一种变结构高度补偿喷管实验装置

1.本发明涉及一种可变结构喷管实验装置，属于发动机喷管实验领域。


背景技术：

2.拉瓦尔喷管是火箭发动机的重要组成部件之一，它的作用是将燃烧室内的亚声速燃气转化为超声速射流，从而提供推力。对于常规的火箭发动机喷管，其扩张比，也就是出口面积是固定的，因此火箭在上升过程中，喷管通常经历三种工作状态——过膨胀、完全膨胀和欠膨胀，当喷管处于过膨胀或欠膨胀状态时，会出现性能损失，这种性能损失被称为非适应性损失。
3.为了降低喷管的非适应性损失，科研人员提出了多种形式的高度补偿喷管。变结构高度补偿喷管是其中一种，其特点是喷管出口面积可随火箭工作高度变化主动调节。本领域的技术人员致力于设计一种变结构高度补偿喷管实验装置，主要用于变结构高度补偿喷管的相关研究。实验装置的需求是可实现喷管出口面积的连续变化，并进行多种参数的实时监测，包括扩张段角度、壁面压力分布、执行机构负载。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种变结构高度补偿喷管实验装置，通过多段扩张段绕转轴转动调控喷管出口面积，根据扩张段与底板、盖板、转轴之间的结构特点布置密封条，保证变结构高度补偿喷管实验装置气密性，进而保障实现变结构高度补偿喷管实验实时测试，所述实时测试参数包括扩张段角度、壁面压力分布、执行机构负载。
5.本发明的目的通过如下技术方案实现。
6.本发明公开的一种变结构高度补偿喷管实验装置，主要由稳压仓、底板、盖板、变结构扩张段、转轴、密封条、推杆、滑块轨道、滑块、测压金属管、测压软管、驱动机构、压力传感器、位移传感器、驱动力传感器组成。稳压仓用于使来流气体降速稳压，稳压仓外表面开有用于安装压力传感器的孔，以测量来流气体的总压。底板上加工有用于形成喷管收敛段、喉部、固定扩张段的凹槽，底板上还加工有固定转轴的盲孔，以及用于限定推杆运动轨迹的弧形槽，根据实验需求更改弧形槽的尺寸、位置和数量。盖板上加工有用于引出测压软管的镂空结构，盖板上还加工有固定转轴的盲孔。盖板扣在底板上，盖板和底板之间为气流通道，通道入口处与稳压仓连接。变结构扩张段、固定扩张段统称扩张段，扩张段与扩张段之间通过转轴转动连接。驱动机构用于驱动滑轨横向移动，带动滑块纵向移动，滑块纵向移动带动推杆移动，推杆移动带动变结构扩张段绕转轴转动，根据实验需求更改变结构扩张段的数量和长度，通过变结构扩张段绕转轴转动调控喷管出口面积，通过调控增大喷管出口面积实现喷管性能高度补偿。位移传感器与滑轨连接，通过位移传感器实时监测滑轨的横向位移，从而得到滑块的横向位移，并能够根据滑块的横向位移量，推导出变结构扩张段的旋转角度，实现喷管出口面积高效率精准调控。滑块与驱动力传感器连接，在滑块位移的同时能够实时监测滑块受到的驱动力。固定扩张段与变结构扩张段之间、变结构扩张段与变
结构扩张段之间、变结构扩张段与底板和盖板之间布置密封条，以保证喷管整体的气密性。变结构扩张段上开有测压孔，根据测压需求更改测压孔的数量和位置。测压金属管焊接在扩张段外壁面上，与测压孔对应，测压金属管另一端与测压软管连接，以用于将变结构扩张段内壁面压力引出测量。
7.固定扩张段与变结构扩张段之间、变结构扩张段与变结构扩张段之间、变结构扩张段与底板和盖板之间布置密封条，以保证喷管扩张段的气密性。作为优选，在固定扩张段与变结构扩张段之间设置有第一密封条和第二密封条。所述第一密封条的密封起始点位于喷管下壁面出口处，第一密封条依次绕过喷管喉部下壁面、收敛段下壁面、气流通道入口、收敛段上壁面、喉部上壁面、变结构扩张段正面、变结构扩张段侧面、变结构扩张段背面，实现密封。所述第二密封条用于固定扩张段与变结构扩张段之间的转动密封。第三密封条依次绕过变结构扩张段正面、变结构扩张段侧面、变结构扩张段背面，既能够实现变结构扩张段与底板、盖板之间的密封，还能够实现变结构扩张段与变结构扩张段之间闭合时的密封，以保证喷管扩张段的气密性。第三密封条数量由变结构扩张段数量确定，第三密封条数量比变结构扩张段数量少1。
