專利名稱：一種高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速飛行器超音速流場(chǎng)模擬技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及的是一種高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，可廣泛適用于高超音速飛行器超音速流場(chǎng)的地面模擬。
背景技術(shù)：
在航空領(lǐng)域中，高超音速飛行器需要經(jīng)過大量試驗(yàn)來考核飛行器氣動(dòng)性能及發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。按照研制的階段性和試驗(yàn)空間環(huán)境，可以將試驗(yàn)分成兩大類，即地面模擬和飛行試驗(yàn)。目前，地面模擬試驗(yàn)中能模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流和外流條件的主要有風(fēng)洞模擬試驗(yàn)和火箭橇滑軌試驗(yàn)。風(fēng)洞是用于地面模擬飛行器高空飛行姿態(tài)的最重要的氣動(dòng)模擬試驗(yàn)設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)超音速流場(chǎng)的地面模擬。作為重要地面模擬設(shè)備之一，爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞能夠很好地模擬出高超音速飛行器在高空飛行時(shí)的流場(chǎng)條件。激波風(fēng)洞是應(yīng)用適當(dāng)強(qiáng)度的入射激波壓縮被驅(qū)動(dòng)段內(nèi)的試驗(yàn)氣體，產(chǎn)生滿足要求的駐室狀態(tài)，而產(chǎn)生的高壓、高聲速驅(qū)動(dòng)氣體是激波風(fēng)洞研制的重要關(guān)鍵技術(shù)。已經(jīng)發(fā)展的高焓激波風(fēng)洞主要有三種驅(qū)動(dòng)方式:加熱輕氣體方式、自由活塞方式和爆轟驅(qū)動(dòng)方式。加熱輕氣體方式主要通過高熱比輕氣體的爆轟使氣體的速度達(dá)到超音速；自由活塞和爆轟驅(qū)動(dòng)方式主要通過產(chǎn)生高壓狀態(tài)的氣體驅(qū)動(dòng)被驅(qū)動(dòng)段的空氣達(dá)到超音速。爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞具有產(chǎn)生高焓試驗(yàn)氣流的能力強(qiáng)、提供的有效試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行成本低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。但爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞所需氣源系統(tǒng)很大，此種風(fēng)洞建設(shè)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)費(fèi)用高。同時(shí)為滿足長(zhǎng)時(shí)間、高馬赫數(shù)、高總壓的地面模擬試驗(yàn)，所需爆炸裝藥量非常大，設(shè)備的口徑及技術(shù)指標(biāo)很難滿足要求?；鸺粱壴囼?yàn)是將試驗(yàn)件置于滑軌上的滑橇上，通過滑橇尾部固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)滑橇的推進(jìn)，模擬試驗(yàn)件高速運(yùn)行的工作特性及空中姿態(tài)，考核試驗(yàn)件的工作性能。受到火箭撬推力和行程的限制，進(jìn)行較大尺寸的原型飛行器試驗(yàn)有較大難度。同時(shí)，火箭撬試驗(yàn)存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、安全性低等缺點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容:
