一种用于高速喷流影响测力模型的压力解耦装置的制作方法

本发明属于航空气动力风洞试验技术领域，涉及一种适用于高速喷流影响测力模型的压力解耦装置。

背景技术：

推力矢量技术能显著提高现代战斗机和导弹的敏捷性、机动性、生存力。采用推力矢量技术的飞机，通过喷管偏转，利用发动机产生的推力获得附加的控制力矩，实现飞机的姿态控制。其突出特点是控制力矩与发动机紧密相关，而不受飞机本身姿态的影响。因此，可以保证在飞机作低速、大迎角机动飞行而操纵舵面几近失效时利用推力矢量提供的额外操纵力矩来控制飞机机动。围绕如何有效地实现矢量推力，人们从气动、机械等方面，开展了大量研究工作，并已经取得许多成果。其中，模型/喷管一体化设计的高速喷流影响测力模型，由于其能模拟的相似参数较多，成为当今国内外推力矢量试验领域的主流。压力解耦装置是喷流影响测力模型中给喷管系统提供高压气体，其与模型的天平系统形成并联结构，并同时分割高压供气管路固定端和测量端的一种解耦装置，是高速喷流影响测力模型的核心部件，一定程度上影响了天平对于模型气动力的精确测量。目前尚未查询到国内针对适用于高速喷流影响测力模型的压力解耦装置，美国1990年由Staff of the Propulsion Aerodynamics Branch编写的A User’s guide to the LANLEY 16-foot Transonic Tunnel Complex一文中，公开了一种压力解耦装置，但其采用的是金属材质的柔性膜片，存在较严重的温度影响天平零点的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种适用于高速喷流影响测力模型的压力解耦装置，以便解决温度影响天平零点的难题。

本发明的技术方案是：一种用于高速喷流影响测力模型的压力解耦装置，其特征在于：它包括进气管1、音速喷嘴2、集气室3、左柔性膜片组件、右柔性膜片组件、头锥6、测量端9、第1密封圈10、第2密封圈11、第3密封圈12、第4密封圈13、第5密封圈14、第6密封圈15、第7密封圈16、6个喷管17和螺环18；

由进气管1、音速喷嘴2、第1密封圈10、第3密封圈12、第6密封圈15、第7密封圈16、喷管17和螺环18构成进气组件；

进气管1是一个圆筒，在进气管1外圆柱面上靠近左端口的位置有一个带有螺栓孔的进气管法兰，在进气管法兰的左端面上有一个进气管法兰端面密封槽，第7密封圈16位于上述进气管法兰端面密封槽内，在进气管1的右端口内有进气管内螺纹段，在进气管内螺纹段的左边有一段进气管光孔段，在进气管光孔段的内圆柱面上有环形的光孔段密封槽，第6密封圈15位于上述光孔段密封槽内；

音速喷嘴2是一个右端封闭、左端敞开的圆筒，在音速喷嘴2外圆柱面的中部有一个截面为矩形的外环形凸台2e，在外环形凸台2e的外圆柱面上有沿圆周均布的6个与音速喷嘴2的内孔径向贯通的音速喷嘴螺纹孔2f，在环形凸台2e的右端面上有一个外环形凸台右端面定位环形槽2g，在音速喷嘴2的外圆柱面上、环形凸台2e的右边有一段音速喷嘴右光筒段，在该音速喷嘴右光筒段的右边有一个环形的音速喷嘴右密封槽2h，第1密封圈10位于上述音速喷嘴右密封槽2h内，在音速喷嘴右密封槽2h的右边是音速喷嘴右外螺纹段2j；在环形凸台2e的左端面上有一个外环形凸台左端面定位环形槽2d，在音速喷嘴2的外圆柱面上、环形凸台2e的左边有一段音速喷嘴第1左光筒段，在该音速喷嘴第1左光筒段上有一个环形的音速喷嘴左密封槽2c，第3密封圈12位于上述音速喷嘴左密封槽2c内，在音速喷嘴第1左光筒段的左边有音速喷嘴左外螺纹段2b，在音速喷嘴左外螺纹段2b的左边是音速喷嘴第2左光筒段2a；音速喷嘴左外螺纹段2b拧进进气管1的进气管内螺纹段中，音速喷嘴第2左光筒段2a插入进气管1的进气管光孔段内并保持间隙配合，螺环18拧在音速喷嘴右外螺纹段2j上；喷管17是带有外螺纹的圆筒，6个喷管17的外螺纹分别拧进音速喷嘴2的6个音速喷嘴螺纹孔2f内；

