一种气动压力与气动热模拟试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于弹体气动环境模拟试验技术领域，具体涉及一种气动压力与气动热模拟试验装置及其试验方法。

背景技术

高速弹体在稠密大气中飞行过程中要承受激波所带来的气动压力与气动加热效果影响，恶劣的飞行环境条件对弹体表面材料、内部元器件将带来极大的考验。在实际飞行过程中，由于气动恶劣环境的存在，弹体表面承受复杂的热、力耦合环境，可能出现表面材料剥离、内部元器件失效等情况。因此对于弹体在气动环境下的性能研究尤为重要，目前常规试验手段为风洞试验验证，如激波风洞、电弧风洞等，这些风洞试验造价高昂，试验成本高，多用于大型飞行器等比模型测试，在小型零件测试上有着一定的局限性，需要研制一种低成本的试验系统以替代风洞试验测试，从而完成对于弹体表面及内部元器件在气动环境下的性能测试。

中国专利CN113640164B公开了《一种超高温风洞冲蚀试验系统》，包括燃料系统、冲蚀系统、冲蚀喷枪、试件工装和试验装置，冲蚀喷枪分别与燃料系统和冲蚀系统相连，冲蚀喷枪设置于提升旋转机构上，试件工装则设于所述提升旋转机构的一侧并与所述冲蚀喷枪的枪口相对置。该系统提供了一种提升旋转机构且将多组试件绕提升旋转机构环形设置，通过提升旋转机构带动高速冲蚀喷枪提升或旋转，既可以调整喷枪的角度及与不同试件间的相对位置，又能同时实现多组试件的冲蚀性能测试。但是该试验装置只能对待测对象的局部位置进行测试，在待测对象有限范围内产生局部的热力加载，试验所拥有的环境模拟能力有限，无法模拟待测对象在实际环境下所处温度场与压力场环境。

发明内容

本发明提出了一种气动压力与气动热模拟试验装置及其试验方法，以替代传统风洞试验，在实验室环境下还原弹体在实际飞行过程中受到的气动压力与气动热环境，从而降低试验成本，缩短试验周期，提高研究效率。

实现本发明的技术解决方案为：一种气动压力与气动热模拟试验装置，包括两个高压空气罐、燃料罐、氮气控制罐、气罐监测表、高压空气管路、燃料管路、氮气控制管路、燃气预混室、燃烧室、燃气压缩喷管、监测仪表、试验腔室、试验弹体、红外成像相机、热电偶传感器、散热腔室、压力传感器、燃气质量分数传感器。高压空气罐通过高压空气管路与燃气预混室连接，燃料罐通过燃料管路与燃气预混室连接，氮气控制罐通过氮气控制管路分别与高压空气管路、燃料管路连接，每个气罐上配有气罐监测表。燃气预混室上设有压力传感器和燃气质量分数传感器。燃气预混室通过管路与燃烧室相连，燃烧室内燃烧后的气体经过燃气压缩喷管进入试验腔室，试验腔室内设有试验弹体，试验腔室后端连接散热腔室，试验腔室上开有观察窗口，红外成像相机通过观察窗口拍摄试验弹体，热电偶传感器、监测仪表固定在试验腔室内，通过监测仪表监测进入试验腔室的燃气状态，通过热电偶传感器、红外成像相机监测试验过程与试验弹体的状态，实验过程中的废气通入散热腔室后排出。

一种气动压力与气动热模拟试验装置的试验方法，步骤如下：

步骤1、搭建气动压力与气动热模拟试验装置，通过进给装置调整试验弹体在试验腔室中的位置与姿态，安装试验所需的燃气压缩喷管。

步骤2、打开高压空气罐的开关阀对试验管路内部气体进行洗气，调节各条管路上调压阀的数值同时检查各仪器仪表工作状态，洗气结束后关闭高压空气罐的开关阀。

步骤3、接通散热腔室内部进水管，检查出水管及散热鳍片工作状态，装置进入待试验状态。

步骤4、试验开始后，打开高压空气罐、燃料罐和氮气控制罐的开关阀释放高压空气与燃料气体进入燃气预混室，氮气作为控制气体通过气动调压阀对进入燃气预混室的空气与燃料进行调节。通过燃气预混室上方所设压力传感器和燃气质量分数传感器监测燃气预混室内状态。

