一种风洞试验地面高速弹射模拟系统及模拟方法与流程

本发明属于高速风洞试验领域，尤其涉及一种风洞试验地面高速弹射模拟系统及模拟方法。

背景技术：

1、随着高速弹射技术的日益发展，特别是电磁弹射技术，使得在近地面实现目标对象的大初速度成为可能。对于水平起降飞行器，在近地面实现较大的起飞初速度可以大大减小携带的燃料，从而提高有效载荷或降低运行成本。然而，高速近地飞行受到地面半无限大空间的限制，在飞行器与地面之间会形成“狭缝空间”，对气流的流动会产生一定程度的阻碍，从而产生特殊的空气动力学效应，主要体现在对升力和阻力的影响。因此，基于风洞模拟近地流动环境，并开展气动特性试验研究极其重要。

2、基于风洞模拟近地流动环境的困难在于对近地边界层发展的模拟，准确认识和模拟实际弹射条件下的近地边界层流态是获得可靠的气动特性数据的前提。实际弹射条件下，根据弹射速度的大小不同，主要可以区分为两种情况：一是中低速度（或亚声速，即弹射速度小于当地声速），模型在发射过程中会影响到前方来流，导致在气流在进入“狭缝空间”前就已经形成了一定厚度的边界层。因此，风洞模拟除了要保证来流速度相同外，最主要的是准确模拟“狭缝空间”入口的边界层厚度；二是超声速，模型在发射过程中不会干扰前方来流，但是气流会在第一道激波反射点位置处开始出现边界层发展，在后续“狭缝空间”内会形成系列激波反射及激波-激波、激波-边界层等干扰现象，严重时会发生流动堵塞，极大影响飞行器的升阻力特性。因此，风洞模拟除了要保证来流速度相同外，最主要的是准确模拟“狭缝空间”内的边界层发展位置。

3、地面风洞试验是基于相对性原理，即通过保证试验模型不动，采用来流风速来模拟弹射速度。针对中低弹射速度的风洞模拟，通常采用运动地板的方式，即使用运动速度与来流速度一致或偏差较小的可滑动地板（皮带或其他形式）来模拟地面的运动，以同时起到模拟无限大受限边界及抑制边界层发展的作用。对于较大尺寸的风洞试验，为了降低成本，也可采用抽吸的形式来降低模拟地面上的边界层发展厚度。但是对于超声速弹射的风洞模拟，现有方法存在明显的不足。

4、一是运动地板的方式，要实现滑动地板超声速运动，对驱动能力和地板的材料均提出了高的要求，近乎是不可能实现了，以至于不可避免的会在滑动地板与风洞来流之间存在较大的速度差异，边界层会在运动地板的前缘处开始发展，而非在第一道激波反射点位置；二是抽吸的方式，只要抽吸能力充足能够很好的控制模拟地面上的边界层发展，但是传统的抽吸槽形式也抑制了第一道激波反射点后的边界层发展过程，使得激波-激波、激波-边界层等干扰现象失真。

5、因此，要充分发挥风洞试验模拟在地面高速弹射系统研制中的作用，重点是需要准确模拟“狭缝空间”内的边界层发展位置以及发展过程，现有风洞试验模拟方法需要进一步改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种风洞试验地面高速弹射模拟系统及模拟方法，以解决风洞试验模拟地面高速弹射干扰现象失真的问题。本发明所采用的技术方案如下：

2、一种风洞试验地面高速弹射模拟系统，包括风洞喷管、试验段自由射流舱、上支撑机构、高速地板模拟装置、下支撑机构和收集器；

3、风洞喷管的出口探入试验段自由射流舱的上游端，收集器的入口探入试验段自由射流舱的下游端，风洞喷管和收集器同轴设置，试验段自由射流舱的顶部设有上支撑机构，试验段自由射流舱的底部设有下支撑机构，试验模型与上支撑机构相连，高速地板模拟装置与下支撑机构相连，试验模型位于高速地板模拟装置的上方，且试验模型和高速地板模拟装置均处于风洞喷管和收集器之间的气流流场区内，试验模型朝向风洞喷管设置；

4、高速地板模拟装置包括固定地板，固定地板内设有抽吸流道，所述抽吸流道由主流道、若干斜槽流道和若干v形流道构成，主流道沿气流流向设置，主流道的上游端封闭，主流道的下游端与抽吸管路的一端相连，抽吸管路上设有抽吸阀；

5、若干斜槽流道自固定地板的上游端部向下游排列设置，若干v形流道自固定地板的下游端部向上游排列设置，若干斜槽流道和若干v形流道抵近于固定地板的中部，若干斜槽流道的下端分别与主流道的上侧连通，若干斜槽流道的上端分别向上游倾斜，并穿透固定地板的上端面，v形流道包括上下设置的第一斜槽和第二斜槽，第一斜槽的下端和第二斜槽的上端连通，若干第二斜槽的下端分别向上游倾斜，并与主流道的上侧连通，若干第一斜槽的上端分别向上游倾斜，并穿透固定地板的上端面。

6、进一步的，斜槽流道与来流方向所夹的锐角小于45°。

7、进一步的，第一斜槽与来流方向所夹的锐角小于45°，第二斜槽与来流方向所夹的钝角大于130°。

8、进一步的，上支撑机构包括z向机构、x向机构、β机构、y向机构、α机构和γ机构；z向机构、x向机构和β机构的基座为水平方向，采用叠放的方式，从下到上依次叠加；y向机构和α机构的基座为竖直方向，从外到内嵌套连接；γ机构通过弯刀与α机构固定连接；