由集气室3、头锥6、测量端9、第2密封圈11、第4密封圈13、第5密封圈14构成测量组件；

测量端9是一个左端带有测量端法兰、右端带有测量端外螺纹段的圆筒，测量端9内孔的孔径大于音速喷嘴2圆筒的外径，在测量端9的内圆柱面上布置有一圈沿圆周均布的4个波外静压测量孔8,在测量端9的右端面上有一个测量端端面密封槽，第4密封圈13位于上述测量端端面密封槽内；头锥6是一个左端敞开、右端口被一个圆锥面封闭的圆筒，在头锥6外圆柱面的左端带有头锥外螺纹段，在头锥6的左端面上有头锥端面密封槽，第2密封圈11位于上述头锥端面密封槽内，在测量端法兰的右端面上有沿圆周均布的螺纹盲孔，在螺纹盲孔的外面有一个测量端法兰端面密封槽，第5密封圈14位于上述测量端法兰端面密封槽内；

集气室3是一个圆筒，在集气室3内圆柱面的中部有一个截面为矩形的内环形凸台3a，在内环形凸台3a的内圆柱面上有沿圆周均布的6个与集气室3的外圆柱面径向贯通的出气孔3b，出气孔3b的孔径大于喷管17的外径，在内环形凸台3a的左端面上有一个内环形凸台左端面定位环形槽3d，在内环形凸台3a的右端面上有一个内环形凸台右端面定位环形槽3c，在内环形凸台3a的左边有左内螺纹段，在内环形凸台3a的右边有右内螺纹段；测量端9右端的外螺纹段拧进集气室3的左内螺纹段中，头锥6左端的头锥外螺纹段拧进集气室3的右内螺纹段中；在集气室3的每个出气孔3b的内圆柱面上布置有一圈沿圆周均布的4个波内静压测量孔7；

进气组件和测量组件通过左柔性膜片组件和右柔性膜片组件形成连接关系，左柔性膜片组件和右柔性膜片组件的结构相同并且位置对称；

左柔性膜片组件由左柔性膜片4a、左内压环4b和左外压环4c组成；左柔性膜片4a是一个薄板材制造的圆环，它的径向剖面的形状如下：从外向内分为3段，分别是外平直段4a1、圆弧段4a3和内平直段4a4，圆弧段4a3的凸起方向向左，在外平直段4a1的右表面上有左柔性膜片外定位环形凸台4a2，在内平直段4a4的右表面上有左柔性膜片内定位环形凸台4a5；左柔性膜片4a位于音速喷嘴2和集气室3之间、外环形凸台2e的左边，左柔性膜片外定位环形凸台4a2位于集气室3的内环形凸台左端面定位环形槽3d内，左柔性膜片内定位环形凸台4a5位于音速喷嘴2的外环形凸台左端面定位环形槽2d内；左内压环4b是一个圆环，左内压环4b的左端面和右端面平行，左内压环4b套在音速喷嘴2的音速喷嘴第1左光筒段上并保持间隙配合，第3密封圈12将左内压环4b和音速喷嘴第1左光筒段之间的间隙密封，左内压环4b的左端面与进气管1的右端面贴合，左内压环4b的右端面压住左柔性膜片4a内平直段4a4的左表面；左外压环4c是一个圆环，左外压环4c的左端面和右端面平行，左外压环4c的外螺纹拧进集气室3的左内螺纹段中，左外压环4c的右端面压住左柔性膜片4a外平直段4a1的左表面，左外压环4c的左端面与测量端9的右端面贴合，第4密封圈13将左外压环4c的左端面与测量端9右端面之间的间隙密封；

