本發(fā)明涉及一種具備角度調(diào)節(jié)功能的超聲速風洞試驗段調(diào)節(jié)裝置，可用于激波反射、連續(xù)變馬赫數(shù)、測壓、進氣道等超聲速風洞特種試驗項目，屬于風洞試驗裝置設計領域。

背景技術：

激波作為空氣動力學的基本物理現(xiàn)象，具有重要的物理意義和學術研究價值，激波反射現(xiàn)象作為空氣動力學重要的研究領域，在物理研究中一直受到了廣泛的關注。

圖1(a)～圖1(f)是尖劈在二維流場中，來流Ma1與頭部激波的變化情況,其中，圖1(a)為當來流Ma1剛剛超過音速一點時，尖劈的前方出現(xiàn)一個離體激波；圖1(b)為Ma1速度繼續(xù)上升，離體激波向尖劈靠攏，發(fā)生彎曲；圖1(c)為Ma1速度繼續(xù)上升，激波從離體位置突然貼到尖劈前緣，形成斜激波AN；圖1(d)為Ma1速度繼續(xù)上升，激波AN的β角隨之減小。與此相對應的關系還有：圖1(e)為對應一定的Ma1，存在一個最大的尖劈角δmax，若尖劈角δ＜δmax，就形成一道貼在尖劈前緣的斜激波AN；圖1(f)為若尖劈角δ＞δmax，就形成一道立在尖劈前緣的弓形離體激波；

對于圖1(c)、圖1(d)、圖1(f)的情況，激波后氣體的速度方向變化量為δ，即氣流方向與尖劈斜面平行，激波后馬赫數(shù)和激波角可依據(jù)完全氣體的斜激波公式計算：

式中：

Ma1＝來流馬赫數(shù)

Ma2＝激波后馬赫數(shù)

δ＝尖劈角

β＝激波角

γ＝比熱比，對于空氣取為1.40

對于圖1(a)、圖1(b)、圖1(e)的情況，整個流場的計算很復雜，無法采用確切的計算公式計算激波后馬赫數(shù)和激波角，需要用計算流體力學計算或通過風洞試驗來驗證。

尖劈放在超聲速風洞中的示意如圖2(a)和圖2(b)所示。(a)當來流Ma1的馬赫數(shù)足夠大，產(chǎn)生原生激波AN，氣流折轉δ角后速度變?yōu)镸a2，但仍然是超聲速的。原生激波AN達到風洞壁后，N點的洞壁也相當于一個δ角的尖劈，只要Ma2不太低，氣流又會產(chǎn)生一道斜激波NQ，經(jīng)過NQ以后的氣流Ma3就和洞壁平行了。激波NQ稱為激波AN的反射波，這種反射稱為在直壁上的規(guī)則反射。(b)如果Ma2不夠大，第一道激波不可能伸到洞壁，可以沒有第二道斜激波，這時的反射波系如圖示意，N點是幾個激波的會合點，這相當于產(chǎn)生離體激波的情況。此外，還有各種類型激波的相交、反射等問題，稱之為激波的不規(guī)則反射。

激波反射問題廣泛存在于超聲速飛行器布局、發(fā)動機進氣道等工程應用方面。在研究此類問題時，一般采用測力、測壓方法，配合以紋影、油流等觀測手段，來研究特定模型比較宏觀的激波反射問題。關于激波反射形成流場的邊界條件、內(nèi)部結構分布等機理性的研究，雖然取得了不少認識，但仍然有有一些物理問題等待解決。如圖3示意的一種激波反射的典型內(nèi)部流場，可以看到流動產(chǎn)生了明顯分離，激波與邊界層之間的相互作用形成了復雜流場。如圖4示意的激波反射現(xiàn)象分類，可以看出激波反射的外在表現(xiàn)形式也多種多樣。研究者在研究激波反射的道路上，不斷地深化和拓展認識，圖4的分類內(nèi)容也在不斷地充實和豐富。研究激波反射的流場的邊界條件、內(nèi)部結構分布等機理性問題，通過計算流體力學的方法全面計算很復雜也十分困難，需要設計各種類型的試驗方案研究。

