一种等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台的制作方法

本发明提供一种等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台，属于飞机座舱盖地面试验技术领域。

背景技术：

飞机座舱盖加温加载试验设备主要用于飞机座舱盖耐久性寿命试验验证。利用该设备，根据相应的飞行包线制定的载荷谱进行加温加载试验，是确定飞机座舱盖耐久性和可靠性的必用方法。

飞机座舱盖加温加载试验中，虽然试验件是原型尺寸的座舱盖,但试验件外表面的气动边界层无法在试验中实现，因为很难造成速度与飞机飞行速度相当的大量空气流。因此，试验件外表面气动加热的模拟成了座舱盖加温加载试验的难点。

对于气动加热的模拟，现有方法有两种：一是辐射加热方法，二是风道强迫对流加热方法。

辐射加热方法一般用红外线电热元件实现,使用中常见的有石英灯、远红外加热管、远红外合金加热条、以及远红外加热带等。

风道强迫对流加热方法在座舱盖外安装一外套(风罩)，风机或来自压缩气源的空气强迫流过风罩与试验件之间的间隙，即风道，对座舱盖加热。我国现有飞机座舱盖加温加载试验台均采用该种方法。

辐射加热方法要获得比较均匀的加热，实施比较困难，安全性、可靠性相对较差。而且，飞机座舱盖加温加载使用中，除了加热工况外，也有冷却工况。辐射加热方法需要另外配置冷却设施，投资较大。风道强迫对流加热方法简单易行，设备可同时用于冷却工况，投资较小，但进出口容易产生较大的温度差，造成加热时座舱盖温度前高后低，冷却时座舱盖温度前低后高，相差较大，很不均匀。

平行射流加热方法可克服上述缺点。但现有方法主管采用变截面，支管孔采用变孔径，工程实施很不方便。

技术实现要素：

为了克服座舱盖加温加载试验台现有方法的不足，本发明公开一种结构精巧、加工方便且稳定性好，使用时通过对气体流量分布的调整实现对座舱盖均匀加温的等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台。所述的座舱盖加温是行业术语，包括了对座舱盖的加热以及冷却(降温)，以试验飞行包线中降温过程对座舱盖的冲击。

本发明的技术方案为：包括等截面主管和等截面支管阵，所述等截面支管阵包括若干与等截面主管连通的等截面支管，每根等截面支管上开设有若干等直径空气分配孔；

所述等截面支管阵中的若干等截面支管通过流量均分结构进行布置，使得等截面主管向各个等截面支管进行均匀的流量分配；

所述等直径空气分配孔的孔间距按流量均匀分配准则确定，使得等截面支管向各个等直径空气分配孔进行均匀的流量分配；

所述流量均匀分配准则为：

按流量均匀分配准则确定等直径空气分配孔的孔间距时，式中：δxi为从上游到下游第i个孔与第i-1个孔之间的距离；lj为等截面支管阵第j根支管的长；n为第j根支管的孔数；μ为孔流量系数；d为等直径空气分配孔的孔径；dc为等截面支管的直径；λi1为支管沿程阻力系数；λi2为支管局部阻力系数；rr为等截面支管相对粗糙度；rei为第i个孔上游雷诺数。

所述试验台包括气源、加热通道、制冷通道、等截面主管和两个等截面支管阵，所述加热通道和制冷通道并联在气源和等截面主管之间，所述加热通道中设有热路控制阀和加热单元，所述制冷通道中设有冷路控制阀和制冷单元；

两个所述等截面支管阵分设于等截面主管的两侧，所述等截面支管阵包括若干与等截面主管连通的等截面支管，每根等截面支管上开设有若干等直径空气分配孔；

所有等直径空气分配孔均朝向加温加载试验台中飞机的座舱盖设置，使得射流阵列吹向座舱盖外表面。

流量均分结构为：等截面支管阵中相邻等截面支管的间距确定准则为流量均匀分配准则，按流量均匀分配准则确定等截面支管阵中相邻等截面支管的间距时，式(1)至式(4)，式中：δxi为从上游到下游第i个支管与第i-1个支管之间的距离；lj为等截面主管长；n为等截面支管阵的支管数；μ为主管与支管接口孔的流量系数；d为等截面支管的直径；dc为等截面主管的直径；λi1为主管沿程阻力系数；λi2为主管局部阻力系数；rr为主管的相对粗糙度；rei为第i个支管上游雷诺数。

