用于气动热地面模拟试验的对流-辐射耦合加热试验舱

技术领域

本发明涉及航天热动力试验装置技术领域，尤其是涉及一种用于气动热地面模拟试验的对流-辐射耦合加热试验舱。

背景技术

探月及星际返回的再入飞行器热防护设计时需要同时考虑对流加热和辐射加热，这两种加热方式的比例随飞行器的速度和高度而变化。在热防护材料地面模拟试验时，也需要对这两种加热方式进行试验考核。在飞行器热防护设计中，对流加热的主要机制是高温气流在热防护材料表面直接冲刷的对流换热作用进行的加热，在地面模拟试验中主要的试验手段为电弧风洞或燃气流试验装置；辐射加热的主要机制是高温气体离解、电离后对防热材料形成的辐射加热，在地面模拟试验中的主要试验手段为石英灯管、碳灯管和氙弧灯等。

飞行器在高速飞行时，对流加热和辐射加热是同时作用在热防护材料表面的。因此在进行气动热地面模拟试验时需要采用对流-辐射耦合加热试验试验技术，将上述两类加热方式结合起来。但是目前还未有一种能够将对流加热装置、多项辐射加热装置和试验模型可用的多个支架和送进装置等集成一体的试验舱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于气动热地面模拟试验的对流-辐射耦合加热试验舱，可将对流加热装置、多项辐射加热装置和试验模型可用的多个支架和送进装置等集成一体的试验舱。

根据本发明的一个目的，本发明提供一种用于气动热地面模拟试验的对流-辐射耦合加热试验舱，包括试验段前舱和试验段后舱，所述试验段后舱安装在所述试验段前舱的后侧，所述试验段后舱安装在外接的真空舱段上，所述试验段前舱前端设有喷管法兰，所述喷管法兰用于安装喷管，所述试验段前舱的圆锥面上均匀且交错地设置有若干观察窗和辐射窗，所述试验段后舱的圆柱壁面上设有不少于两个支架转接法兰，所述支架转接法兰上安装试验模型所用的支架和送进装置。

进一步地，所述试验段前舱为圆锥形结构，锥段半锥角不大于50°；所述试验段后舱呈圆柱形，所述试验段后舱与所述试验段前舱保持同轴。

进一步地，所述试验段前舱设有对流端转接口、观察窗转接口、辐射端转接口和试验段后舱接口；所述对流端转接口位于所述试验段前舱的前端，所述对流端转接口用于连接所述喷管法兰；所述观察窗转接口用于安装所述观察窗，所述辐射端转接口用于安装辐射转接法兰，所述辐射转接法兰用于安装所述辐射窗。

进一步地，所述观察窗转接口和所述辐射端转接口均匀且交错地分布于所述试验段前舱的圆锥面上。

进一步地，所述观察窗转接口和所述辐射端转接口内平面与所述试验段前舱外侧壁面沿线相切。

进一步地，所述观察窗转接口和所述辐射端转接口法线与所述试验段前舱外侧壁面的交点处于同一竖直平面上。

进一步地，所述观察窗和所述辐射转接法兰的数量大于等于4个。

进一步地，所述辐射端转接口为尺寸不小于直径Φ300mm的圆形，且所述辐射端转接口的中心法线不位于垂直于地面的平面上；所述辐射转接法兰与所述辐射端转接口处的观察玻璃相距不小于100mm。

进一步地，所述试验段前舱的后端设有用于安装所述试验段后舱的试验段后舱接口，所述试验段后舱接口垂直于所述试验段前舱圆锥侧壁的轴线且与所述试验段前舱圆锥侧壁的轴线同轴。

进一步地，所述试验段后舱设有试验段前舱接口、支架转接口、第二进水口、第二冷却水道、第二出水口和真空段接口；所述试验段前舱接口位于所述试验段后舱的前端，所述试验段前舱接口垂直于所述试验段后舱侧壁的轴线且与所述试验段后舱侧壁的轴线同轴；所述支架转接口至少有两个，所述支架转接口的中心法线位于垂直于地面的平面上；所述第二冷却水道集中分布于所述辐射端转接口所在母线附近，所述第二进水口和所述第二出水口分别连接所述第二冷却水道的两端，所述真空段接口位于所述试验段后舱的后端。

本发明的技术方案将一台对流加热装置和多台多种类型的辐射加热装置集成于一体，能够有效抵抗意外导致的高能对流或辐射加热。并且通过支架转接法兰能够同时安装多台、多种类型的试验模型支架和送进装置；试验段后舱安装在外接的真空舱段上能够使试验模型处于真空环境内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例试验段前舱的结构示意图；

图4为本发明实施例试验段前舱的剖视图；

图5为本发明实施例试验段后舱的结构示意图；

图6为本发明实施例图5中I处的局部放大图；

图中，1、试验段前舱；2、观察窗；3、喷管法兰；4、辐射转接法兰；5、试验段后舱；

51、试验段前舱接口；52、支架转接口；53、第二进水口；54、第二冷却水道；55、第二出水口；56、真空段接口；

6、支架转接法兰；7、舱段转接法兰；

8、对流端转接口；9、观察窗转接口；10、辐射端转接口；11、试验段后舱接口。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做出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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-图6所示，

一种用于气动热地面模拟试验的对流-辐射耦合加热试验舱，包括试验段前舱1和试验段后舱5，其中，试验段前舱1为圆锥形结构，锥段半锥角不大于50°。试验段后舱5呈圆柱形，直径不小于Φ1.2m，长度不小于1m，通过法兰安装在试验段前舱1的后侧，并与试验段前舱1保持同轴。

