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)洞可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動氣體及被驅(qū)動氣體提供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)備主要分為儲氣罐、活塞驅(qū)動段、激波管被驅(qū)動段、膨脹加速段和實(shí)驗(yàn)段。其中活塞驅(qū)動段、激波管被驅(qū)動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)動膨脹管風(fēng)洞結(jié)構(gòu)簡圖

同時(shí)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)需要安裝傳感器進(jìn)行對出口處氣流狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測量，這就需要設(shè)計(jì)一種傳感器支架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。這種傳感器支架要做到耐高溫、耐高壓，并能安裝多種型號傳感器來滿足不同的實(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)度不會受到焊接影響。支架迎風(fēng)面設(shè)成V型，為減輕迎風(fēng)來流對支架的沖擊。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螺紋孔用來安裝傳感器套筒及尖錐螺栓，每兩個(gè)螺紋孔間距34mm。在螺紋孔底部設(shè)計(jì)了臺階用來固定傳感器，中間的通孔用來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，用來保護(hù)線路及減小氣流對支架的沖擊。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)

為測得膨脹管風(fēng)洞出口氣流的動壓值，目前使用的傳感器是美國PCB公司生產(chǎn)的PCB113B24型號傳感器。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，螺紋長度66mm，足夠長的螺紋保證了套筒安裝在主體支架上不會發(fā)生松動。筒身留有長5mm的凹槽，凹槽用來固定扳手，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，套筒頭部內(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并使傳感器能夠采集壓力信號。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，鈍頭體飛行器不會像尖頭體飛行器一樣造成熱累積，從而破壞飛行器的氣動外形[6]。球形鈍頭體可以根據(jù)使用的傳感器型號進(jìn)行更換，傳感器筒身也可以用來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在尖錐頂部產(chǎn)生氣流馬赫角，馬赫角會因不同馬赫數(shù)的氣流和尖錐角度的大小而改變。目前，國內(nèi)外已針對不同角度尖錐產(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如紋影系統(tǒng)等氣體流產(chǎn)光學(xué)觀測手段進(jìn)行測量。通過馬赫角的測量結(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，通過測量錐尖產(chǎn)生的氣流馬赫角可以判斷出氣流馬赫數(shù)，使用壓力傳感器測得的壓力信號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)確的對參數(shù)進(jìn)行測量。

圖4 錐形螺栓結(jié)構(gòu)圖

四、結(jié)束語

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)。