膨脹管風(fēng)洞活塞驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)初步研究

呂治國,常 雨,鐘 涌,王東戰(zhàn),劉施然

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所,綿陽621000)

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膨脹管風(fēng)洞活塞驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)初步研究

呂治國,常 雨,鐘 涌,王東戰(zhàn),劉施然

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所,綿陽621000)

摘要：介紹了膨脹管風(fēng)洞運行原理、組成及其驅(qū)動方式比較，對適合于膨脹管風(fēng)洞的活塞驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明：采用背負(fù)式環(huán)向進(jìn)氣的活塞驅(qū)動技術(shù)方案，可簡化活塞驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低活塞驅(qū)動器制造難度，節(jié)省廠房面積；活塞本體采用分體設(shè)計除了降低使用成本外，還可降低撞擊力峰值，減輕或避免活塞撞擊對設(shè)備本體的損壞；隔振和滑動密封連接，降低設(shè)備運行沖擊載荷對測量結(jié)果的影響，提高膨脹管風(fēng)洞測量數(shù)據(jù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：膨脹管；高焓氣流；飛船返回艙；地面模擬試驗

1 引言

激波風(fēng)洞是實現(xiàn)高超聲速飛行器馬赫數(shù)模擬和雷諾數(shù)模擬的地面模擬設(shè)備,其馬赫數(shù)模擬是通過降低試驗氣體來流溫度來實現(xiàn)的,因而試驗氣流絕對速度并沒有達(dá)到飛行器的實際飛行速度,對于以高超聲速返回的飛行器,由于速度模擬方面的限制,在激波風(fēng)洞上很難進(jìn)行真實氣體效應(yīng)的研究。為了能夠?qū)崿F(xiàn)高超聲速真實飛行模擬條件,如速度(大于5 km/ s)、焓值(大于12.5 Mj/ kg)等,人們在激波風(fēng)洞基礎(chǔ)上,發(fā)展、研制成了膨脹管風(fēng)洞。雖然從設(shè)備結(jié)構(gòu)上看,膨脹管風(fēng)洞相比激波風(fēng)洞只增加了一段膨脹加速段,但其對試驗焓值和速度的提高卻是非常明顯的。與激波風(fēng)洞相比,膨脹管風(fēng)洞能夠?qū)崿F(xiàn)絕對速度模擬,因此能夠進(jìn)行高超聲速條件下所產(chǎn)生的真實氣體效應(yīng)方面的研究。目前,國外的膨脹管及膨脹管風(fēng)洞技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,并且在高超聲速的速度范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,如美國卡爾斯潘就有LENS X、LENS XX加熱氫氣驅(qū)動的膨脹管風(fēng)洞［1-7］、蘭利研究中心就有爆轟驅(qū)動的Hypulse雙模態(tài)運行膨脹管風(fēng)洞［8-10］,此外還有斯坦福大學(xué)的6英寸和伊利諾伊大學(xué)的HET輕質(zhì)氣體驅(qū)動的高焓膨脹管［11-12］等設(shè)備,澳大利亞就有活塞驅(qū)動的X1、X2、X3系列膨脹管(風(fēng)洞)［13-17］,日本也建設(shè)了活塞驅(qū)動的膨脹管［18-21］,國外這些膨脹管風(fēng)洞設(shè)備在超燃沖壓發(fā)動機、月球探測返回艙以及火星大氣層進(jìn)入飛行器等涉及高焓高超聲速飛行環(huán)境的試驗?zāi)M進(jìn)行了大量的研究；而我國在膨脹管設(shè)備建設(shè)方面只進(jìn)行了少數(shù)的驗證性研究工作［22-23］。為適應(yīng)我國航天事業(yè)發(fā)展需要,彌補空白,急需建設(shè)工程應(yīng)用型膨脹管風(fēng)洞設(shè)備。

建設(shè)膨脹管風(fēng)洞,首先需要確定驅(qū)動方式,除了采用常規(guī)驅(qū)動(輕質(zhì)氣體驅(qū)動)技術(shù)外,還可以采用加熱輕質(zhì)氣體驅(qū)動、燃燒驅(qū)動、爆轟驅(qū)動以及自由活塞驅(qū)動。通過對上述驅(qū)動方式的研究和分析［24-25］,為了得到更高的焓值,結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)成熟度等客觀條件,膨脹管風(fēng)洞宜采用自由活塞驅(qū)動技術(shù)。本文首先介紹膨脹管風(fēng)洞運行原理和組成；其次,簡單介紹適合于膨脹管風(fēng)洞的驅(qū)動方式。此后,對活塞驅(qū)動技術(shù)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析,提出初步解決方案,最后給出了初步結(jié)論。