步骤5、释放燃气预混室中的预混气体进入燃烧室，通过电脉冲点火器将预混气体点燃，燃烧产生的燃气通过燃气压缩喷管进一步加压加速后进入试验腔室作用于试验弹体上。

步骤6、接通并调节加热线圈对试验弹体进行快速加热，使试验弹体表面温度呈梯度分布。

步骤7、记录各传感器试验过程数据：红外成像相机通过观察窗记录试验弹体温度分布数据，贴片式压力传感器采集试验弹体表面压力分布数据，试验腔室上方所设入口流量检测仪记录试验腔室入口燃气状态数据，热电偶传感器记录试验腔室内部温度数据。

步骤7、数据记录结束并备份后关闭燃料罐的开关阀，保持高压空气罐持续通入空气进行试验装置降温及洗气。

步骤8、通过热电偶传感器检测试验腔室内部温度恢复室温后关闭高压空气罐与氮气控制罐开关阀，断开进水管，并关闭各检测设备。将试验弹体取出，记录各气罐监测表数据，对各气罐进行补气。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）采用了氮气这一不可燃气体用作空气与燃料管路中气动调压阀的控制气体，增加了试验过程中气体调节的安全性。

（2）采用燃气预混室设计，通过燃气预混室条空气与燃料进气管路的不同位置分布使得燃料与空气在燃气预混室内实现自混合，得到更高的燃烧效率。

（3）利用燃气与加热线圈共同作用，能够实现试验弹体在处于高温高压流场下的同时对测试弹体表面温度进行局部控制使之呈梯度分布，准确模拟实际飞行过程中弹体表面的温度场与压力场分布。

（4）本试验装置及其试验方法能够对多种尺寸的弹体进行试验，并且通能够过调节燃料空气混合比例、预混压力、更换燃气压缩喷管尺寸、调节加热线圈频率、调整试验弹体所处实验腔室内的位置等方法现对测试弹体的高动态范围气动压力与温度环境参数试验。

附图说明

图1为本发明一种气动压力与气动热热环境模拟装置的整体斜视图。

图2为本发明一种气动压力与气动热热环境模拟装置的正视图。

图3为本发明一种气动压力与气动热热环境模拟装置的试验腔室剖视图。

图4为本发明一种气动压力与气动热热环境模拟装置的试验腔室斜视图。

图5为本发明一种气动压力与气动热热环境模拟装置的预混室斜视图。

图6为本发明一种气动压力与气动热热环境模拟装置的散热腔室剖视图。

图7为本发明一种气动压力与气动热热环境模拟装置的散热腔室斜视图。

图中1-高压空气罐，2-氮气控制罐，3-燃料气罐，4-开关阀，5-调压阀，6-燃料管路，7-氮气控制管路，8-气动调压阀，9-高压空气管路，10-单向调压阀，11-燃气预混室，12-质量流量监测器，13-燃烧室，14-电脉冲点火器，15-燃气压缩喷管，16-入口流量检测仪，17-试验腔室，18-散热腔室，19-热电偶传感器，20-红外成像相机，21-气罐监测表，22-加热线圈，23-试验弹体，24-进水管，25-出水管，26-散热鳍片，27-压力传感器，28-燃气质量分数传感器，29-主空气进气管路，30-三分燃料进气管路，31-进给装置，32-三分空气进气管路，33-贴片式压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