9、z向机构为第一级运动机构，实现z向运动，z向基座固定于试验段自由射流舱的顶部；x向机构为第二级运动机构，实现x向运动，x向基座放置在z向基座上面，并通过z向螺母和z向滑块固定连接；β机构为第三级运动机构，实现β角度运动，β基座放置在x向基座上面，通过β基座连接板与x向螺母和x向滑块固定连接；y向机构为第四级运动机构，实现y向运动，y向基座为n型，垂直穿过β运动平台，与β运动平台固定连接；α机构为第五级运动机构，实现α角度运动，α基座内嵌在y向基座中，通过y向螺母和y向滑块与y向机构固定连接，α基座上有α弧形滑块，α弧形滑块与弯刀固定连接；γ机构为第六级运动机构，实现γ角度运动，γ机构通过弯刀与α机构固定连接；

10、所述的z向机构的z向基座为内空的矩形箱体，将两根z向直线导轨分别布置在矩形箱体外侧，两根z向丝杠分别布置在矩形箱体内侧；每根z向直线导轨分别布置两个z向滑块，每根z向丝杠上布置一个z向电机和z向螺母；

11、所述的x向机构的x向基座为内空的矩形箱体，两根x向直线导轨布置在x向基座的内侧，两根x向丝杠平行布置在x向直线导轨旁边；每根x向直线导轨上分别布置四个x向滑块，每根x向丝杠上布置一个x向电机和x向螺母；

12、所述的y向机构的y向基座为中空的n形对称箱体，n形箱体两侧的中间区域分别布置一套y向电机、y向丝杠和y向螺母，每根y向丝杠两侧各布置一根y向直线导轨和两个y向滑块；

13、所述的β机构的β基座为一个内空的u形箱体，β丝杠和β螺母布置在u形箱体封闭的一侧，β丝杠旁边布置β直线导轨和两个β滑块，且β螺母和β滑块固定连接；u形箱体开口一侧和β直线导轨旁分别布置β弧形滑块，而β弧形滑块上布置三段β弧形导轨；β连杆一端与β滑块通过旋转副连接，另一端通过旋转副与β运动平台连接，同时β运动平台与β基座之间通过三段β弧形导轨连接；

14、所述的α机构的α基座为一个底部开口的内空矩形箱体，箱体内部两侧分别布置一根α直线导轨和两个α直线滑块，α直线导轨之间布置α电机、α丝杠和α螺母，α螺母与两侧的α直线滑块固定连接；两侧的α直线导轨下方分别布置一根α弧形导轨和两个α弧形滑块，α连杆一侧通过旋转副与α螺母连接，另一侧通过旋转副与α弧形滑块连接；

15、所述的γ机构包括弯刀、γ套筒、γ电机、γ减速机、γ主轴和尾支杆；弯刀与γ套筒固定连接，γ套筒与γ主轴通过轴承组件连接；γ主轴一端与尾支杆固定连接，另一端通过γ减速机与γ电机连接；γ电机通过γ减速机和γ主轴驱动尾支杆实现γ方向的滚转运动，试验模型与尾支杆相连。

16、进一步的，下支撑机构与上支撑机构的结构相同，下支撑机构的z向基座固定于试验段自由射流舱的底部，高速地板模拟装置与下支撑机构的弯刀相连。

17、本发明还提供了一种风洞试验地面高速弹射模拟方法，依托于上述一种风洞试验地面高速弹射模拟系统实现，包括如下步骤：

18、步骤一：根据试验需求设置试验模型的状态，通过上支撑机构调整试验模型的空间位置以及姿态角；

19、步骤二：根据模拟地面高速弹射的不同阶段，通过下支撑机构调整高速地板模拟装置的高度，使试验模型和高速地板模拟装置的相对位置达到需要模拟的弹射离地距离；

20、步骤三：通过上支撑机构调整试验模型，使试验模型产生的第一道激波打在若干v形流道设置的区域内；

21、步骤四：根据试验马赫数的不同，选择不同的抽气背压，对于马赫数大于3的试验，采用自由射流舱背压抽气的方式，将抽吸管路的另一端敞开，主流道的下游端通过抽吸管路与试验段自由射流舱连通；对于马赫数小于等于3的试验，抽吸管路的另一端与风洞的真空舱相连。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

23、1、上支撑机构可以根据试验模型的姿态需求对其进行俯仰、侧滑等姿态角的调节，也可以实现试验模型沿风洞风轴系的三个轴向移动，下支撑机构主要用于固定高速地板模拟装置，并对其高度进行调节。高速地板模拟装置的主要作用是准确模拟壁面的边界层发展位置以及发展过程。通过在固定地板上布置抽吸流道以及可以调节背压大小的抽吸管路和抽吸阀来实现对边界层发展过程的模拟。斜槽流道的主要作用是在抽吸阀调节背压的基础上实现对上游边界层的抽吸，以在模拟试验模型的发射过程中对前方来流不产生干扰；v形流道的作用是根据近壁面流动状态选择性的抽吸边界层气体，当在第一道激波反射点出现流动分离时，能够实现对分离流动的抽吸，从而抑制分离区的形成，当在第一道激波反射点无流动分离时，能够实现v形流道的自动封闭，不产生任何流动的抽吸效果，以模拟气流在第一道激波反射点位置处开始出现的边界层发展现象。本发明所提出的结构形式，没有复杂的作动控制机构，在工程实际应用中具有可操作性。