流量均分结构为：等截面支管阵中相邻等截面支管之间的间距相同，每个等截面支管与等截面主管的连接处都设置有限流环，通过调节限流环的流通面积，实现流量的均匀分配。

流量均分结构为：等截面支管阵中相邻等截面支管之间的间距相同，每个等截面支管与等截面主管的连接处都安装有流量分配调节阀，通过调节流量分配调节阀，实现流量的均匀分配。

本发明的有益效果为：当本案中的等截面支管阵向外出气时，即可在加温加载试验台中产生射流，并使得射流形成中心相互平行的射流阵列，以均匀流量垂直吹向座舱盖外表面，在到达座舱盖外表面之前，即可形成均匀的温度场。

在此过程中，由于空气流在到达座舱盖之前形成均匀的温度场，且流量均匀地吹向座舱盖外表面，所以可实现座舱盖温度场的均匀分布，避免了加温加载试验中，座舱盖外表面温度分布的不均匀的问题。本案从整体上具有安全可靠、温度分布均匀等优点，避免了辐射加热方法安全性差、投资较大的缺点，同时能够形成均匀的温度场，避免了风道强迫对流加热方法座舱盖温度均匀性差的缺点。

此外，本发明采用了调节相邻等直径空气分配孔间距的方式，实现等截面支管向各个等直径空气分配孔进行均匀的流量分配的目的；这样，实际加工过程中，操作人员仅需采用一种型号的钻头即可实现所有等直径空气分配孔的加工，使得等截面支管整体的加工更为简便、高效。

附图说明

图1等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台，

图2用限流环的等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台，

图3用流量分配调节阀的等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台；

图中1是气源，2是热路控制阀，3是加热单元，4是冷路控制阀，5是制冷单元，6是等截面主管，7是等截面支管阵，8是等截面支管，9是空气分配孔，10是限流环，11是流量分配调节阀。

具体实施方式

以下结合图示说明。本发明如图1-3所示，包括气源1、加热通道、制冷通道、等截面主管6和两个等截面支管阵7，所述加热通道和制冷通道并联在气源1和等截面主管6之间，所述加热通道中设有热路控制阀2和加热单元3，所述制冷通道中设有冷路控制阀4和制冷单元5；

两个所述等截面支管阵7分设于等截面主管6的两侧，所述等截面支管阵7包括若干与等截面主管6连通的等截面支管8，每根等截面支管8上开设有若干等直径空气分配孔9；

所有等直径空气分配孔9均朝向加温加载试验台中飞机的座舱盖设置，使得射流阵列吹向座舱盖外表面。实际使用时，可通过对等截面支管8与水平面夹角的调整或是现有技术中其他的常规技术手段，实现射流阵列垂直的吹向座舱盖外表面，以保证加温效果。

所述等截面支管阵7中的若干等截面支管8通过流量均分结构进行布置，使得等截面主管6向各个等截面支管8进行均匀的流量分配。

所述等直径空气分配孔9的孔间距按流量均匀分配准则确定，使得等截面支管8向各个等直径空气分配孔9进行均匀的流量分配。

来自气源1的压缩空气，在座舱盖加热时流经热路控制阀2和加热单元3，在座舱盖制冷时流经冷路控制阀4和制冷单元5，然后进入等截面主管6；受流量均分结构影响向各个等截面支管8进行均匀的流量分配，进入等截面支管阵7；等截面支管阵7由很多直径相同的等截面支管8组成；每根等截面支管8上开设许多等直径空气分配孔9；等直径空气分配孔9的孔间距按流量均匀分配准则确定，使气源空气流出等截面支管阵7时，形成中心相互平行的射流阵列，以均匀流量垂直吹向座舱盖外表面，在到达座舱盖外表面之前形成均匀的温度场。

