一种大尺寸自由活塞驱动的高焓脉冲风洞装置的制作方法

本发明公布一种大尺寸（2~4m量级）自由活塞驱动的高焓脉冲风洞装置，涉及到风洞试验领域。本发明拥有4种运行模式，不仅仅能够提供极高压的气动环境，根据需求改变脉冲装置运行模式，还能够模拟第二宇宙速度。

背景技术：

1、随着先进高速飞行器的发展，对极高压和极高速的飞行环境有着强烈的需求。飞行器在大气层中飞行时，与大气相互作用而产生的力学、热学、光学和电学的物理现象，其流动机理不清楚，对高焓湍流、转捩、燃烧以及声学等现象物理建模不适当，需要开展来流速度（比焓）和双尺度参数ρl（ρ为密度，l为特征长度）的模拟。

2、与常规高速飞行器相比，先进高速飞行器面临的问题更加严峻，主要面临极高动压、极高温、极高速度、极高亮度的飞行环境，因此，地面模拟设备需要能够进行相关条件的匹配，为先进飞行器所需的飞行环境提供数据支撑。

3、对于自由活塞驱动的高焓脉冲风洞，风洞的模拟能力受到风洞运行模式的限制，模拟飞行区域高度和速度较窄，风洞运行时间较短，同时受到高温空气发生化学反应的影响，无法精确模拟飞行环境能力。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种大尺寸自由活塞驱动的高焓脉冲风洞装置，拥有高总压高焓反射型激波风洞、低离解高焓直通型激波管、超高速膨胀管和极高速膨胀风洞等4种运行模式，4种运行模式扩展了风洞模拟的飞行包线，使其能够较长时间模拟极高动压、极高温、极高速度、极高亮度的飞行环境，提高了风洞对飞行环境的模拟能力。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种大尺寸自由活塞驱动的高焓脉冲风洞装置，所述高焓脉冲风洞装置具备高总压高焓反射型激波风洞模式、低离解高焓直通型激波管模式、超高速膨胀管模式、极高速膨胀风洞模式四种运行模式；

4、所述高总压高焓反射型激波风洞模式的总压大于160mpa，焓值大于15mj/kg；低离解高焓直通型激波管模式的空气离解程度小于15%，焓值大于15mj/kg；超高速膨胀管模式的试验气体速度大于9km/s，极高速膨胀风洞模式的试验气体速度大于12km/s。

5、优选的，高总压高焓反射型激波风洞模式下，所述风洞装置包括自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、分布式配重块、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构、收缩扩张喷管和试验段、轨道系统、支撑系统、自由活塞装填装置；

6、自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构、收缩扩张喷管和试验段依次同轴连接；分布式配重块加载在压缩管、大夹膜机构和激波管上，限制风洞本体的移动；

7、支撑系统放置在轨道系统上，用于支撑自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、分布式配重块、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构、收缩扩张喷管和试验段构成的整体结构；

8、自由活塞装填装置在试验开始时向压缩管中安装自由活塞，试验结束后从压缩管中取出自由活塞；

9、压缩管末端和大夹膜机构以及激波管末端能够承受的总压大于160mpa；入射激波在激波管末端反射后，形成高温高压试验气体，流过收缩扩张喷管，进入试验段。

10、优选的，压缩管末端长度l2和激波管末端长度l1满足

11、

12、其中为压缩比，范围为40~60；为压缩管长度；为激波管长度，为反射系数，范围为20~30；

13、压缩管末端身管壁厚和激波管末端身管壁厚由下式计算：

14、

15、

16、其中为计算压力，≥160mpa；为压缩管管道内直径；为载荷组合系统；为所选择材料的设计应力强度；为激波管管道内直径。

17、优选的，压缩管末端和激波管末端采用锯齿段结构，且压缩管末端和激波管末端的锯齿段为开口螺母结构，螺母承受的应力小于材料的许用应力，开口螺母结构的螺杆螺纹段的危险截面面积为a7，，d7为螺杆螺纹小径；

18、通过下式计算危险截面的轴向应面应力：

19、

20、其中， f为螺杆承受的轴向应力， wt为螺杆螺纹段的抗扭截面系数， t为螺杆承受的扭矩。

21、优选的，低离解高焓直通型激波管模式下，所述风洞装置包括自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、分布式配重块、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构和试验段、轨道系统、支撑系统、重活塞装填装置；

22、自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构和试验段依次同轴连接；分布式配重块加载在压缩管、大夹膜机构和激波管上，限制风洞本体的移动；

23、支撑系统放置在轨道系统上，用于支撑自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、分布式配重块、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构和试验段构成的整体结构；

24、自由活塞装填装置在试验开始时向压缩管中安装自由活塞，试验结束后从压缩管中取出自由活塞；

25、入射激波在激波管末端不反射，直接形成空气离解程度小于15%的低离解试验气体，进入试验段。

26、优选的，超高速膨胀管模式下，所述风洞装置包括自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、分布式配重块、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构、加速管、小夹膜机构、试验段、轨道系统、支撑系统、重活塞装填装置；