8.扩张段、转轴、弧形槽、推杆构成平面机构，由平面机构自由度计算方法f＝3n-2p
l-ph，其中：n为可动部件数量、p
l
为低副约束数量、ph为高副约束数量。根据变结构扩张段数量设置约束，使机构自由度f＝1，则只需要通过驱动机构移动推杆横向位置，便能够将每个变结构扩张段角度调节到位，提高实验效率。
9.本发明公开的一种变结构高度补偿喷管实验装置的工作方法为：
10.压缩气体经过稳压仓减速稳压后，进入底板和盖板间的气流通道，形成稳定的超声速气流后，驱动机构开始工作，驱动机构用于驱动滑轨横向移动，带动滑块纵向移动，滑块纵向移动带动推杆移动，推杆移动带动变结构扩张段绕转轴转动，根据实验需求更改变结构扩张段的数量和长度，通过变结构扩张段绕转轴转动调控喷管出口面积，通过调控喷管出口面积实现喷管性能高度补偿。滑块与驱动力传感器连接，通过驱动力传感器在滑块位移的同时能够实时监测滑块受到的驱动力。通过位移传感器实时监测驱动机构的横向驱动位移，从而得到滑块、推杆的横向位移，并能够根据推杆的横向位移量，推导出变结构扩张段的旋转角度，实现喷管出口面积高效率精准调控。测压金属管焊接在扩张段外壁面上，与测压孔对应，测压金属管另一端与测压软管连接，变结构扩张段内壁面压力依次通过测压金属管、测压软管引出至压力传感器实现压力测量。
11.有益效果：
12.1、本发明公开的一种变结构高度补偿喷管实验装置，通过多段扩张段绕转轴转动调控喷管出口面积，根据变结构扩张段与底板、盖板、转轴之间的结构特点实现密封，保证变结构高度补偿喷管实验装置气密性，进而保障实现变结构高度补偿喷管实验实时测试，所述实时监测参数包括扩张段角度、壁面压力分布、执行机构负载。
13.2、本发明公开的一种变结构高度补偿喷管实验装置，根据扩张段与、底板、盖板、转轴之间的结构特点实现密封，在固定扩张段与变结构扩张段之间设置有第一密封条和第二密封条。所述第一密封条的密封起始点位于喷管下壁面出口处，第一密封条依次绕过喷管喉部、收敛段下壁面、气流通道入口、收敛段上壁面、变结构扩张段正面、变结构扩张段背面，实现密封。所述第二密封条用于密封固定扩张段与变结构扩张段之间的转动密封。
14.3、本发明公开的一种变结构高度补偿喷管实验装置，所述第三密封条用于密封固定扩张段与变结构扩张段之间的转动密封。第三密封条依次绕过变结构扩张段正面、变结构扩张段背面，既能够实现变结构扩张段与底板、盖板之间的密封，还能够实现变结构扩张段与变结构扩张段之间闭合时的密封，以保证喷管扩张段的气密性。
15.4、本发明公开的一种变结构高度补偿喷管实验装置，只需要通过驱动机构移动推杆横向位置，便可将每个变结构扩张段角度调节到位，提高实验效率。
16.5、本发明公开的一种变结构高度补偿喷管实验装置，可实时监测变结构喷管变形过程中的壁面压力分布和执行机构负载，从而对变结构高度补偿喷管的设计、研制提供参考。
附图说明
17.图1是本发明的一种变结构高度补偿喷管实验装置结构后视图；
18.图2是本发明的简化的装置结构正视图；
19.图3是本发明的扩张段结构原理图；
20.图4是本发明的图2的局部放大图；
21.图5是本发明的末状态示意图；
22.图6是本发明的驱动力测量示意图；
23.图7是本发明的壁面压力测量示意图。