所述流量均匀分配准则为：

等截面支管8上等直径空气分配孔9的孔间距按式(1)至式(4)定义的流量均匀分配准则确定。即按流量均匀分配准则确定等直径空气分配孔9的孔间距时，式(1)至式(4)中：δxi为从上游到下游第i个孔与第i-1个孔之间的距离；lj为等截面支管阵7第j根支管的长；n为第j根支管的孔数；μ为孔流量系数；d为等直径空气分配孔9的孔径；dc为等截面支管8的直径；λi1为支管沿程阻力系数；λi2为支管局部阻力系数；rr为等截面支管8的相对粗糙度；rei为第i个孔上游雷诺数。

为验证流量均匀分配准则的合理性，本案还进行了以下试验：等截面支管8的长度设为850mm，等直径空气分配孔9的孔径设为5mm、数量设为16个，以本案中流量均匀分配准则计算后，可得各个等直径空气分配孔沿等截面支管的轴向，与等截面主管的距离，具体结果如下所示：

第1个孔与等截面主管的距离为44mm；

第2个孔与等截面主管的距离为90mm；

第3个孔与等截面主管的距离为136mm；

第4个孔与等截面主管的距离为184mm；

第5个孔与等截面主管的距离为232mm；

第6个孔与等截面主管的距离为281mm；

第7个孔与等截面主管的距离为331mm；

第8个孔与等截面主管的距离为381mm；

第9个孔与等截面主管的距离为432mm；

第10个孔与等截面主管的距离为484mm；

第11个孔与等截面主管的距离为536mm；

第12个孔与等截面主管的距离为588mm；

第13个孔与等截面主管的距离为641mm；

第14个孔与等截面主管的距离为694mm；

第15个孔与等截面主管的距离为748mm；

第16个孔与等截面主管的距离为801mm。

此后，按照本发明设计的系统，实测的座舱盖外表面温度分布如表1所示。从表中可以看出，通过对座舱盖上均匀抓取的19个目标点进行温度测量，19个目标点的温度分布的均匀性很好，相差在±1.5℃范围内，超过了所有现有座舱盖加温加载试验台所达到的精度。

表1座舱盖的温度分布

图1所示的是一种等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台的实施方式，其中采用流量均分结构的第一种实施例。

流量均分结构的第一种实施例为：等截面支管阵7中相邻等截面支管8的间距确定准则为流量均匀分配准则，按流量均匀分配准则确定等截面支管阵7中相邻等截面支管8的间距时，式(1)至式(4)中：δxi为从上游到下游第i个支管与第i-1个支管之间的距离；lj为等截面主管6长；n为等截面支管阵7的支管数；μ为主管与支管接口孔的流量系数；d为等截面支管8的直径；dc为等截面主管6的直径；λi1为主管沿程阻力系数；λi2为主管局部阻力系数；rr为主管的相对粗糙度；rei为第i个支管上游雷诺数。

按照本方法制成的平行射流生成单元，射流形成中心相互平行的射流阵列，以均匀流量垂直吹向座舱盖外表面，在到达座舱盖外表面之前形成均匀的温度场。由于空气流在到达座舱盖之前形成均匀的温度场，且流量均匀地吹向座舱盖外表面，所以可实现座舱盖温度场的均匀分布，避免了加温加载试验中，座舱盖外表面温度分布的不均匀。该方法安全可靠，避免了辐射加热方法安全性差、投资较大的缺点，同时能够形成均匀的温度场，避免了风道强迫对流加热方法座舱盖温度均匀性差的缺点。

图2所示的是一种使用限流环实现流量均匀分配的等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台，其中采用流量均分结构的第二种实施例。

流量均分结构的第二种实施例为：等截面支管阵7中相邻等截面支管8之间的间距相同，每个等截面支管8与等截面主管6的连接处都设置有限流环10，通过调节限流环10的流通面积，实现流量的均匀分配。

图3所示的是一种使用流量分配调节阀实现流量均匀分配的等截面管平行射流式座舱盖加温加载试验台，其中采用流量均分结构的第三种实施例。

流量均分结构的第三种实施例为：等截面支管阵7中相邻等截面支管8之间的间距相同，每个等截面支管8与等截面主管6的连接处都安装有流量分配调节阀11，通过调节流量分配调节阀11，实现流量的均匀分配。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。