右柔性膜片组件由右柔性膜片5a、右内压环5b和右外压环5c组成；右柔性膜片5a的材质、形状和尺寸与左柔性膜片4a相同，右柔性膜片5a的径向剖面的形状如下：从外向内分为3段，分别是外平直段5a1、圆弧段5a3和内平直段5a4，圆弧段5a3的凸起方向向右，在外平直段5a1的左表面上有右柔性膜片外定位环形凸台5a2，在内平直段5a4的左表面上有右柔性膜片内定位环形凸台5a5；右柔性膜片5a位于音速喷嘴2和集气室3之间、外环形凸台2e的右边，右柔性膜片外定位环形凸台5a2位于集气室3的内环形凸台右端面定位环形槽3c内，右柔性膜片内定位环形凸台5a5位于音速喷嘴2的外环形凸台右端面定位环形槽2g内；右内压环5b是一个圆环，右内压环5b的左端面和右端面平行，右内压环4b套在音速喷嘴2的音速喷嘴右光筒段上并保持间隙配合，第1密封圈10将右内压环5b和音速喷嘴右光筒段之间的间隙密封，右内压环5b的左端面压住右柔性膜片4a内平直段5a4的右表面，右内压环5b的右端面被螺环18的左端面压紧，右外压环5c是一个圆环，右外压环5c的左端面和右端面平行，右外压环5c的外螺纹拧进集气室3的右内螺纹段中，右外压环5c的左端面压住右柔性膜片5a外平直段5a1的右表面，右外压环5c的右端面被头锥6的左端面压紧；6个喷管17分别位于集气室3的6个出气孔3b内，喷管17与出气孔3b保持同轴。

本发明的优点是：提出了一种适用于高速喷流影响测力模型的压力解耦装置，解决了温度影响天平零点的难题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。图中，“内”指靠近轴线的方向，“外”指远离轴线的方向。

图2是本发明中音速喷嘴2的结构示意图。

图3是本发明中集气室3的结构示意图。

图4是本发明中左柔性膜片4a的局部剖视图。

图5是本发明中右柔性膜片5a的局部剖视图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。参见图1至图5，一种用于高速喷流影响测力模型的压力解耦装置，其特征在于：它包括进气管1、音速喷嘴2、集气室3、左柔性膜片组件、右柔性膜片组件、头锥6、测量端9、第1密封圈10、第2密封圈11、第3密封圈12、第4密封圈13、第5密封圈14、第6密封圈15、第7密封圈16、6个喷管17和螺环18；

由进气管1、音速喷嘴2、第1密封圈10、第3密封圈12、第6密封圈15、第7密封圈16、喷管17和螺环18构成进气组件；

进气管1是一个圆筒，在进气管1外圆柱面上靠近左端口的位置有一个带有螺栓孔的进气管法兰，在进气管法兰的左端面上有一个进气管法兰端面密封槽，第7密封圈16位于上述进气管法兰端面密封槽内，在进气管1的右端口内有进气管内螺纹段，在进气管内螺纹段的左边有一段进气管光孔段，在进气管光孔段的内圆柱面上有环形的光孔段密封槽，第6密封圈15位于上述光孔段密封槽内；

音速喷嘴2是一个右端封闭、左端敞开的圆筒，在音速喷嘴2外圆柱面的中部有一个截面为矩形的外环形凸台2e，在外环形凸台2e的外圆柱面上有沿圆周均布的6个与音速喷嘴2的内孔径向贯通的音速喷嘴螺纹孔2f，在环形凸台2e的右端面上有一个外环形凸台右端面定位环形槽2g，在音速喷嘴2的外圆柱面上、环形凸台2e的右边有一段音速喷嘴右光筒段，在该音速喷嘴右光筒段的右边有一个环形的音速喷嘴右密封槽2h，第1密封圈10位于上述音速喷嘴右密封槽2h内，在音速喷嘴右密封槽2h的右边是音速喷嘴右外螺纹段2j；在环形凸台2e的左端面上有一个外环形凸台左端面定位环形槽2d，在音速喷嘴2的外圆柱面上、环形凸台2e的左边有一段音速喷嘴第1左光筒段，在该音速喷嘴第1左光筒段上有一个环形的音速喷嘴左密封槽2c，第3密封圈12位于上述音速喷嘴左密封槽2c内，在音速喷嘴第1左光筒段的左边有音速喷嘴左外螺纹段2b，在音速喷嘴左外螺纹段2b的左边是音速喷嘴第2左光筒段2a；音速喷嘴左外螺纹段2b拧进进气管1的进气管内螺纹段中，音速喷嘴第2左光筒段2a插入进气管1的进气管光孔段内并保持间隙配合，螺环18拧在音速喷嘴右外螺纹段2j上；喷管17是带有外螺纹的圆筒，6个喷管17的外螺纹分别拧进音速喷嘴2的6个音速喷嘴螺纹孔2f内；

