一种模型支架攻角机构的制作方法

本发明涉及一种模型支架攻角机构，特别是一种应用于航天飞行器热防护地面模拟试验中的攻角机构，可以在高温环境中快速、精确改变模型支架的攻角。

背景技术：

航天飞行器防隔热材料进行热防护地面模拟试验时，通常利用高温气流对模型支架中的试验模型进行加热，模型支架在攻角机构的带动下通过改变攻角使试验模型获得不同的加热条件。常规的攻角机构利用气缸作为运动部件，具有转动迅速、转动扭矩大的优点，但是只能在预先设定的两个攻角条件下快速快速转动，既不能获得更多的攻角条件也不能改变攻角转动的速度，因此需要设计一种可以带动模型支架在多个攻角条件下转动并且攻角转动速度可以改变的攻角机构，同时能够防止高温气流的破坏。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：提供一种模型支架攻角机构，可在高温环境中，带动模型支架在多个攻角条件下转动并且攻角转动速度可以变化，同时能够防止高温气流的破坏，以满足当前国内航天飞行器热防护地面模拟试验要求。

本发明的技术方案：

提供一种模型支架攻角机构，包括控制器、伺服电机、下传动轴、上传动轴、减速器、支架和底座；

支架上表面具有用于放置试验模型的凹槽；上传动轴和下传动轴同轴设置，分别安装在支架的上、下侧面，并通过轴承连接到连接到底座；伺服电机通过减速器驱动下传动轴带动支架转动；控制器控制伺服电机的转动角度。

优选的，支架在凹槽周围设置与凹槽呈一定距离的环槽水道，上传动轴具有与外部进水管相连的进水孔和与外部回水管相连的出水孔，下传动轴具有尾端相通的进水孔、出水孔；冷却水经上传动轴的进水孔流入，经支架的环槽水道一侧流入下传动轴的进水孔，进入下传动轴的出水孔，再经环槽水道另一侧流入上传动轴出水孔，经外部回水管回收。

优选的，进水孔、出水孔尾端通过环槽相通。

优选的，环槽的获取方式为：在下传动轴的进水孔和出水孔的底端加工环槽，环槽的深度至进水孔和出水孔的中心线，然后将两个半圆形外壳安装在环槽外侧，并焊接，密封环槽。

优选的，下传动轴还具有出线孔，为轴向通孔，设置在进水孔和出水孔之间，用于引出试验模型的测试信号线。

优选的，凹槽底部与试验模型之间放置隔热材料，凹槽侧面与试验模型之间灌注密封胶。

优选的，底座的安装面与下传动轴的轴线平行，底座安装在风洞出口，垂直气流方向，气流方向与模型表面的夹角即为攻角。

优选的，角度传感器用于检测攻角，并输出攻角信号至控制器。

优选的，根据试验要求提供的热流密度q，确定冷却水的流量g公式：

式中

δt——水降温前后的温差；

c——水的比热容；

a——支架受热面积。

优选的，试验中要求的热流密度q，对应的攻角α确定公式为：

式中：

——攻角α0下的冷壁热流密度；

α———模型攻角。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明能够精确控制模型支架的旋转角度，获取试验过程中所需的攻角，按照所需的试验条件，计算相应攻角，调节更灵活，且便于在试验过程中随时改变攻角。

(2)本发明根据高热气流的特点，设置了特有水冷结构，一方面保证了降温效果，另一方面避免了对模型测温造成影响。

(3)本发明的攻角机构可以应用于航天飞行器防隔热材料气动热地面模拟试验中，特别是高温长时间条件下材料防隔热性能测试试验。

附图说明

图1为本发明的模型支架攻角机构结构示意图；

图2为本发明的模型支架攻角机构冷却水路剖视图；

图3为本发明的下传动轴的俯视图；

图4为模型热防护地面模拟试验过程中角度变化曲线与常规攻角机构角度变化曲线对比图。

具体实施方式

如图1所示，模型支架攻角机构主要由控制器1、伺服电机2、下传动轴3、上传动轴6、水冷减速器4、角度传感器5和支架7构成。控制器1驱动伺服电机2转动，通过水冷减速器4减速使得水冷下传动轴3带动支架7转动，角度传感器5将支架7转动的角度信号反馈至控制器。控制器1根据角度传感器5的信号采用闭环反馈控制技术，可以精确改变模型支架的攻角以及攻角改变速度。

支架7为矩形块，中部上表面为凹槽，凹槽内部试验模型，凹槽底部放置隔热材料，避免支架7对模型测温造成影响。在一个实施例中凹槽的尺寸为152mm*152mm*50mm，模型尺寸为150mm*150mm*30mm，凹槽底部设置20mm厚的隔热材料，侧面灌注1mm的密封胶，将试验模型固定在凹槽内部。