2 膨脹管風(fēng)洞運行原理和組成

2.1 膨脹管風(fēng)洞運行原理

上個世紀(jì)50年代Resler和Bloxsom提出了膨脹管的概念［26］,用來突破反射型激波風(fēng)洞總焓的限制。此后,Robert L.Trimpi等人首先在理論上對膨脹管進(jìn)行了系統(tǒng)研究［27-28］,在膨脹管中,只有一小部分的能量來自于激波的壓縮,試驗氣流主要通過非定常膨脹波的加速達(dá)到高速的狀態(tài)。能量和總壓通過這種方式被加入到氣流當(dāng)中,雖然損失了試驗時間,但能夠保證試驗氣流不發(fā)生離解。

以常規(guī)的最簡單膨脹管運行為例,其運行過程如下：分別在高壓段中充入高壓輕質(zhì)氣體,在低壓段中充入低壓試驗氣體,在膨脹加速段中充入極低壓力的加速氣體或者直接通過抽真空的方式保留一定壓力的氣體。當(dāng)驅(qū)動段內(nèi)的驅(qū)動氣體壓力達(dá)到一定值時,控制主膜片破裂,在被驅(qū)動段的試驗氣體中立即產(chǎn)生第一道激波使試驗氣體的溫度和壓力升高,試驗氣體被第一次加速,此后激波通過全部試驗氣體后擊破聚酯膜片形成第二道激波,進(jìn)入膨脹加速段。與此同時有一逆流膨脹波(非定常膨脹波)形成,往后傳入試驗氣體,但由于試驗氣體的氣流是超聲速的,該非定常膨脹波僅往下游傳播,使試驗氣體第二次加速,在加速的同時,試驗氣體的溫度、壓力亦隨之下降。試驗氣體經(jīng)過上述兩次加速過程具有很高的速度和較高的焓值。膨脹管風(fēng)洞就是在膨脹管的基礎(chǔ)上增加噴管,除了可以擴大膨脹管的試驗流場均勻區(qū)外,還能在一定程度上延長膨脹管的試驗時間。膨脹管風(fēng)洞的運行原理與膨脹管類似,需要說明的是,經(jīng)過膨脹加速段的氣流速度已經(jīng)是高超聲速氣流,這個噴管與常規(guī)風(fēng)洞的噴管不同,它不再是傳統(tǒng)的收縮-擴張型的拉法爾噴管,而是沒有收縮段,類似于激波風(fēng)洞的直通型噴管。

活塞驅(qū)動膨脹管風(fēng)洞就是在常規(guī)運行的膨脹管風(fēng)洞基礎(chǔ)上,采用自由活塞作為膨脹管風(fēng)洞的驅(qū)動器,由此進(jìn)一步提高膨脹管風(fēng)洞設(shè)備的模擬能力。

2.2 膨脹管風(fēng)洞組成

膨脹管主要由供氣系統(tǒng)、洞體系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等組成。其中,供氣系統(tǒng)主要為膨脹管風(fēng)洞各部段提供所需要的氣體介質(zhì),一般情況均不在常壓(一個大氣壓)下提供所需氣體；洞體系統(tǒng),主要包括激波管驅(qū)動段、激波管被驅(qū)動段、膨脹加速段、噴管、試驗段等部段,主要作用是形成高超聲速高焓試驗氣流,為高超聲速飛行器地面模擬試驗提供飛行狀態(tài)下的流場環(huán)境；控制系統(tǒng),主要是控制膨脹管風(fēng)洞膜片夾緊、抽真空、充氣等過程,確保膨脹管風(fēng)洞在所需的狀態(tài)下安全運行；真空系統(tǒng),對膨脹管風(fēng)洞的激波管被驅(qū)動段、膨脹加速段和試驗段等抽真空,以滿足膨脹管風(fēng)洞運行壓力比的要求,確保試驗流場能夠建立起來；數(shù)采系統(tǒng)和測量系統(tǒng)就是滿足膨脹管風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集處理以及試驗測量的需要,為試驗研究提供高質(zhì)量的測量結(jié)果。常規(guī)運行的膨脹管風(fēng)洞結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。

3 膨脹管風(fēng)洞驅(qū)動方式簡述

高焓膨脹管風(fēng)洞可以采用的驅(qū)動方案有如下幾類：輕質(zhì)氣體驅(qū)動、電加熱輕質(zhì)氣體驅(qū)動、燃燒加熱輕質(zhì)氣體驅(qū)動、爆轟驅(qū)動、自由活塞驅(qū)動。對于同樣的壓力比,它們的驅(qū)動性能比較見圖2。