结合图1-图7，本发明一种气动压力与气动热热环境模拟装置，包括两个高压空气罐1、燃料罐3、氮气控制罐2、气罐监测表21、高压空气管路9、燃料管路6、氮气控制管路7、燃气预混室11、燃烧室13、燃气压缩喷管15、监测仪表16、试验腔室17、试验弹体23、红外成像相机20、热电偶传感器19、散热腔室18、压力传感器27、燃气质量分数传感器28。高压空气罐1通过高压空气管路9与燃气预混室11连接，燃料罐3通过燃料管路6与燃气预混室11连接，氮气控制罐2通过氮气控制管路7分别与高压空气管路9、燃料管路6连接，每个气罐上配有气罐监测表21；燃气预混室11上设有压力传感器27和燃气质量分数传感器28；燃气预混室11通过管路与燃烧室13相连，燃烧室13内燃烧后的气体经过燃气压缩喷管15进入试验腔室17，试验腔室17内设有试验弹体23，试验腔室17后端连接散热腔室18，试验腔室17上开有观察窗口，红外成像相机20通过观察窗口拍摄试验弹体23，热电偶传感器19、监测仪表16固定在试验腔室17内，通过监测仪表16监测进入试验腔室17的燃气状态，通过热电偶传感器19、红外成像相机20监测试验过程与试验弹体23的状态，实验过程中的废气通入散热腔室18后排出。

结合图1，所述气动压力与气动热热环境模拟装置利用高压空气罐1和燃料罐3提供空气与燃料在燃气预混室11混合后通入燃烧室13，燃烧产生的高温高压燃气经过燃气压缩喷管15后释放进入试验腔室17，对试验腔室17中心预先调节好位置姿态的试验弹体23进行冲蚀，在试验弹体表面形成气动压力场与气动热温度场环境，同时试验弹体23周围设有多组加热线圈22，对试验弹体23进行局部加热实现弹体周围的温度梯度分布，试验腔室17侧面设有观察窗口，通过红外成像相机20获取试验弹体23温度场分布，试验弹体23表面沿轴线方向分布多列贴片式压力传感器33，对试验弹体23各部位所受气动压力进行采集。本发明可替代部分传统风洞试验，在实验室环境下对试验弹体23进行气动热温度场与气动压力场的同时加载，还原弹体在实际飞行过程中受到的气动压力与气动热环境，试验过程产生的气动压力与气动热环境动态测试范围广、试验过程可控性强。

试验过程中对于高压空气用量大，故高压空气罐1为双气罐并独立配备压缩机，燃料罐3与氮气控制罐2为单气罐，所有罐体上分别设有开关阀4和调压阀5用于罐体出口处调压，气罐监测表21用于监测各气罐状态。

氮气控制罐2提供控制气体，通过氮气控制管路7分别控制高压空气管路9和燃料管路6上连接的气动调压阀8，对进入燃气预混室11的空气与甲烷压力进行独立调节。

结合图1和图5，燃气预混室11头部设有一条连通高压空气管路9和燃气预混室11的主空气进气管路29，主空气进气管路29上分出两条平行且对称分布于燃气预混室11两侧的三分空气进气管路32接入燃气预混室11的尾部；燃气预混室11顶部设有一条连通燃料管路6和燃气预混室11的三分燃料进气管路30，上述每条管路上均设有单向调压阀10，燃气预混室11内由主空气进气管路29和三分燃料进气管路30提供主要气体，再利用从尾部三分空气进气管路32注入的空气在燃气预混室11内加速流动促进空气与燃料混合。普通管路气体混合易出现各气体组分混合不均的情况，导致燃烧后释放气体所产生的压力场与温度场不均匀，通过特殊的管路设计使得空气与燃料混合更加均匀，燃烧后释放气体所产生的压力场与温度场更加均匀能够达到试验所需要求。