由集气室3、头锥6、测量端9、第2密封圈11、第4密封圈13、第5密封圈14构成测量组件；

测量端9是一个左端带有测量端法兰、右端带有测量端外螺纹段的圆筒，测量端9内孔的孔径大于音速喷嘴2圆筒的外径，在测量端9的内圆柱面上布置有一圈沿圆周均布的4个波外静压测量孔8,在测量端9的右端面上有一个测量端端面密封槽，第4密封圈13位于上述测量端端面密封槽内；头锥6是一个左端敞开、右端口被一个圆锥面封闭的圆筒，在头锥6外圆柱面的左端带有头锥外螺纹段，在头锥6的左端面上有头锥端面密封槽，第2密封圈11位于上述头锥端面密封槽内，在测量端法兰的右端面上有沿圆周均布的螺纹盲孔，在螺纹盲孔的外面有一个测量端法兰端面密封槽，第5密封圈14位于上述测量端法兰端面密封槽内；

集气室3是一个圆筒，在集气室3内圆柱面的中部有一个截面为矩形的内环形凸台3a，在内环形凸台3a的内圆柱面上有沿圆周均布的6个与集气室3的外圆柱面径向贯通的出气孔3b，出气孔3b的孔径大于喷管17的外径，在内环形凸台3a的左端面上有一个内环形凸台左端面定位环形槽3d，在内环形凸台3a的右端面上有一个内环形凸台右端面定位环形槽3c，在内环形凸台3a的左边有左内螺纹段，在内环形凸台3a的右边有右内螺纹段；测量端9右端的外螺纹段拧进集气室3的左内螺纹段中，头锥6左端的头锥外螺纹段拧进集气室3的右内螺纹段中；在集气室3的每个出气孔3b的内圆柱面上布置有一圈沿圆周均布的4个波内静压测量孔7；

进气组件和测量组件通过左柔性膜片组件和右柔性膜片组件形成连接关系，左柔性膜片组件和右柔性膜片组件的结构相同并且位置对称；

左柔性膜片组件由左柔性膜片4a、左内压环4b和左外压环4c组成；左柔性膜片4a是一个薄板材制造的圆环，它的径向剖面的形状如下：从外向内分为3段，分别是外平直段4a1、圆弧段4a3和内平直段4a4，圆弧段4a3的凸起方向向左，在外平直段4a1的右表面上有左柔性膜片外定位环形凸台4a2，在内平直段4a4的右表面上有左柔性膜片内定位环形凸台4a5；左柔性膜片4a位于音速喷嘴2和集气室3之间、外环形凸台2e的左边，左柔性膜片外定位环形凸台4a2位于集气室3的内环形凸台左端面定位环形槽3d内，左柔性膜片内定位环形凸台4a5位于音速喷嘴2的外环形凸台左端面定位环形槽2d内；左内压环4b是一个圆环，左内压环4b的左端面和右端面平行，左内压环4b套在音速喷嘴2的音速喷嘴第1左光筒段上并保持间隙配合，第3密封圈12将左内压环4b和音速喷嘴第1左光筒段之间的间隙密封，左内压环4b的左端面与进气管1的右端面贴合，左内压环4b的右端面压住左柔性膜片4a内平直段4a4的左表面；左外压环4c是一个圆环，左外压环4c的左端面和右端面平行，左外压环4c的外螺纹拧进集气室3的左内螺纹段中，左外压环4c的右端面压住左柔性膜片4a外平直段4a1的左表面，左外压环4c的左端面与测量端9的右端面贴合，第4密封圈13将左外压环4c的左端面与测量端9右端面之间的间隙密封；