（2）第一類即時事類，在微信公眾號的運營方式方面，發(fā)布的新聞要求真實、可靠，要求能夠發(fā)布第一手信息，新聞的真實性、時效性，公眾號要打造自己專業(yè)的新聞團(tuán)隊，這樣不論是獲得的新聞的真實性還是新聞的時效性都會有保障，以此提升公眾號的運營。

圖1 膨脹管風(fēng)洞結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.1 Schematic of diagram of the expansion tunnel

圖2 幾種典型的驅(qū)動方式比較［29］Fig.2 Comparison of different driver methods［29］

從參數(shù)模擬能力、安全性和操作要求、建設(shè)成本和技術(shù)風(fēng)險等方面,上述幾種驅(qū)動方式的對比如表1所示。要想得到較高的參數(shù)模擬能力,自由活塞驅(qū)動技術(shù)是一種相對較好的方案。

表1 不同驅(qū)動方式比較Table 1 Comparison of different driver techniques

4 活塞驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 活塞驅(qū)動器結(jié)構(gòu)布局研究

活塞驅(qū)動可以采用單級活塞驅(qū)動,也可以采用雙級活塞驅(qū)動。通過與澳大利亞昆士蘭大學(xué)的Morgan教授交流得知：X2和X3膨脹管風(fēng)洞建設(shè)初期均是采用雙級活塞驅(qū)動,后來先后改為單級活塞驅(qū)動輕質(zhì)氣體的組合式驅(qū)動［30］,經(jīng)分析主要原因有兩個：首先,雙活塞的外活塞在壓縮氣體到一定程度時要停下來,這個過程會給設(shè)備帶來一些問題(即活塞對設(shè)備本體的撞擊問題,多次撞擊必然導(dǎo)致設(shè)備本體損壞,此外雙級活塞驅(qū)動還多了一級活塞的密封以及雙級活塞的匹配等技術(shù)問題)；其次,單活塞可以提高破膜壓力,從而提高驅(qū)動能力。

圖3給出了活塞驅(qū)動器工作原理示意圖。左端為儲存高壓空氣的容器,右端為壓縮管。利用高壓空氣(“r”狀態(tài))壓縮活塞,活塞在壓縮管內(nèi)快速向右運動,并將驅(qū)動氣體由初態(tài)(“i”狀態(tài))壓縮至終態(tài)“m”。壓縮過程是將高壓氣體內(nèi)能變成活塞動能,此后再將活塞的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動氣體內(nèi)能。

圖3 自由活塞驅(qū)動器工作原理示意圖Fig.3 The operation principle of the free piston driver

圖4和圖5分別給出了壓縮管驅(qū)動壓力與初始充氣壓力之比Pm/ Pi隨儲氣罐壓力與壓縮管初始充氣壓力之比Pr/ Pi和壓縮管驅(qū)動溫度與初始溫度之比Tm/ Ti隨Pr/ Pi變化關(guān)系。圖4表明：選擇適當(dāng)(壓縮比)Pr/ Pi,可由較低的Pr得到較高的Pm和Tm,即獲得較高的驅(qū)動參數(shù)。由圖5可以看出：Tm/ Ti隨Pr/ Pi近似呈線性增加。

圖4 Pm/ Pi隨Pr/ Pi變化曲線Fig.4 The variation curve between Pr/ Piand Pm/ Pi

活塞驅(qū)動器結(jié)構(gòu)主要包含儲氣罐(管)、活塞壓縮管、活塞本體,它們之間的布局和位置關(guān)系除了采用常規(guī)同軸布局外,還可以采用如圖6所示的背負(fù)式布局,即將儲氣罐背負(fù)于活塞壓縮管之上,儲氣罐與活塞壓縮管連接進(jìn)氣采用環(huán)向進(jìn)氣的方式。這兩種布局方式的技術(shù)特點是：常規(guī)同軸布局在結(jié)構(gòu)設(shè)計上相對要簡單一些,不過占用廠房的尺寸相對較大,需要大口徑快開閥門(或者類似能夠快速開啟的閥門裝置)；背負(fù)式布局的技術(shù)優(yōu)點就是占用的廠房相對要小,但需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮儲氣罐與活塞驅(qū)動段的軟連接以及克服質(zhì)心偏離設(shè)備軸線等技術(shù)問題［15］。