研究激波反射應用的一個例子是飛行器的結構設計。如果圖4示意的流場作用在飛行器表面，會造成飛行器表面結構的持續(xù)抖振，如果設計不當，飛行器表面結構有可能產(chǎn)生疲勞震動破壞，或大振幅振蕩破壞。

針對研究激波反射的機理性問題，常用的風洞測量技術是在風洞支架上安裝不同尖劈角δ的模型，通過紋影等手段觀察激波結構。這種方法存在著不足，第一是超聲速氣流的馬赫數(shù)間隔最小為0.25，還沒有達到研究激波反射問題所需要的馬赫數(shù)步長精度；第二是模型的尖劈角δ的變化是有步長跨度的，連續(xù)變化尖劈角δ的機構受限于模型體積無法實現(xiàn)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種具備角度調(diào)節(jié)功能的超聲速風洞試驗段調(diào)節(jié)裝置，該裝置可通過改變調(diào)節(jié)片的角度，制造出在一定角度和速度范圍內(nèi)連續(xù)可控的超聲速氣流，為研究激波反射的原理創(chuàng)造試驗條件。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種具備角度調(diào)節(jié)功能的超聲速風洞試驗段調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置包括轉動調(diào)節(jié)片、過渡調(diào)節(jié)片、弧形導軌、彈性梁、頂桿、拉線傳感器、橫梁、鉸鏈軸、框架、固定調(diào)節(jié)片和直線運動機構；其中，彈性梁固定安裝在風洞試驗段的底部位置，框架一端固定在彈性梁上，另一端通過鉸鏈軸與風洞擴開角機構相連；過渡調(diào)節(jié)片和固定調(diào)節(jié)片與框架固定連接；橫梁固定在風洞試驗段的底部位置；轉動調(diào)節(jié)片一端通過弧形導軌與過渡調(diào)節(jié)片連接，另一端通過頂桿與安裝在橫梁上的直線運動機構相連，直線運動機構通過頂桿帶動轉動調(diào)節(jié)片相對于過渡調(diào)節(jié)片一端旋轉；拉線傳感器主體固定在過渡調(diào)節(jié)片的側壁上，拉線端固定在轉動調(diào)節(jié)片端部，通過測量轉動調(diào)節(jié)片端部的位移換算成為轉動調(diào)節(jié)片相對于過渡調(diào)節(jié)片的角度，直線運動裝置調(diào)節(jié)轉動調(diào)節(jié)片相對于過渡調(diào)節(jié)片的角度至所需要的角度。

所述過渡調(diào)節(jié)片及固定調(diào)節(jié)片通過壓緊的方式與框架固定連接。

所述直線運動機構包括滾珠絲杠模組、減速機、伺服電機，伺服電機與減速機連接形成驅(qū)動源，減速機與滾珠絲杠模組配合連接，將電機的轉動轉為滾珠絲杠模組滑塊的直線運動。

所述頂桿、拉線傳感器、橫梁、直線運動機構均位于風洞試驗支架的一側，與風動測試支架不在同一個垂直平面內(nèi)。

所述轉動調(diào)節(jié)片與過渡調(diào)節(jié)片的夾角最大時，頂桿與滾珠絲杠模組遠離弧形導軌方向的夾角接近于90度，但不超過90度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是：

(1)、本發(fā)明現(xiàn)有超聲速試驗段的壁板是固定的，本發(fā)明在超聲速試驗段的壁板上安裝轉動調(diào)節(jié)片，通過轉動調(diào)節(jié)片轉動形成的角度，可以得到超聲速風洞試驗所需的特殊流場：首先是實現(xiàn)超聲速馬赫數(shù)1.5～4.5范圍內(nèi)的氣流速度連續(xù)變化，其次是實現(xiàn)研究激波反射所需要的連續(xù)變化尖劈角δ；

(2)、本發(fā)明最大程度地保留了原有風洞壁板的結構，在轉動調(diào)節(jié)片為0°的時候，與原有風洞的內(nèi)壁完全一致，不妨礙風洞開展其他試驗；

(3)、本發(fā)明的過渡調(diào)節(jié)片及固定調(diào)節(jié)片在框架上的固定方式為壓緊，可提高調(diào)節(jié)片安裝固定的效率；