燃气预混室11上方设有压力传感器27和燃气质量分数传感器28，连接燃气预混室11与燃烧室13的管路上设有气动调压阀8和质量流量监测器12，当压力传感器27和燃气质量分数传感器28达到预设值时控制气动调压阀8释放混合后的气体进入燃烧室13，用燃烧室13内电脉冲点火器14点燃气体。

燃烧室13与燃气压缩喷管15相连，燃烧室13内点燃后的高温气体通过燃气压缩喷管15后喷入试验腔室17；燃气压缩喷管15内有拉瓦尔喷管结构，为可替换部件，可根据试验需要进行各尺寸的更换。

结合图1-图4，试验腔室17前端开有圆形孔洞与燃气压缩喷管15相连，试验腔室17内布置有进给装置31，可安装不同尺寸的试验弹体23并能够进行位置与姿态调节以满足不同试验需求，试验腔室17上方设有监测仪表16，对入口处燃气进气压力、输气流量等状态参数进行测量与记录，侧方设有热电偶传感器19对试验腔室17周向温度数据进行记录；试验腔室17侧面开有矩形观察窗口，窗口外布置有红外成像相机20通过窗口记录弹体周围温度场云图。

试验弹体23周向设有多组加热线圈22，控制不同线圈可以对试验弹体23实现表面温度梯度分布，模拟实际飞行过程中气动热温度场情况，试验弹体23表面沿母线方向设有多排贴片式压力传感器33，能够采集试验弹体23不同位置的表面压力参数，进而得到试验弹体23表面压力场分布情况。

结合图1和图5，散热腔室18与试验腔室17相连，连接处平行分布三排散热鳍片26，相邻两排散热鳍片26之间交错排列，散热鳍片26通过散热腔室18同一个侧壁上的进水管24与出水管25联通，通过散热鳍片26交错分布能够使试验腔室17流入的试验气流降低流速，并进行水冷散热。

本发明所述的一种气动压力与气动热模拟试验装置的试验方法，步骤如下：

步骤1、搭建气动压力与气动热模拟试验装置，通过进给装置31调整试验弹体23在试验腔室17中的位置与姿态，安装试验所需的燃气压缩喷管15。

步骤2、打开高压空气罐1的开关阀4对试验管路内部气体进行洗气，调节各条管路上调压阀5的数值同时检查各仪器仪表工作状态，洗气结束后关闭高压空气罐1的开关阀4。

步骤3、接通散热腔室18内部进水管24，检查出水管25及散热鳍片26工作状态，装置进入待试验状态。

步骤4、试验开始后，打开高压空气罐1、燃料罐3和氮气控制罐2的开关阀4释放高压空气与燃料气体进入燃气预混室11，氮气作为控制气体通过气动调压阀8对进入燃气预混室11的空气与燃料进行调节；通过燃气预混室11上方所设压力传感器27和燃气质量分数传感器28监测燃气预混室11内状态。

步骤5、释放燃气预混室11中的预混气体进入燃烧室，通过电脉冲点火器14将预混气体点燃，燃烧产生的燃气通过燃气压缩喷管15进一步加压加速后进入试验腔室17作用于试验弹体23上。

步骤6、接通并调节加热线圈22对试验弹体23进行快速加热，使试验弹体23表面温度呈梯度分布。

步骤7、记录各传感器试验过程数据：红外成像相机20通过观察窗记录试验弹体23温度分布数据，贴片式压力传感器33采集试验弹体23表面压力分布数据，试验腔室17上方所设入口流量检测仪16记录试验腔室17入口燃气状态数据，热电偶传感器19记录试验腔室17内部温度数据。

步骤7、数据记录结束并备份后关闭燃料罐3的开关阀4，保持高压空气罐1持续通入空气进行试验装置降温及洗气。

步骤8、通过热电偶传感器19检测试验腔室17内部温度恢复室温后关闭高压空气罐1与氮气控制罐2开关阀4，断开进水管24，并关闭各检测设备；将试验弹体23取出，记录各气罐监测表21数据，对各气罐进行补气。