圖5 Tm/ Ti隨Pr/ Pi的變化關(guān)系Fig.5 The variation curve between Pr/ Piand Tm/ Ti

圖6 儲氣罐、壓縮管結(jié)構(gòu)背負(fù)式布局示意圖Fig.6 Layout of the high pressure gas tank and the compression tube

對于背負(fù)式結(jié)構(gòu)布局,活塞驅(qū)動器運行過程為：首先將活塞的初始位置置于儲氣罐(管)與壓縮管連接部位,打開儲氣罐(管)與壓縮管之間的閥門,利用活塞本體上兩層多道密封結(jié)構(gòu),將儲氣罐(管)與活塞壓縮管連接管道中的高壓驅(qū)動氣體密封,此后利用活塞后端的小流量高壓氣體,慢推活塞前進(jìn),一旦活塞本體上后端密封圈運動經(jīng)過儲氣罐(管)與活塞壓縮管的連接通孔部位,儲氣罐(管)中的活塞驅(qū)動氣體大流量涌入,推動活塞迅速壓縮前端的被壓縮氣體。儲氣罐(管)與活塞壓縮管之間連通管道的通氣橫截面積大于活塞壓縮管的橫截面積,使得連接管道不形成音速喉道冗塞,確保驅(qū)動氣體可以快速推動活塞。

活塞驅(qū)動段與儲氣罐采用背負(fù)式布局結(jié)構(gòu),可以相對較易安排儲氣罐與活塞驅(qū)動段,在設(shè)備廠房已建成或受限情況下,不僅可以節(jié)省廠房空間,還可以簡化儲氣罐與活塞驅(qū)動段的連接結(jié)構(gòu),采用環(huán)向進(jìn)氣腔,有利氣流均勻地進(jìn)入活塞驅(qū)動器。同時還可以利用活塞本體密封該進(jìn)氣腔,避免了同軸布局中儲氣罐與活塞驅(qū)動段之間的大口徑快速開啟閥門研制和維護(hù)保養(yǎng),可以在一定程度上節(jié)省設(shè)備建設(shè)和使用維護(hù)費用。

活塞本體可以采用輕重活塞兩種技術(shù)方案,輕重兩種方案的主要區(qū)別在于活塞結(jié)構(gòu)厚度或材料的不同,活塞的結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。為了便于重復(fù)使用或撞擊損壞后更換,降低活塞的使用成本,活塞采用分體結(jié)構(gòu),也就是活塞本體采用金屬材料,在前端(圖中右端)采用可更換的較軟的非金屬材料。

重活塞要求活塞運行速度相對較低,因此活塞結(jié)構(gòu)、振動隔離、防撞裝置等設(shè)計相對較容易；在同樣壓縮管長度以及相同壓縮比情況下,輕活塞則要求活塞運行速度較高,活塞驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計相對較困難,但它有一個較大的優(yōu)勢就是可以提供持續(xù)時間較長的壓力,因此可以延長膨脹管風(fēng)洞的有效運行時間,對于膨脹管風(fēng)洞這類極短試驗時間的設(shè)備,以及測試技術(shù)的發(fā)展,無疑具有較大的優(yōu)勢。重活塞技術(shù)是國際上膨脹管風(fēng)洞和高焓激波風(fēng)洞普遍采用相對較成熟的技術(shù),技術(shù)風(fēng)險相對較?。惠p活塞運行技術(shù)是國際上最近開展的研究,其中澳大利亞昆士蘭大學(xué)在X2膨脹管風(fēng)洞上已經(jīng)取得了相對較滿意的試驗結(jié)果［31］。

活塞驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點解決的是活塞運行過程中的隔熱密封和防撞等技術(shù)問題,隔熱密封從兩方面入手解決,一是活塞壓縮管采用不銹鋼材料,控制內(nèi)壁面的接縫臺階和光潔度,減小摩擦；二是活塞本體采用如圖7隔熱密封方式。

活塞本體材料則可選用鋁合金、不銹鋼材料、非金屬等材料?；钊獗砻姘惭b有兩道密封圈和兩道支撐環(huán),支撐環(huán)可以確保活塞在運動過程中始終處于活塞壓縮管的中心而不偏心,防止活塞偏心而帶來的密封圈磨損,有效延長密封圈的壽命。為了防止被壓縮后的高溫氣體接觸到橡膠密封圈而造成密封圈損壞,在活塞前端(與被壓縮氣體接觸端)采用銅合金隔熱圈進(jìn)行隔熱。