(4)、本發(fā)明頂桿的瞬時角速度方向始終與轉動調(diào)節(jié)片轉動方向一致，并且頂桿的瞬心位置始終不超過頂桿上端在直線運動機構運動方向的垂直投影，保證了轉動調(diào)節(jié)片與滾珠絲杠模組(8)的滑塊位置具有唯一的對應關系；

(5)、本發(fā)明轉動調(diào)節(jié)片位于最大轉角的位置時，氣動力最大，而此時頂桿與的滾珠絲杠模組(8)角度μ接近90°，直線運動機構的直線驅(qū)動力最大程度地轉化為轉動調(diào)節(jié)片圍繞轉心轉動所需的轉矩，對于整套機構而言，雖然此時的氣動力很大但伺服電機所需提供的驅(qū)動力很小，從而有效減小了伺服電機的功率和體積。

(6)、本發(fā)明頂桿、拉線傳感器、橫梁、滾珠絲杠模組、減速機、伺服電機均位于風洞試驗支架的一側，與風動測試支架不在同一個垂直平面內(nèi)，確保了轉動調(diào)節(jié)片與支架可同時運動而不會發(fā)生干涉。

附圖說明

圖1(a)為來流馬赫數(shù)剛過音速，尖劈前方產(chǎn)生離體激波的示意圖；

圖1(b)為來流馬赫數(shù)剛過音速且稍大于圖1(a)的來流馬赫數(shù)，尖劈前方離體激波發(fā)生彎曲的示意圖；

圖1(c)為來流馬赫數(shù)繼續(xù)上升，尖劈前方激波從離體位置突然貼到尖劈前緣，形成斜激波AN的示意圖；

圖1(d)為來流馬赫數(shù)繼續(xù)上升，激波AN的β角相對于圖1(c)的β角減小的示意圖；

圖1(e)為尖劈角δ＜δmax產(chǎn)生斜激波AN的示意圖；

圖1(f)為尖劈角δ＞δmax產(chǎn)生離體激波的示意圖；

圖2(a)為斜激波的規(guī)則反射示意圖；

圖2(b)為一種斜激波的不規(guī)則反射示意圖；

圖3為斜激波內(nèi)部流場示意圖；

圖4為激波反射問題的分類圖；

圖5為一種具備角度調(diào)節(jié)功能的超聲速風洞試驗段調(diào)節(jié)裝置剖視圖。

圖6為直線運動機構的驅(qū)動力轉化為轉動調(diào)節(jié)片轉矩的受力示意圖；

圖7(a)為研究尖劈激波反射的風洞試驗示意圖；

圖7(b)為研究激波不規(guī)則反射的風洞測力測壓示意圖；

圖8為進氣道啟動特性示意圖；

圖9為研究進氣道啟動特性的風洞試驗示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

超聲速風洞試驗段的調(diào)節(jié)片在試驗期間作為風洞內(nèi)壁一般是固定不動的，本發(fā)明在現(xiàn)有調(diào)節(jié)片基礎上的改進，使原來其中的一片固定調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)片分為兩層成為過渡調(diào)節(jié)片和轉動調(diào)節(jié)片。過渡調(diào)節(jié)片位于下層，與剩余的固定調(diào)節(jié)片在框架上的連接方式為壓緊；轉動調(diào)節(jié)片位于上層，與過渡調(diào)節(jié)片之間安裝弧形導軌，其中導軌座固定在過渡調(diào)節(jié)片上，導軌固定在轉動調(diào)節(jié)片上，弧形導軌限制了過渡調(diào)節(jié)片只具有唯一的轉動自由度。弧形導軌的轉心位于轉動調(diào)節(jié)片前端與風洞內(nèi)壁接縫的直線處，從而保證轉動調(diào)節(jié)片在轉動期間，其前端始終與風洞內(nèi)壁終保持平齊，后端始終圍繞接縫旋轉。轉動的驅(qū)動力來源于直線運動機構帶動頂桿行走，從而帶動轉動調(diào)節(jié)片的一端旋轉，采用拉線傳感器敏感轉動調(diào)節(jié)片一端的位移。