本發(fā)明的目的由此產(chǎn)生，提供一種高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，通過采用爆轟和充壓共同驅(qū)動(dòng)的激波隧道，實(shí)現(xiàn)對(duì)秒級(jí)高超音速氣流的模擬試驗(yàn)，能夠真實(shí)模擬飛行器在空間中的流場(chǎng)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)高超音速飛行器氣動(dòng)性能及發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的檢驗(yàn)，提高能量利用率，降低試驗(yàn)成本，縮短試驗(yàn)周期。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的采取的技術(shù)方案是:一種高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其主要由設(shè)置在內(nèi)部不可更換的氣體動(dòng)力活塞形成段、驅(qū)動(dòng)段、被驅(qū)動(dòng)段和設(shè)置在外部可以置換的過渡段、噴管段和試驗(yàn)段組成，氣體動(dòng)力活塞形成段位于激波隧道尾部，其內(nèi)均布有多個(gè)氣體動(dòng)力活塞；所述驅(qū)動(dòng)段位于氣體動(dòng)力活塞形成段和被驅(qū)動(dòng)段之間，其內(nèi)徑截面為等截面段；所述被驅(qū)動(dòng)段的內(nèi)徑截面為由大到小的變截面段；所述過渡段連接在被驅(qū)動(dòng)段和噴管段之間，其內(nèi)徑截面也為由大到小的變截面段；在過渡段與噴管段的連接法蘭之間連接有密封膜片；所述的試驗(yàn)段位于噴管段的前面，用于固定高超音速飛行器。本發(fā)明所述氣體動(dòng)力活塞由氣體動(dòng)力活塞內(nèi)鋼板、高密度聚氨酯泡沫和氣體動(dòng)力活塞外包鋼板組成，其中，高密度聚氨酯泡沫位于氣體動(dòng)力活塞內(nèi)鋼板和氣體動(dòng)力活塞外包鋼板之間。本發(fā)明所述氣體動(dòng)力活塞形成段內(nèi)的氣體動(dòng)力活塞為七個(gè)，由氣體動(dòng)力活塞間柔性填充物支撐固定。本發(fā)明所述的氣體動(dòng)力活塞形成段、驅(qū)動(dòng)段和被驅(qū)動(dòng)段由內(nèi)鋼板和鋼筋混凝土組成。本發(fā)明所述噴管段為拉瓦爾噴管，其截面直徑為由小變大并具有流線性光滑曲面的鋼結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的試驗(yàn)段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的密封膜片為預(yù)拱膜片。本發(fā)明在所述密封膜片的凹面中心位置設(shè)置有切割機(jī)構(gòu)，所述切割機(jī)構(gòu)主要由藥托、起爆藥柱和柔性切割索組成，藥托的上端開口端留有翻沿，翻沿上均勻布置有藥托卡槽，藥托的下端設(shè)有雷管插孔，起爆藥柱放置在藥托內(nèi)，在藥托翻沿的藥托卡槽內(nèi)均設(shè)置有等長(zhǎng)的柔性切割索，柔性切割索由中心部位呈輻射狀向四周發(fā)射并與密封膜片緊密接觸。本發(fā)明通過在內(nèi)部設(shè)置的氣體動(dòng)力活塞形成段，采用延時(shí)爆炸控制技術(shù)精確控制氣體動(dòng)力活塞形成段內(nèi)部裝藥爆炸能量的釋放時(shí)間。利用氣體動(dòng)力活塞形成段的爆轟氣體，形成壓縮氣體動(dòng)力活塞，結(jié)合驅(qū)動(dòng)段內(nèi)部的高壓氣體，對(duì)高壓氣體釋放進(jìn)行有效控制。通過將風(fēng)洞試驗(yàn)中的加熱輕氣體、自由活塞和爆轟三種驅(qū)動(dòng)方式的有機(jī)結(jié)合，最大限度地利用設(shè)備中的能量，提高能量利用率，降低試驗(yàn)成本，縮短試驗(yàn)周期，尤其在實(shí)現(xiàn)超音速長(zhǎng)時(shí)間的流場(chǎng)模擬上是單一驅(qū)動(dòng)方式不可比擬的。通過采用爆轟和充壓共同驅(qū)動(dòng)的激波隧道，實(shí)現(xiàn)了對(duì)秒級(jí)高超音速氣流的模擬試驗(yàn)，能夠真實(shí)模擬飛行器在空間中的流場(chǎng)特性，以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)較高的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高超音速飛行器的強(qiáng)度和級(jí)間分離可靠性的考核，并檢驗(yàn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的可靠性。
