臂式模型支撑装置，可以得到稳定的亚声速高焓气流，确保模型表面烧蚀均匀，另外还可确保试验过程中各试验设备不会被高焓气流烧损，从而保证试验安全进行。

(2)当前亚声速包罩烧蚀试验使用的喉道装置与模型支撑装置之间相互分离，结构复杂，各装置暴露在高焓流场环境中的受热面较多，且喉道装置结构形式只能适应气流总焓10mj/kg以下的试验，在高焓试验条件下容易烧毁。本实用新型通过集成式的一体化设计，将喉道及模型连接支撑装置设计为一体，可以有效减少受热面积，提高装置生存能力。

(2)在装置内部形成一体化水冷结构，并通过合理化的水冷通道设计，加强了装置在受热集中部位的冷却效果，降低了装置内整体水流阻力，并使装置冷却均匀，在保证冷却效率的同时，降低所需冷却水流量。

(3)喉道外壳限定使用导热率高的紫铜材料，可保证在较长时间的高焓气流冲刷下结构外形不会发生较大改变，提高装置整体使用寿命。其特定的外形设计可以使得高焓气流仅在该结构表面形成位置稳定的声速线，确保试验模型表面为稳定的亚声速气流，使得试验能够有效进行。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

(7)本实用新型的模型支架中处于试验流场内的部分位于热流密度较低的下游处，且冷却水通道的入口、出口和加工中形成的焊接工艺孔等易损伤部位背离试验流场；另外，装置中处于试验流场内的部分有大量冷却水管包围，能够确保装置在高温流场环境中具有足够的可靠性。

附图说明

图1本实用新型试验装置示意图。

图2本实用新型试验装置内高焓气体流向示意图。

图3为一体化喉道模型支杆轴向剖面图；

图4为一体化喉道模型支杆冷却水流向示意图；

图5为一体化喉道模型支杆使用示意图；

图6为定马赫数喷管剖视图；

图7为长筋组和短筋组分布示意图；

图8为内壳各段半锥角示意图；

图9为模型支架的结构示意图；

图10为模型支架的使用示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施对本实用新型做详细说明。

本实用新型提供一种用于高焓条件下的亚声速包罩烧蚀试验装置，如图1所示，包括包罩喷管1、喉道支杆2、转接段4和模型支架5。其中：

包罩喷管1和模型支架5固定于转接法兰3上。喉道支杆2经过转接段4安装在模型支架5上，喉道支杆2和转接段4的连接保证与包罩喷管的中心轴线重合1，喉道支杆2的喉道部分位于包罩喷管1的内部。

具体地，如图2所示，试验进行时，试验模型安装在喉道支杆2上，试验模型外表面与包罩喷管1内表面之间的环形通道为高焓气流通道。经过加热、压缩的高焓空气以亚声速流经试验模型表面后，在喉道支杆2的喉道处达到声速，最后流过模型支架5。在试验过程中，包罩喷管1、喉道支杆2、转接段4和模型支架5内均通入高压水进行冷却。

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。

本实用新型中包罩喷管1使用亚声速定马赫数喷管。该包罩喷管的紫铜内壳与不锈钢外壳焊接为一体，提高了喷管承压能力，确保了试验过程中喷管的安全性；另一方面，该喷管的内型面为多段折线型，可以保持高焓流场的稳定性和均匀性，提高试验结果的准确性。

具体的，该喷管包括内壳11、外壳12和加强筋组13；优选地，内壳11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11进行冷却，防止高焓气流将内壳11烧毁。优选地，外壳12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11和外壳12之间焊接成整体，将内壳11所受的拉力传导至强度较高的外壳12，一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11和外壳12为中空椎体结构；外壳12包覆在内壳11的外壁外侧；内壳11和外壳12之间采用整体焊接方式组成一体。外壳12的小径开口端外壁沿径向设置有冷却水入口121；外壳12的大径开口端外壁沿径向设置有冷却水出口122；内壳11外壁与外壳12内壁的轴向两端固定连接；内壳11外壁与外壳12内壁之间留有间隙；加强筋组13设置在内壳11与外壳12之间的间隙中；烧蚀实验时，外部试验模型的头端从内壳11的大径开口端伸入内壳11；外部高焓气流由内壳11小径方向流入，由内壳11大径方向流出；外部冷却水由冷却水入口121进入内壳11与外壳12之间的间隙，由冷却水出口122流出；实现对喷管的冷却，如图6所示。