如圖5所示，本發(fā)明提供了一種具備角度調(diào)節(jié)功能的超聲速風洞試驗段調(diào)節(jié)裝置，該裝置包括轉動調(diào)節(jié)片1、過渡調(diào)節(jié)片2、弧形導軌3、彈性梁4、頂桿5、拉線傳感器6、橫梁7、鉸鏈軸11、框架12、固定調(diào)節(jié)片13和直線運動機構。本發(fā)明直線運動機構是由伺服電機、減速機、滾珠絲杠模組組成。針對亞跨超風洞的特點，其超聲速試驗段由可更換上下壁板和固定側壁板組成。

彈性梁4固定安裝在風洞試驗段的底部位置，框架12一端固定在彈性梁4上，另一端通過鉸鏈軸11與風洞擴開角機構相連，擴開角機構拉伸框架12后端，與框架12前端相連的彈性梁4產(chǎn)生彈性變形，形成風洞試驗所需的擴開角，彈性梁4的彈性變形不會影響風洞流場的品質(zhì)；過渡調(diào)節(jié)片2和固定調(diào)節(jié)片13與框架12固定連接，構成固定壁板；轉動調(diào)節(jié)片1一端通過弧形導軌3與過渡調(diào)節(jié)片2連接，所述弧形導軌3轉心位于轉動調(diào)節(jié)片1與彈性梁4的接縫處，另一端通過頂桿5與直線運動機構相連；滾珠絲杠模組8、減速機9和伺服電機10通過螺釘與橫梁7連接固定，伺服電機10與減速機9通過螺釘連接形成驅(qū)動源，減速機9與滾珠絲杠模組8通過定位鍵配合連接，將電機的轉動轉為滾珠絲杠模組8滑塊的直線運動；轉動調(diào)節(jié)片1通過螺釘與弧形導軌3固定，同時與彈性梁4連接形成運動調(diào)節(jié)片系統(tǒng)。運動調(diào)節(jié)片系統(tǒng)與直線運動機構之間通過頂桿5連接并利用銷釘固定，滾珠絲杠模組8滑塊的直線運動通過頂桿5帶動轉動調(diào)節(jié)片1相對于過渡調(diào)節(jié)片2一端旋轉；拉線傳感器6主體固定在滾珠絲杠模組8的滑塊上，拉線端固定在轉動調(diào)節(jié)片1上用于實時測量轉動調(diào)節(jié)片1形成的角度。

一方面，轉動調(diào)節(jié)片一端的位移變化量就是拉升傳感器繩子長度的變化量，通過測控系統(tǒng)讀取拉線傳感器輸出電壓的增量(ΔUo)，并通過高精度水平儀檢測此時轉動調(diào)節(jié)片的角度(δ)，就可以得到ΔUo--δ的公式；

另一方面，只要頂桿與滾珠絲杠模組滑塊的角度不超過90°，滾珠絲杠模組滑塊的位置與轉動調(diào)節(jié)片的角度(δ)也具有唯一的對應關系，反映在控制方面就是伺服電機的輸出脈沖數(shù)(P)與轉動調(diào)節(jié)片的角度(δ)唯一對應，在前邊標校ΔUo--δ公式的時候，伺服電機每一次都輸出了一定的脈沖數(shù)(P)，因此就可以得到P-ΔUo--δ的公式。伺服電機的輸出脈沖數(shù)(P)是發(fā)出的控制信號，拉線傳感器電壓的增量ΔUo是反饋的控制信號，轉動調(diào)節(jié)片的轉動角度是通過拉線傳感器電壓的增量ΔUo計算得到的，從而實現(xiàn)了伺服電機的閉環(huán)控制。

所述過渡調(diào)節(jié)片2及固定調(diào)節(jié)片13通過壓緊的方式與框架12固定連接，可提高調(diào)節(jié)片安裝固定的效率。

所述頂桿5、拉線傳感器6、橫梁7、滾珠絲杠模組8、減速機9、伺服電機10均位于風洞試驗支架的一側，與支架不在同一個垂直平面內(nèi)，確保了轉動調(diào)節(jié)片1與支架可同時運動而不會發(fā)生干涉。