圖1為本發(fā)明的激波隧道示意圖。圖2為圖1過渡段與噴管段連接示意圖。圖3為圖1氣體動(dòng)力活塞形成段的剖視圖。圖4為本發(fā)明氣體動(dòng)力活塞的布置示意圖。圖5-6為本發(fā)明密封機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、氣體動(dòng)力活塞形成段，2、驅(qū)動(dòng)段，3、被驅(qū)動(dòng)段，4、過渡段，5、噴管段，6、試驗(yàn)段，7、密封膜片，8、出入口，9、氣體動(dòng)力活塞內(nèi)鋼板，10、高密度聚氨酯泡沫，11、氣體動(dòng)力活塞外包鋼板，12、氣體動(dòng)力活塞間柔性填充物，13、氣體動(dòng)力活塞，14、起爆藥柱，15、藥托，16、雷管，17、柔性切割索。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明加以說明，但本發(fā)明不局限以下實(shí)施例。
本實(shí)施例所述的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道是一種融合了多種復(fù)合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)備。如圖1所示:主要包括氣體動(dòng)力活塞形成段1、驅(qū)動(dòng)段2、被驅(qū)動(dòng)段3、過渡段4、噴管段5及試驗(yàn)段6，氣體動(dòng)力活塞形成段1、驅(qū)動(dòng)段2和被驅(qū)動(dòng)段3是位于內(nèi)部不可置換的結(jié)構(gòu)，而過渡段4、噴管段5和試驗(yàn)段6是位于外部可以置換的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)段2和被驅(qū)動(dòng)段3由內(nèi)鋼板和鋼筋混凝土組成，該種結(jié)構(gòu)可以有效地降低爆炸引起的震動(dòng)效應(yīng)，同時(shí)能夠約束鋼板的變形，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗爆性能。氣體動(dòng)力活塞形成段I也是由內(nèi)鋼板和鋼筋混凝土組成，氣體動(dòng)力活塞形成段安裝了多個(gè)氣體動(dòng)力活塞13組成,氣體動(dòng)力活塞13由氣體動(dòng)力活塞內(nèi)鋼板9、高密度聚氨酯泡沫10和氣體動(dòng)力活塞外包鋼板11組成(如圖3所示)，其中，高密度聚氨酯泡沫10位于氣體動(dòng)力活塞內(nèi)鋼板9和氣體動(dòng)力活塞外包鋼板11之間；相比鋼結(jié)構(gòu)，由于高密度聚氨酯泡沫具有較好的吸能性能使該種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗爆性能。氣體動(dòng)力活塞13平行放置在激波隧道尾部，尾端封閉。本實(shí)施例在氣體動(dòng)力活塞形成段I內(nèi)均布有七個(gè)氣體動(dòng)力活塞13 (如圖4所示)，由氣體動(dòng)力活塞間柔性填充物12支撐固定。單根氣體動(dòng)力活塞13即可承受一定裝藥爆炸，在一定延時(shí)內(nèi)不會(huì)發(fā)生殉爆，并在結(jié)構(gòu)損毀后能夠更換。所述氣體動(dòng)力活塞形成段I的內(nèi)徑為等截面的圓形結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)段2位于氣體動(dòng)力活塞形成段I和被驅(qū)動(dòng)段3之間。所述驅(qū)動(dòng)段2的內(nèi)徑與氣體動(dòng)力活塞形成段I的內(nèi)徑相等的等截面段。所述被驅(qū)動(dòng)段3的內(nèi)徑截面由大到小的變截面段，該種截面能有效地提高該段的氣流速度，其中一端的內(nèi)徑與驅(qū)動(dòng)段2的內(nèi)徑相等，另一端的內(nèi)徑與過渡段4的最大內(nèi)徑相等，在被驅(qū)動(dòng)段3上設(shè)置有檢查出入口 8。過渡段4設(shè)置在被驅(qū)動(dòng)段3和噴管段5之間，與被驅(qū)動(dòng)段3通過法蘭連接，與噴管段5也通過法蘭連接。過渡段4為變截面鋼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑截面也為由大到小的變截面段，該種截面能有效地提高該段的空氣壓力和降低氣體的流量，其中一端的內(nèi)徑與被驅(qū)動(dòng)段3的最小內(nèi)徑相等、另一端的內(nèi)徑與噴管段5的最大內(nèi)徑相等。