如图7所示，加强筋组13包括长筋组131和短筋组132；长筋组131和短筋组132均沿内壳11侧壁长度方向设置。长筋组131的轴向长度与内壳11侧壁长度相同；长筋组131的轴向一端位于内壳11小径端处；长筋组131的轴向另一端位于内壳11大径端处；短筋组132的轴向长度为170-180mm；且短筋组132的轴向一端位于内壳11大径端处。长筋组131包括24条长筋；24条长筋沿周向均匀分布在内壳11的外壁；短筋组132包括24条短筋；24条短筋沿周向均匀分布在内壳11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11小径端的筋高为8mm；长筋位于内壳11大径端的筋高为4.4mm。这种设计能够在保证加强筋冷却效果的前提下，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11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11包括直筒段111、第一锥面段112、第二锥面段113、第三锥面段114和第四锥面段115；直筒段111、第一锥面段112、第二锥面段113、第三锥面段114和第四锥面段115沿轴向依次首尾连接组成内壳11。第一锥面段112的半锥角a为6.4°；第二锥面段113的半锥角b为7.3°；第三锥面段114的半锥角c为8.1°；第四锥面段115的半锥角d为8.3°，如图8所示。这种结构使得试验模型外表面与内壳11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11之间外部高焓气流的马赫数为ma0.6。外部冷却水经过内壳11与外壳12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13实现内壳11与外壳12配合后，实现内壳11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％。

当前，随着高焓大功率电弧加热设备的建成以及投入使用，型号研制单位对气动热地面模拟试验提出了更高的要求。现有的亚声速包罩烧蚀试验中所使用的喉道结构形式只能适应气流总焓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。并且，试验用喉道与模型的支撑结构相互分离，使得试验装置结构复杂、容易烧毁。因此需要围绕高焓条件下亚声速包罩的特殊试验需求，对试验使用的喉道和模型支撑装置进行全新设计，增加装置的集成度，减少受热面积，从而提高装置在高焓气流状态下的生存能力。

本实用新型提供一体化喉道模型支杆，如图3所示，包括喉道外壳21、模型连接块22、连接筒23和连接杆24，其中：

喉道外壳21安装在模型连接块22的外侧，连接筒23和连接杆24同心地安装在模型连接块22的一端，连接筒23处于连接杆24外侧，且短于连接杆24，用于连接其余的固定用装置。

具体地，如图4、5所示，使用时，试验模型安装在模型连接块22的另一侧。冷却水从连接杆24的远端进入之后，到达模型连接块22的底端并向四周散开，经过喉道外壳21的内部对其进行冷却，最后从连接筒23内侧向外流出。通过喉道外壳21、模型连接块22、连接筒23和连接杆24之间一体化的水冷结构设计，增强装置的冷却效果，简化冷却水进出接口，从而提高装置的生存能力。

下面给出一种一体化水冷结构的形式，包括设置在连接杆内部的冷却水入水通道，该通道与设置在模型连接块内的蓄水槽连通，模型连接块外侧与喉道外壳之间留有缝隙且在模型连接块的外侧设置环形水槽，该水槽两侧均设置均布的径向冷却水通道，其中一侧冷却水通道与所述的蓄水槽连通，另一侧冷却水通道与连接筒与连接杆之间的间隙连通。所述的与蓄水槽连通的冷却水通道出口为一斜面，该斜面与连接杆轴后端轴线之间的夹角45°。连接筒与连接杆之间的间隙截面积大于模型连接块外侧与喉道外壳之间缝隙的最小截面积。环形水槽径向截面积不大于蓄水槽径向截面积，蓄水槽径向截面积大于连接杆入水通道径向截面积。