24.其中：1—稳压仓、2—底板、3—盖板、4—变结构扩张段、5—转轴、6—密封条、7—推杆、8—滑块轨道、9—滑块、10—测压金属管、11—测压软管、12—驱动机构、13—压力传感器、14—位移传感器、15—驱动力传感器。
具体实施方式
25.以下将结合附图与实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以了解本发明的目的、特征和效果。
26.如图1所示，本实例公开的一种变结构高度补偿喷管实验装置，由稳压仓1、底板2、盖板3、变结构扩张段4、转轴5、密封条6、推杆7、滑块轨道8、滑块9、测压金属管10、测压软管11、驱动机构12、压力传感器13、位移传感器14、驱动力传感器15组成。
27.稳压仓1为压力容腔，具有一定的容积，作用是使来流气体降速稳压。稳压仓1外表面开孔安装压力传感器13，以测量来流气体的总压。如图2，底板左侧开有方形孔22，稳压仓内的气体由方形孔22进入喷管收敛段，之后经过喉部23加速为超声速气流，向右侧喷出。
28.变结构扩张段数量为2。第一变结构扩张段41通过转轴5与底板2转动连接，第一变结构扩张段41与第二变结构扩张段42为转动连接，第二变结构扩张段42末端与推杆7固连，推杆7的运动被限定在弧形槽21内。由此，转轴5、第一变结构扩张段41、第二变结构扩张段42、弧形槽21构成了成了图3所示的平面机构。根据平面机构自由度计算方法f＝3n-2p
l-ph，机构可动部件n＝3，低副约束数量p
l
＝4，高副约束数量ph＝0，机构自由度f＝1。因此，当驱动机构12推动推杆7位移时，可实现第一变结构扩张段41和第二变结构扩张段42旋转角的变化，且第一变结构扩张段41、第二变结构扩张段42的旋转角度为唯一解。图2所示为实验装置初始状态示意图，图5所示为末状态，此时喷管变结构完成，扩张比达到最大。
29.如图2和图4，第一密封条61的密封起始点位于喷管下壁面出口处，第一密封条61依次绕过喷管喉部下壁面、收敛段下壁面、气流通道入口、收敛段上壁面、喉部上壁面、第一变结构扩张段41正面、第一变结构扩张段41侧面、第一变结构扩张段41背面，实现密封。第二密封条62用于固定扩张段与第一变结构扩张段41之间的转动密封。如图4，第三密封条依次绕过第二变结构扩张段42正面、第二变结构扩张段42侧面、第二变结构扩张段42背面，既能够实现第二变结构扩张段42与底板2、盖板3之间的密封，还能够实现第一变结构扩张段41与第二变结构扩张段42之间闭合时的密封，以保证喷管变结构扩张段之间的气密性。
30.如图1和图6，滑块9的主体是滑块底座91，其一侧通过圆柱销与4个轴承93连接，另一侧与驱动力传感器15固连。滑块底座91中间开有通孔，通孔内放置轴承92后与推杆7转动连接。滑块轨道8一侧开有凹槽81，用于限制滑块的移动方向。滑块轨道8与驱动机构12的移动平台121固连，由此当移动平台121左右移动时，可控制滑块9的上下移动。移动平台121与位移传感器14连接，由此可以实时监测移动平台121的横向位移，从而得到推杆7的横向位移，继而推算出第一变结构扩张段41与第二变结构扩张段42的旋转角度。
31.如图7，变结构扩张段4开有若干测压孔421，测压孔421为直径1mm的通孔。测压孔421另一侧与测压金属管10连接。测压软管11套在测压金属管10上，测压软管11的内径要小于测压金属管10的外径，利用测压软管11的弹性起到密封的效果。测压软管11另一侧与压力传感器连接，由此，变结构扩张段内表面的压力被引出并可以测量。
32.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。