下传动轴3和上传动轴6同轴设置，分别通过轴承连接到底座8上，底座的安装面与下传动轴3和上传动轴6的轴线平行。根据试验要求，通过电机驱动下传动轴3，带动支架7转动，改变试验攻角。底座8安装在风洞出口，垂直气流方向，气流方向与模型表面的夹角即为攻角。气流为高温气流，温度可达3000℃，速度可达2000m/s，因此必须对设置在流场内的攻角机构进行冷却降温。

如图2所示，为了防止试验舱内的高温气流对机构造成破坏，采用水冷方式降温，减速器具有单独的水冷系统进行降温。上传动轴6具有与外部进水管相连的进水孔6-1和与外部回水管相连的出水孔6-2。支架7距离凹槽20mm设置环槽水道。下传动轴3包括进水孔3-1、出水孔3-3、环槽3-2和出线孔3-4，所述进水孔3-1和出水孔3-3长度为150mm，底端通过环槽3-2联通，进水孔3-1和出水孔3-3长度延伸至试验加热区域边缘外部；出线孔3-4为通孔设置在中心处，检测模型背面温度的热电偶传感器信号线，通过出线孔3-4引出至后段侧面，出线孔3-4的尾端通过联轴器与减速器4相连。进水孔3-1和出水孔3-3位于出线孔3-4对称的两侧，保证了对信号线的降温。

支架7凹槽的上侧面具有和上传动轴6匹配的上安装孔，安装孔垂直于环槽水道延伸至环槽水道的下表面下方，通过螺钉9固定，进水孔6-1与环槽水道左侧相通，出水孔6-2与环槽水道右侧相通。参见图3，中部为出线孔3-4，左右分别为进水孔3-1和出水孔3-3，上下为安装孔3-6和3-5。支架7凹槽的下侧面具有和下传动轴3匹配的下安装孔，安装孔垂直于环槽水道延伸至环槽水道的下表面下方，螺钉通过安装孔3-6和3-5将下传动轴3固定至支架7，支架7环槽水道上方上设有与螺钉对应的沉孔，和与出线孔3-4对应的通孔，用于信号线引出。进水孔3-1与环槽水道左侧相通，出水孔3-3与环槽水道右侧相通。支架上、下安装孔设有密封圈，避免冷却水向外泄露。环槽3-2的获取方式为：在进水孔3-1和出水孔3-3的底端加工环槽，环槽的深度达到进水孔3-1和出水孔3-3的中心线，然后通过两个半圆形外壳安装在环槽外侧，并焊接，密封环槽。

冷却水经进水孔6-1流入，经支架7的环槽水道左侧流入进水孔3-1，经环槽3-2流入出水孔3-3，再经环槽水道右侧流入出水孔6-2，经外部回水管回收，实现对支架7、上传动轴6及下传动轴3的降温。

为了保证降温效果，需要将支架7的温度控制在200℃以下，根据试验要求提供的热流密度q，确定冷却水的流量g，其公式如下：

式中：

g——冷却水的流量，单位：kg/s；

δt——水的温差，单位：k；

c——水的比热容，单位：j/(kg·k)；

q——冷壁热流密度，单位：w/m²；

a——支架受热面积，单位：m²。

如图4所示，在试验过程中，本发明能够根据需要调节支架攻角在试验中先保持5°攻角，然后以多项式曲线运动方式达到27°攻角，然后以正弦曲线运动方式达到33°攻角并下降至27°攻角，在保持一段时间后以余弦曲线运动方式降至0攻角°；作为对比，常规攻角机构在试验过程中，仅能够在试验中保持在5°或27°攻角，攻角范围只有2个，攻角转动速度也不能变。由此可见本发明相比常规攻角机构攻角调整范围广，并可以已改变攻角转动速度。

试验中要求的热流密度q，对应的攻角α确定公式为：

式中：

q——攻角α下的冷壁热流密度，单位：w/m²；

——攻角α0下的冷壁热流密度，单位：w/m²；

α、α0——模型攻角，单位：°。

试验开始后首先测量攻角α0下的冷壁热流密度然后利用上式计算热流密度q，对应的攻角α。α0可以根据需要选取，例如选择2°，为100kw/m²，试验所需的热流密度为202kw/m²，则计算获得攻角α为12°。

本发明的具体结构说明和试验验证都证明了本发明具有的特点，能实现带动模型支架在多个攻角条件下转动并且攻角转动速度可以改变的要求。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。