27、自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构加速管、小夹膜机构和试验段依次同轴连接；分布式配重块加载在压缩管、大夹膜机构和激波管上，限制风洞本体的移动；

28、支撑系统放置在轨道系统上，用于支撑自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、分布式配重块、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构和试验段构成的整体结构；

29、自由活塞装填装置在试验开始时向压缩管中安装自由活塞，试验结束后从压缩管中取出自由活塞；

30、激波管中形成的入射激波强度在加速管中再次提高，形成高速气流，进入试验段。

31、优选的，极高速膨胀风洞模式下，所述风洞装置包括自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、分布式配重块、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构、加速管、小夹膜机构、无收缩扩张喷管、试验段、轨道系统、支撑系统、重活塞装填装置；

32、自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构、加速管、小夹膜机构、无收缩扩张喷管和试验段依次同轴连接；分布式配重块加载在压缩管、大夹膜机构和激波管上，限制风洞本体的移动；

33、支撑系统放置在轨道系统上，用于支撑自由活塞压缩器、自由活塞、压缩管、分布式配重块、大夹膜机构、激波管、中夹膜机构和试验段构成的整体结构；

34、自由活塞装填装置在试验开始时向压缩管中安装自由活塞，试验结束后从压缩管中取出自由活塞；

35、激波管中形成的入射激波强度在加速管中再次提高，形成高速气流，高速气流在无收缩扩张喷管再次提高，形成极高速气流，进入试验段。

36、优选的，自由活塞压缩器中的发射芯体最小通气横截面积a1是压缩管横截面积a4的1.5倍以上，即

37、a1≥ 1.5a4；

38、a1= n×d1× l

39、a4= 0.25π×d6×d6

40、其中，发射芯体通气孔面数为n，d6为压缩管管道内直径；

41、发射芯体横截面上靠近压缩管内径的通气孔宽度为d1，靠近压缩管外径的通气孔宽度为d2，其中d2≥2d1，发射芯体通气横截面上任意一点型面坐标( x， y)采用下式确定：

42、

43、其中θ为靠近压缩管外径的通气孔内型面切线与 x轴的夹角，d3为发射芯体的壁厚，x轴方向为靠近压缩管外径的通气孔与发射芯体截面外径的交点指向发射芯体轴心的方向，y方向垂直于x轴方向。

44、优选的，当风洞喷管驻室总压超过160mpa时，配重块整体质量超过280t时，风洞洞体整体位移小于80mm。

45、优选的，配重块能够自由组装集成，每个配重块质量不超过20t；在配重块安装位置，沿轴向安装的轨道系统是单位面积承受的质量大于100吨的重型导轨，重型导轨下方安装摩擦型轨枕。

46、优选的，支撑系统与轨道系统以质量大于500kg的重型摩擦型滑轮连接，增大风洞运行过程中与轨道系统的摩擦力。

47、优选的，激波管最佳长度由下式确定：

48、

49、其中，为激波管中入射激波马赫数，≥5；为大夹膜机构破裂后，自由活塞距离压缩管末端的距离；为压缩管中驱动气体的比热比；为压缩管管道内直径，为激波管管道内直径。

50、优选的，大夹膜机构为开口螺母型式，包括三段，段与段之间通过3/30度的锯齿螺纹连接，整体以机座型式架在轨道上；第一段和第二段之间的距离为2m，第二段和第三段之间的距离为6m，大夹膜机构的主膜片可以放置在第一段的前缘、第一段和第二段之间或第二段和第三段之间。

51、优选的，大夹膜机构的主膜片直径范围为0.8m~1.5m，中夹膜机构的膜片直径范围为0.5m~0.8m。

52、优选的，小夹膜机构的膜片直径范围为0.2m~0.5m。

53、优选的，加速管内径d9与激波管内径d5满足1≤d9/ d5≤2， 加速管的长度la满足60≤la/d9≤100。

54、优选的，无收缩扩张喷管为宽工况无收缩段的型面喷管，入口速度范围为3km/s~10km/s，入口无压缩波，出口流程均匀，气流在喷管中流动无紊乱。

55、本发明相对现有技术带来的有益效果为：

56、（1）1m量级以上的自由活塞驱动的高焓脉冲装置，运行模式为高总压高焓反射型激波风洞或极高速膨胀管运行模式，风洞模拟飞行包线较窄，模拟能力有限，为了提高风洞模拟能力，本发明设计高总压高焓反射型激波风洞、低离解高焓直通型激波管、超高速膨胀管和极高速膨胀风洞等4种运行模式。本发明不仅能为模拟宽区域极端的飞行环境，还能为飞行器研制提供高品质风洞试验气动数据，扩展高焓脉冲装置的试验能力。

57、（2）常规自由活塞驱动的高总压高焓反射型激波风洞，为了限制风洞位移，采用整体式配重块，但是整体式配重块限制了风洞不运行时风洞的运动，无法实现高焓脉冲装置的4种运行模式。本发明采用分布式配重块，风洞运行时限制风洞运动，风洞不运行时，方便移动，能够实现4种运行模式。