QH-ETube膨脹管風(fēng)洞傳感器支架設(shè)計(jì)

(華北科技學(xué)院 河北 廊坊 065201)

一、引言

高超音速飛行器是指飛行馬赫在5馬赫以上的高速飛行器[1]。高超音速飛行器研究主要應(yīng)用于航天飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈以及航天器再入大氣層。目前，美、俄、德、英、日均有大量針對(duì)高超音速飛行器的新項(xiàng)目上馬[1-5]。高超音速設(shè)備的研制方法主要有數(shù)值模擬、風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)和真實(shí)氣體條件下的實(shí)物實(shí)驗(yàn)。其中，使用模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是整個(gè)高超音速飛行器設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一環(huán)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)飛行器設(shè)計(jì)的改進(jìn)有巨大幫助。

膨脹管風(fēng)洞是進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)的有效設(shè)備，膨脹管風(fēng)洞可以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣體及被驅(qū)動(dòng)氣體提供5-12馬赫的實(shí)驗(yàn)氣流，滿足高超音速飛行器實(shí)驗(yàn)?zāi)M的需求。

二、設(shè)計(jì)背景

QH-ETube是一座重活塞驅(qū)動(dòng)膨脹管風(fēng)洞，目前正處于設(shè)備調(diào)試階段。設(shè)備主要分為儲(chǔ)氣罐、活塞驅(qū)動(dòng)段、激波管被驅(qū)動(dòng)段、膨脹加速段和實(shí)驗(yàn)段。其中活塞驅(qū)動(dòng)段、激波管被驅(qū)動(dòng)段和膨脹加速段的管壁分別布置有傳感器接口，可以安裝壓力傳感器進(jìn)行壓力參數(shù)采集。

圖1 活塞驅(qū)動(dòng)膨脹管風(fēng)洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

同時(shí)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)需要安裝傳感器進(jìn)行對(duì)出口處氣流狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這就需要設(shè)計(jì)一種傳感器支架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。這種傳感器支架要做到耐高溫、耐高壓，并能安裝多種型號(hào)傳感器來(lái)滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。

三、傳感器支架設(shè)計(jì)

(一)支架主體設(shè)計(jì)

該支架主體選用16Mn鋼材料制成，16Mn鋼材料綜合性能好并被廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械的生產(chǎn)中。傳感器套筒和尖錐螺栓使用不銹鋼材料制成，防止因生銹等原因造成氣動(dòng)外形變化。

傳感器主體支架由整塊鋼板進(jìn)行線切割制成，整體線切割保證了材料的強(qiáng)度不會(huì)受到焊接影響。支架迎風(fēng)面設(shè)成V型，為減輕迎風(fēng)來(lái)流對(duì)支架的沖擊。QH-ETube膨脹管風(fēng)洞膨的脹加速段管壁內(nèi)徑為90mm，考慮到氣體邊界層的影響以及傳感器之間氣流干擾的影響，主體支架共布置了三個(gè)M18螺紋孔用來(lái)安裝傳感器套筒及尖錐螺栓，每?jī)蓚€(gè)螺紋孔間距34mm。在螺紋孔底部設(shè)計(jì)了臺(tái)階用來(lái)固定傳感器，中間的通孔用來(lái)布置傳感器的連接線。通孔與貫穿支架的方形槽相連，為安裝傳感器及更換其他種類測(cè)試設(shè)備提供了操作空間。支架底部鉆有φ20的通孔，同樣是為了提供走線的空間。支架主體兩側(cè)各有一 塊蓋板，用來(lái)保護(hù)線路及減小氣流對(duì)支架的沖擊。支架主體安裝在帶有12個(gè)M8螺紋孔的底板上，使用螺釘安裝在實(shí)驗(yàn)段底座上。主體支架背風(fēng)面安裝一塊肋板進(jìn)行支撐，主體與底板和肋板之間進(jìn)行焊接，采用這種結(jié)構(gòu)保證支架主體的穩(wěn)定性及垂直度。

圖2 傳感器支架主體結(jié)構(gòu)圖

(二)傳感器套筒設(shè)計(jì)

為測(cè)得膨脹管風(fēng)洞出口氣流的動(dòng)壓值，目前使用的傳感器是美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的PCB113B24型號(hào)傳感器。傳感器需要布置在傳感器支架的迎風(fēng)面，根據(jù)傳感器規(guī)格尺寸型號(hào)設(shè)計(jì)了可以安裝PCB傳感器的傳感器套筒，將傳感器固定在傳感器支架上。

圖3 傳感器套筒結(jié)構(gòu)圖

該套筒由套筒頭部與筒身兩部分構(gòu)成，筒身外部車有M18螺紋可以與主體支架相配合，螺紋長(zhǎng)度66mm，足夠長(zhǎng)的螺紋保證了套筒安裝在主體支架上不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。筒身留有長(zhǎng)5mm的凹槽，凹槽用來(lái)固定扳手，在安裝時(shí)達(dá)到緊固效果。套筒頭部為半徑6mm的半球形圓頭與圓柱體的結(jié)合體，套筒頭部?jī)?nèi)側(cè)有可以與PCB傳感器相配合的螺紋。半球形圓頭頂部開有小孔使氣流可以通過(guò)并使傳感器能夠采集壓力信號(hào)。選用半球形圓頭作為傳感器頭部套筒可以模擬鈍頭體飛行器，鈍頭體飛行器不會(huì)像尖頭體飛行器一樣造成熱累積，從而破壞飛行器的氣動(dòng)外形[6]。球形鈍頭體可以根據(jù)使用的傳感器型號(hào)進(jìn)行更換，傳感器筒身也可以用來(lái)安裝其他不同外形的飛行器模型。

(三)錐形螺栓設(shè)計(jì)

高速氣流沖擊尖錐會(huì)在尖錐頂部產(chǎn)生氣流馬赫角，馬赫角會(huì)因不同馬赫數(shù)的氣流和尖錐角度的大小而改變。目前，國(guó)內(nèi)外已針對(duì)不同角度尖錐產(chǎn)生馬赫角數(shù)大小有了詳細(xì)的研究[7-8]。氣流馬赫角可以通過(guò)如紋影系統(tǒng)等氣體流產(chǎn)光學(xué)觀測(cè)手段進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)馬赫角的測(cè)量結(jié)果和尖錐角度可以計(jì)算出氣流馬赫數(shù)。

傳感器支架上設(shè)計(jì)了錐尖角為30度的圓錐，通過(guò)測(cè)量錐尖產(chǎn)生的氣流馬赫角可以判斷出氣流馬赫數(shù)，使用壓力傳感器測(cè)得的壓力信號(hào)也可以推算出氣流馬赫數(shù)，將二者結(jié)合使用可以更準(zhǔn)確的對(duì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

圖4 錐形螺栓結(jié)構(gòu)圖

四、結(jié)束語(yǔ)

該支架保證了膨脹管風(fēng)洞可以安全穩(wěn)定底進(jìn)行多種工況實(shí)驗(yàn)，為QH-ETube的下一步調(diào)試打下基礎(chǔ)。