试验段前舱1设有对流端转接口8、观察窗转接口9、辐射端转接口10和试验段后舱接口11；

对流端转接口8位于试验段前舱1的前端，垂直于试验段前舱1圆锥侧壁的轴线且与其同轴，用于连接喷管法兰3。喷管法兰3通过螺栓，竖直安装在试验段前舱1前端，并与试验段前舱1保持同轴。喷管法兰3可根据试验需要的不同喷管适配不同形式的接口。喷管法兰3用于安装喷管，从加热器的喷管产生的来流对模型进行对流加热，用来产生高压高焓气流。

观察窗转接口9用于安装观察窗2，观察窗2用于观察模型试验过程中变化过程，还可以对试验过程进行录像，可用于复现试验现象。

辐射端转接口10用于安装辐射转接法兰4，辐射转接法兰4安装有辐射窗，辐射窗用于架设辐射氙灯，氙灯辐射加热器对防热材料进行辐射加热考核。

观察窗转接口9和辐射端转接口10均匀且交错地分布于试验段前舱1的圆锥面上；所有观察窗转接口9和辐射端转接口10内平面与试验段前舱1外侧壁面沿线相切；所有观察窗转接口9和辐射端转接口10法线与试验段前舱1外侧壁面的交点处于同一竖直平面上。本实施例中，观察窗2和辐射转接法兰4均匀分布于试验段前舱1的圆锥面上，且观察窗2和辐射转接法兰4的数量大于等于4个。本实施例中，辐射端转接口10为尺寸不小于直径Φ300mm的圆形，且所有辐射端转接口10的中心法线不位于垂直于地面的平面上。辐射转接法兰4与辐射端转接口10处的观察玻璃相距不小于100mm；观察窗转接口9和辐射端转接口10上安装具有试验所需透射波段和透射率的专用玻璃窗口。

试验段后舱接口11位于试验段前舱1的后端，垂直于试验段前舱1圆锥侧壁的轴线且与其同轴，用于安装试验段后舱5。

试验段后舱5设有试验段前舱接口51、支架转接口52、第二进水口53、第二冷却水道54、第二出水口55和真空段接口56；

试验段前舱接口51位于试验段后舱5的前端，垂直于试验段后舱5侧壁的轴线且与其同轴，接口形式与真空段接口56相匹配；支架转接口52至少有两个，其中心法线位于垂直于地面的平面上，且一个在靠近地面的下方，一个在远离地面的上方；

第二冷却水道54略集中分布于辐射端转接口10所在母线附近，并且整体相连，第二进水口53和第二出水口55分别连接第二冷却水道54的两端，真空段接口56位于试验段后舱5的后端，用于将试验舱整体安装在外接的真空舱段上。具体地，真空段接口56上设有舱段转接法兰7，舱段转接法兰7位于试验段后舱的后端面上。

试验段后舱5的圆柱壁面上设有不少于两个支架转接法兰6，在支架转接法兰6上安装试验模型所用的支架和送进装置。

试验段后舱5通过冷却水降温，冷却水从试验段后舱5的后转接法兰接管嘴进入，外表层布U型水道，覆盖舱体表面，从试验段后舱5前法兰接管嘴流出。

本发明装置的结构强度设计满足静压10Pa的使用环境，各部件之间采用氟橡胶密封件进行密封；所有采用焊接方式加工、连接的部件，其焊接面不能处在内壁面上。

本发明使用时，将试验舱通过舱段转接法兰7安装在外接的真空舱段上。在支架转接法兰6上安装试验模型所用的支架和送进装置，在辐射转接法兰4上安装辐射加热装置，在观察窗2上安装光学或其它非接触式测量和记录装置，在喷管法兰3上安装喷管和其它对流试验装置，最后将冷却水接入试验段前舱1和试验段后舱5上。

本发明多个辐射窗口可同时架设多台辐射加热装置；辐射窗口设置有四个，与观察窗口交叉均布于同一截面，既方便将多个辐射加热装置的加热效果进行叠加，又方便统一观察。

本发明位于不同位置上有多个支架转接法兰6，试验对不同的试验目的会架设不同的支架来完成试验，包括快速插入、补偿送进、带攻角机构支架等不同的模型支架系统。

本发明多个观察窗可架设多种观察设备，试验经常采用各种非接触测量(单比色、双比色高温计等)和观察检测设备(高温热像仪等)，多观察窗最大程度满足各类非接触测量观测要求；

本发明各部件间具有密封设计，密封设计是考虑负压，负压是为了试验模拟真空环境；舱段有水冷。水冷设计是为了减少恶劣环境对设备的损害，在热环境模拟试验中，不论是对流加热还是辐射加热都会对产生恶劣的高温试验环境，水冷能够尽量降低各类恶劣环境对设备带来的的考验。

本发明提供了一项可将对流加热装置、多项辐射加热装置和试验模型可用的多个支架和送进装置等集成一体的试验舱，是进行大功率对流加热、大功率及多频段辐射加热和多波段观察方式的气动热地面模拟对流-辐射耦合试验的基础设备。

本发明能够同时将一台对流加热装置和多台、多种类型的辐射加热装置集成于一体；能够同时安装多台、多种类型的试验模型支架；能够同时进行多种波段观察测量；能够使试验模型处于真空环境内；能够有效抵抗意外导致的高能对流或辐射加热。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。