4.3 減振和隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

活塞驅(qū)動減振裝置的研制,主要采用以下技術(shù)方案：一是活塞防撞裝置,該裝置主要是為了防止活塞在壓力匹配失效情況下,高速撞擊壓縮管末端導(dǎo)致活塞體變形、卷邊卡死或壓縮管損壞等情況。活塞防撞主要在活塞本體上和壓縮管末端采取技術(shù)措施,其中,活塞本體的防撞可以采用分體活塞的結(jié)構(gòu)形式,也就是在活塞的前端(被壓縮氣體端面)采用一層硬度相對較低并方便更換的非金屬塊(如聚氨酯),該非金屬塊有一定程度的錐度或者倒角,增大撞擊的接觸面積。二是在活塞驅(qū)動段末端,采用與活塞相適應(yīng)的錐度或者倒角,使得活塞本體前端的非金屬材料可以較好地與驅(qū)動段末端配合接觸,減緩撞擊對壓縮管體設(shè)備的影響。

除了活塞驅(qū)動器結(jié)構(gòu)上采用上述技術(shù)措施外,在設(shè)備其他部段上還要采用以下方案,以協(xié)同解決風(fēng)洞運行時的振動問題：一,采用如圖8的低壓夾膜段結(jié)構(gòu),通過在上下游的激波管體之間加裝兩道橡膠墊達(dá)到將上游的振動隔離的目的；二,在噴管和試驗段法蘭的連接部分采用滑動密封連接,如圖9所示,將噴管與試驗段連接部分的支撐和密封分開,采用滑動支撐加金屬波紋管的技術(shù)方案,解決一體化滑動密封結(jié)構(gòu)中密封性能下降導(dǎo)致氣體(氫氣)泄漏的問題。

圖8 隔振結(jié)構(gòu)示意圖［31］Fig.8 The sketch map of the vibration insulation structure［31］

圖9 噴管和試驗段端頭法蘭盤連接示意圖Fig.9 The junction section of the nozzle and the adapting flange of test section

5 結(jié)論

通過對活塞驅(qū)動器技術(shù)涉及到的問題進(jìn)行研究,提出了解決膨脹管風(fēng)洞建設(shè)的重點關(guān)注問題的措施,如活塞驅(qū)動器布局設(shè)計、活塞本體、減振和防撞設(shè)計等,為膨脹管風(fēng)洞建設(shè)提供了技術(shù)支持,可以推動膨脹管風(fēng)洞建設(shè)。本項研究可以得到的初步結(jié)論有：

1)活塞驅(qū)動器的儲氣罐與驅(qū)動段布局采用背負(fù)式結(jié)構(gòu),結(jié)合環(huán)向進(jìn)氣方式,簡化了活塞驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,降低了活塞驅(qū)動器設(shè)計制造難度,節(jié)省了風(fēng)洞設(shè)備廠房面積,也降低了活塞驅(qū)動器的制造成本；

2)活塞本體采用分體設(shè)計除了避免整體活塞因撞擊變形而需要整體更換、降低使用成本外,還延長了活塞與設(shè)備相撞擊的時間,降低了撞擊力峰值,減輕或避免對活塞壓縮管末端的損壞；

3)采用在低壓夾膜段后安裝一個隔振段和在噴管與試驗段之間采用滑動密封連接的方案,降低設(shè)備運行沖擊載荷對測量結(jié)果的影響,提高膨脹管風(fēng)洞測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

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Primary Research on Key Technologies of Piston Driving in Expansion Tunnel

LYU Zhiguo，CHANG Yu，ZHONG Yong，WANG Dongzhan，LIU Shiran
（Hypervelocity Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China）

Abstract：The operation principle，composition，and driver methods of the expansion tunnel were introduced and the advantages and disadvantages of the different driver methods were compared.The research result showed that the adoption of back gas tank and annular gas inlet piston driver technology in expansion tunnel could simplify the design of the configuration，reduce the manufacturing difficulty of the piston driver，and save space in the expansion tunnel；the adoption of separate piston design could reduce the use-cost，decrease the peak clash force and thus avoid or reduce the damage from piston clashing；the vibration isolation and joint with slip and seal could reduce the effect of impact load on the measurement result，and thus improve the quality of the measurement data.

Key words：expansion tube；high enthalpy flow；reentry module of spaceship；ground simulation test

作者簡介：呂治國(1963-),男,博士,高級工程師,研究方向為高超聲速設(shè)備研制、氣動力測量、摩阻測量等。E-mail：lzgde2003＠126.com

收稿日期：2015-03-09；修回日期：2016-02-16

中圖分類號：O354.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0215-06