右柔性膜片组件由右柔性膜片5a、右内压环5b和右外压环5c组成；右柔性膜片5a的材质、形状和尺寸与左柔性膜片4a相同，右柔性膜片5a的径向剖面的形状如下：从外向内分为3段，分别是外平直段5a1、圆弧段5a3和内平直段5a4，圆弧段5a3的凸起方向向右，在外平直段5a1的左表面上有右柔性膜片外定位环形凸台5a2，在内平直段5a4的左表面上有右柔性膜片内定位环形凸台5a5；右柔性膜片5a位于音速喷嘴2和集气室3之间、外环形凸台2e的右边，右柔性膜片外定位环形凸台5a2位于集气室3的内环形凸台右端面定位环形槽3c内，右柔性膜片内定位环形凸台5a5位于音速喷嘴2的外环形凸台右端面定位环形槽2g内；右内压环5b是一个圆环，右内压环5b的左端面和右端面平行，右内压环4b套在音速喷嘴2的音速喷嘴右光筒段上并保持间隙配合，第1密封圈10将右内压环5b和音速喷嘴右光筒段之间的间隙密封，右内压环5b的左端面压住右柔性膜片4a内平直段5a4的右表面，右内压环5b的右端面被螺环18的左端面压紧，右外压环5c是一个圆环，右外压环5c的左端面和右端面平行，右外压环5c的外螺纹拧进集气室3的右内螺纹段中，右外压环5c的左端面压住右柔性膜片5a外平直段5a1的右表面，右外压环5c的右端面被头锥6的左端面压紧；6个喷管17分别位于集气室3的6个出气孔3b内，喷管17与出气孔3b保持同轴。

所述的左柔性膜片和右柔性膜片采用夹布橡胶制造，厚度为0.5mm～1.5mm。

本发明的工作原理是：本压力解耦装置采用的夹布橡胶柔性膜片，具有较高的承压能力，可达2.5MPa，使用寿命可达10000次。压力解耦装置布置在模型内部，与天平系统形成并联结构，模型在试验过程中产生的气动力同时传递给天平和压力解耦装置，但由于压力解耦装置的柔性膜片采用夹布橡胶，相对于天平刚度较小，因此可以实现其承受的模型气动力较小，约在0.3％左右；该受力特性具有极好的受力可重复性，可以通过压力校准试验精确得到其承受的气动力，从而用于对天平数据的精确修正。本压力解耦装置在结构上，设计有音速喷嘴，使得气流在本装置内流动方向转折90度，垂直于天平轴线方向对冲进入模型的测量端，保证了模型入口动量为零。

实施例

左柔性膜片和右柔性膜片采用夹布橡胶制造，厚度为1mm。试验时，将进气管路1的一端与高压供气管路通过螺钉连接，并安装密封圈16，另外一段通过螺纹和音速喷嘴2连接，并安装密封圈15，音速喷嘴2的前后两端分别布置前端柔性膜片和后端柔性膜片，前端柔性膜片的内侧端通过压环4b压紧在音速喷嘴2的2e面上，中间安装有密封圈12，后端柔性膜片的内侧端通过压环5a压紧在音速喷嘴2的2e面上，中间安装有密封圈10，前端柔性膜片4和后端柔性膜片5的外侧端分别通过压环4c和压环5c压紧在集气室3的端面上。头锥6通过螺纹和集气室3连接，并和压环5c紧密配合，中间安装有密封圈11，测量端9通过螺纹和集气室3连接，并和压环4c紧密配合，中间安装有密封圈13，测量端9的另外一段通过螺钉和测力试验模型相连，中间安装有密封圈14，最后在音速喷嘴2的喷嘴上通过螺纹拧上喷管17，使得高压气流垂直于轴线方向喷出，测量端入口动量为零。在集气室3的内侧布置一圈波内静压测量孔7，实现柔性膜片内侧高压气体压力的测量，在测量端9内侧布置波外静压测量孔8，实现柔性膜片外侧环境压力的测力。

该实施例承压能力2.5MPa，使用寿命为满行程往复运行10000次，能满足大部分推力矢量试验高压供气的需求。该实施例与天平的刚度比控制在0.1％左右，柔性膜片所能承受的模型气动力也在0.3％左右，具有极好的受力可重复性，重复性精度在2N以内，满足国军标要求。该实施例结构设计精巧，测量端入口通过音速喷嘴对冲，保证动量为零，且可以根据不同的试验工况，方便更换柔性膜片，而不会影响各系统部件之间的缝隙值，具备良好的工程应用价值，已成功应用于风洞试验。