噴管段5為根據(jù)所需氣流馬赫數(shù)設(shè)計(jì)的拉瓦爾噴管，該噴管為一種截面直徑先變小后變大并具有流線性光滑曲面的鋼結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)可以將亞音速氣流變?yōu)槌羲偕踔粮叱羲贇饬鳌Ｔ谶^渡段4與噴管段5的連接法蘭之間固定連接有密封膜片7 (如圖2所示)。所述密封膜片7為預(yù)拱膜片，在密封膜片7的凹面中心位置設(shè)置有切割機(jī)構(gòu)，如圖5-6所示:所述切割機(jī)構(gòu)主要由藥托15、起爆藥柱14和柔性切割索17組成，藥托的上端開口端留有翻沿，翻沿上均勻布置有藥托卡槽，藥托的下端設(shè)有雷管插孔，起爆藥柱放置在藥托內(nèi)，在藥托翻沿的藥托卡槽內(nèi)均設(shè)置有等長(zhǎng)的柔性切割索。通過涂膠使柔性切割索17與藥托15、起爆藥柱14固結(jié)為一個(gè)整體。由此，柔性切割索17由中心部位呈輻射狀向四周發(fā)射，通過涂膠固定柔性切割索17的位置并使其與預(yù)拱膜片11緊密接觸。將雷管16插入藥托底部的雷管孔內(nèi)并加以固定。使用時(shí)，起爆雷管，按照雷管、起爆藥柱、柔性切割索的傳爆序列，柔性切割索爆炸產(chǎn)生的射流在膜片上形成由中心部位呈輻射狀的切割槽，在壓力系統(tǒng)的高壓氣體作用下，預(yù)起拱膜片發(fā)生翻轉(zhuǎn)彎曲大變形，并沿著切割槽撕裂開。由于切割槽是同時(shí)形成的，因此，膜片可實(shí)現(xiàn)完全開啟并不會(huì)產(chǎn)生碎片飛出。所述的試驗(yàn)段6為開敞空間的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，位于噴管段5的前面，用于固定高超音速飛行器。本實(shí)施例在使用時(shí)，通過出入口 8進(jìn)入激波隧道，檢查氣體動(dòng)力活塞1、驅(qū)動(dòng)段2、被驅(qū)動(dòng)段3和過渡段4內(nèi)潔凈程度，并對(duì)其進(jìn)行清掃。通過密封膜片7密封住氣體動(dòng)力活塞段1、驅(qū)動(dòng)段2、被驅(qū)動(dòng)段3和過渡段4，并在密封膜片7上安裝切割機(jī)構(gòu)，密封完成后，安裝噴管段5即完成對(duì)激波隧道主體結(jié)構(gòu)的組裝。此時(shí)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以單獨(dú)在七個(gè)氣體動(dòng)力活塞13，也可以單獨(dú)在驅(qū)動(dòng)段2內(nèi)，還可以在氣體動(dòng)力活塞13和驅(qū)動(dòng)段2內(nèi)安裝一定質(zhì)量的線形炸藥。運(yùn)用延時(shí)起爆技術(shù)分別設(shè)定氣體動(dòng)力活塞I或驅(qū)動(dòng)段2內(nèi)炸藥，及爆密封膜片
7上切割機(jī)構(gòu)的起爆時(shí)間。安裝完成后密封出入口 8，檢驗(yàn)雷管16正常與否，打開設(shè)置在驅(qū)動(dòng)段的充氣閥門，開動(dòng)空壓機(jī)向激波隧道內(nèi)充壓，待激波隧道內(nèi)的壓力達(dá)到50%設(shè)定值后，檢驗(yàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的密封性，如果密封不好對(duì)設(shè)備進(jìn)行再密封，保證整個(gè)設(shè)備氣密性，此時(shí)必須檢測(cè)雷管正常與否。待充氣壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉充氣閥門，再次檢測(cè)雷管的狀態(tài)正常與否，并開始對(duì)專用起爆器充電，充電完成后引爆密封膜片7上切割機(jī)構(gòu)的雷管、氣體動(dòng)力活塞I內(nèi)的炸藥或驅(qū)動(dòng)段2內(nèi)的炸藥，起爆完成后，激波隧道內(nèi)的空氣形成了超音速氣流為試驗(yàn)段的高超音速飛行器提供了穩(wěn)定的氣流來源。試驗(yàn)完成后，打開設(shè)在驅(qū)動(dòng)段的充氣閥門，打開設(shè)在驅(qū)動(dòng)段的排氣閥門和出入口 8，開動(dòng)充氣設(shè)備，把設(shè)備內(nèi)有毒氣體排出，并清理氣體動(dòng)力活塞1、驅(qū)動(dòng)段2、被驅(qū)動(dòng)段段3和過渡段4。
權(quán)利要求