如图3、5所示，喉道外壳使用紫铜材料支撑，外形为带翻边的桶形结构，翻边结构固定在模型连接块上且翻边前缘与模型连接块对应位置位于同一平面上，用于限制安装在前端的试验模型底部，筒形结构的内侧与翻边结构连接部位倒圆，外侧倒角。倒角内沿直径不小于预期所有使用试验模型的最小底圆直径，外沿直径需保证该位置处的喉道面积需求，倒角角度大于试验喷管半锥角。喉道外壳相对连接杆轴线向外倾斜，倾斜角度小于试验喷管的半锥角。

喉道外壳21、模型连接块22、连接筒23和连接杆24之间采用焊接方式集成为一体，增加装置集成度，减少受热面积，提高装置在高焓气流状态下的生存能力。

本实用新型提出的喉道支杆使用一体化喉道模型支杆，一方面可以确保高焓气流在试验模型下游处到达声速，从而使模型表面的气流保持亚声速状态；另一方面可以有效缩减结构外形，减少受热面积，提高装置在高焓气流中的生存能力。

本实用新型中转接段4用于将不同尺寸、不同接口形式的喉道支杆2转换成统一连接形式并连接于模型支架5上，同时将喉道支杆2内的冷却水导流至高焓流场下游方向流出。

本实用新型提出的模型支架5，如图9所示，包括大底法兰51、支撑臂52、连接法兰53和冷却水管54，其中：

大底法兰51为环形，用于连接试验用风洞洞体或其它设备，支撑臂52为l形弯臂，三根支撑臂52的一端沿大底法兰51周向均匀分布，上向试验流场下游方向伸展一定距离后向中心靠拢连接中心支撑件，形成三臂支撑结构，支撑臂52内通过打孔方式形成冷却水通道。连接法兰53位于中心支撑件一端且位于三臂支撑结构靠拢的中心，用于连接试验模型支杆等试验设备。冷却水管54分别紧密包覆在支撑臂3外围。

具体地，如图10所示，三臂式模型支撑装置的使用方法，包括步骤如下：将试验模型支杆安装于连接法兰53中。将大底法兰51与试验用风洞洞体或其它设备连接。试验时，仅装置中支撑臂52的径向部分位于试验流场内，高温气流在流过试验模型表面后，绕过支撑臂52的径向部分流向下游。冷却水从三根支撑臂52的外侧进入冷却水通道，从支撑臂52后端流出。冷却水道上的焊接工艺孔均处于支撑臂52的外侧。

装置中的大底法兰51、支撑臂52和连接法兰53使用整体加工方式制造，以保证具有足够的结构强度。装置中处于试验流场内的部分位于热流密度较低的下游处，且冷却水通道的入口、出口和加工中形成的焊接工艺孔等易损伤部位背离试验流场，能够确保装置在高温流场中具有足够的可靠性。

优选地，装置中大底法兰51、支撑臂52和连接法兰53可使用优质不锈钢制造，可确保装置使用后不产生锈蚀，提高装置使用寿命。

优选地，装置中冷却水管54可使用紫铜材料，为保证冷却水管54能够紧密包覆支撑臂52并使内部冷却水具有足够的流动性，可使用数根水管缠绕。其中，每根冷却水管54的长度不超过4米。

优选地，包罩喷管1的上游可以连接大功率电弧加热器作为高焓气体的发生装置。在地面模拟试验中，电弧加热试验设备由于具有模拟气体成分真实、参数调节范围广、可长时间加热等优点而成为首选加热设备。

本实用新型的组成装置说明和试验验证都证明了本实用新型具有的特点，能够在高焓条件下进行亚声速包罩烧蚀试验，试验可以模拟飞行器的受热状态，试验流场状态稳定，模型表面烧蚀均匀，试验过程中高焓气流不会对模型的支撑结构产生烧损。本实用新型未公开技术属本领域技术人员公知常识。