1.一種高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其特征是:其主要由設(shè)置在激波隧道內(nèi)的氣體動(dòng)力活塞形成段(I)、驅(qū)動(dòng)段(2)、被驅(qū)動(dòng)段(3)和設(shè)置在激波隧道外的過渡段(4)、噴管段(5)和試驗(yàn)段(6)，氣體動(dòng)力活塞形成段在激波隧道尾部，其內(nèi)均布有多個(gè)氣體動(dòng)力活塞(13);所述驅(qū)動(dòng)段位于氣體動(dòng)力活塞形成段和被驅(qū)動(dòng)段之間，其內(nèi)徑截面為等截面段；所述被驅(qū)動(dòng)段的內(nèi)徑截面也為由大到小的變截面段；所述過渡段(4)連接在被驅(qū)動(dòng)段(3)和噴管段(5)之間，其內(nèi)徑截面也為由大到小的變截面段；在過渡段與噴管段的連接法蘭之間連接有密封膜片(7);所述的試驗(yàn)段(6)位于噴管段的前面，用于固定高超音速飛行器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其特征是:所述氣體動(dòng)力活塞(13)由氣體動(dòng)力活塞內(nèi)鋼板(9)、高密度聚氨酯泡沫(10)和氣體動(dòng)力活塞外包鋼板(11)組成，其中，高密度聚氨酯泡沫位于氣體動(dòng)力活塞內(nèi)鋼板和氣體動(dòng)力活塞外包鋼板之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其特征是:所述氣體動(dòng)力活塞形成段(I)內(nèi)的氣體動(dòng)力活塞(13)為七個(gè)，由氣體動(dòng)力活塞間柔性填充物(12)支撐固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其特征是:所述的氣體動(dòng)力活塞形成段1、驅(qū)動(dòng)段2和被驅(qū)動(dòng)段3由內(nèi)鋼板和鋼筋混凝土組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其特征是:所述噴管段(5)為拉瓦爾噴管，其截面直徑為由小變大并具有流線性光滑曲面的鋼結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其特征是:所述的試驗(yàn)段(6)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其特征是:所述的密封膜片(7)為預(yù)拱膜片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道，其特征是:在所述密封膜片(7)的凹面中心位置設(shè)置有切割機(jī)構(gòu)，所述切割機(jī)構(gòu)主要由藥托(15)、起爆藥柱(14)和柔性切割索(17)組成，藥托的上端開口端留有翻沿，翻沿上均勻布置有藥托卡槽，藥托的下端設(shè)有雷管插孔，起爆藥柱放置在藥托內(nèi)，在藥托翻沿的藥托卡槽內(nèi)均設(shè)置有等長(zhǎng)的柔性切割索，柔性切割索由中心部位呈輻射狀向四周發(fā)射并與密封膜片緊密接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開的高超音速飛行器地面模擬試驗(yàn)用激波隧道主要由設(shè)置在激波隧道內(nèi)的氣體動(dòng)力活塞形成段(1)、驅(qū)動(dòng)段(2)、被驅(qū)動(dòng)段(3)和設(shè)置在激波隧道外的過渡段(4)、噴管段(5)和試驗(yàn)段(6)，所述驅(qū)動(dòng)段的內(nèi)徑截面為等截面段；被驅(qū)動(dòng)段、過渡段的內(nèi)徑截面均為由大到小的變截面段；氣體動(dòng)力活塞形成段位于激波隧道尾部，其內(nèi)均布有多個(gè)氣體動(dòng)力活塞(13)；驅(qū)動(dòng)段位于氣體動(dòng)力活塞形成段和被驅(qū)動(dòng)段之間；過渡段連接在被驅(qū)動(dòng)段和噴管段之間，在過渡段與噴管段的連接法蘭之間連接有密封膜片；試驗(yàn)段位于噴管段的前面。本發(fā)明通過采用爆轟和充壓共同驅(qū)動(dòng)的激波隧道，實(shí)現(xiàn)對(duì)高超音速飛行器氣動(dòng)性能及發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的檢驗(yàn)，提高了能量利用率，降低了試驗(yàn)成本，縮短了試驗(yàn)周期。
文檔編號(hào)B64F5/00GK103091065SQ201310011489
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者趙強(qiáng), 辛凱, 董宏曉, 王天運(yùn), 劉瑞朝, 梁仕發(fā), 黃魁 申請(qǐng)人:中國人民解放軍總參謀部工程兵科研三所