所述轉動調(diào)節(jié)片1在承受最大氣流載荷的最大轉角位置，頂桿5與滾珠絲杠模組8的角度接近90度，只需很小的驅(qū)動力就可實現(xiàn)調(diào)節(jié)片的轉動，從而使伺服電機10、減速機9轉矩、功率、體積大大減小，

所述轉動調(diào)節(jié)片1位于最大轉角的位置時，氣動力最大，而此時頂桿5與滾珠絲杠模組8遠離弧形導軌3方向的夾角μ接近90。頂桿的瞬時角速度方向始終與轉動調(diào)節(jié)片轉動方向一致，并且頂桿的瞬心位置始終不超過頂桿上端在直線運動機構運動方向的垂直投影。

如圖6所示，滾珠絲杠模組8的直線驅(qū)動力F_l與圍繞轉心o的轉矩Mo之間的關系為：

式中，L為過弧形導軌轉心到鉸鏈軸11與框架12的連接處距離。

此時，cosμ接近于0，Mo理論上接近于無窮大，也就是說直線運動機構的直線驅(qū)動力Fl最大程度地轉化為轉動調(diào)節(jié)片圍繞轉心轉動所需的轉矩Mo，對于整套機構而言，雖然此時的氣動力很大但伺服電機所需提供的驅(qū)動力很小，從而有效減小了伺服電機的功率和體積。

本發(fā)明具有精確調(diào)節(jié)風洞流場的功能，可應用于激波反射、連續(xù)變馬赫數(shù)等研究項目，也可用于測壓、進氣道等超聲速風洞特種試驗，有效地拓展風洞試驗的能力。風洞試驗過程中，上述裝置的主要作用是控制轉動調(diào)節(jié)片1轉動試驗所需的角度。

在開展激波反射機理性研究的風洞試驗中，可以開展的試驗類型如圖7(a)和7(b)所示。

第一種是在風洞中研究尖劈模型的激波反射，根據(jù)斜激波公式的計算結果，改變不大于10°的轉動調(diào)節(jié)片角度就可以控制激波后的氣流速度與下一個噴管的速度搭接上，在兩個噴管馬赫數(shù)的區(qū)間內(nèi)，激波后的馬赫數(shù)Ma2是連續(xù)變化的，從而在超聲速馬赫數(shù)1.5～4.5范圍內(nèi)的實現(xiàn)氣流速度連續(xù)變化，達到研究此類問題所需的馬赫數(shù)步長精度問題；

第二種是尖劈角δ變化對激波反射流場的研究，此時將轉動調(diào)節(jié)片視作模型或者在轉動調(diào)節(jié)片上安裝類似模型，實現(xiàn)連續(xù)變化尖劈角。這種方法等效于將模型與風洞垂直方向的距離放大了一倍，有利于提高試驗的效果。

超聲速沖壓進氣道是利用激波反射特性的一個例子，這種進氣道利用自身壓縮結構，將遠方超聲速氣流多次反射后轉化為勢能，達到提高氣流壓強的目的，使沖壓發(fā)動機具有相對寬廣的馬赫數(shù)工作范圍。啟動特性是沖壓進氣道的設計中的關鍵問題，當進氣道未啟動時，進口前形成離體激波，多余的氣體溢出口外。而當來流馬赫數(shù)達到啟動馬赫數(shù)時，氣體全部撞入喉道通過，進口前的離體激波被吸入進氣道擴張段，建立起正常的工作狀態(tài)，進氣道啟動。從流量系數(shù)看來，此時的流量系數(shù)突然躍升，如圖8所示。進氣道的關閉過程可看做是啟動過程的逆過程，而關閉馬赫數(shù)與啟動馬赫數(shù)有一定的差別，這種差別叫做進氣道的遲滯效應。要使進氣道處于穩(wěn)定的范圍運行，非常有必要準確測量進氣道的啟動關閉相關參數(shù)。

在開展沖壓進氣道啟動特性研究的風洞試驗中，如圖9所示，轉動調(diào)節(jié)片之后的流場Ma2可以實現(xiàn)連續(xù)變馬赫數(shù)，從而在超聲速馬赫數(shù)1.5～4.5范圍內(nèi)的實現(xiàn)氣流速度連續(xù)變化，達到研究此類問題所需的馬赫數(shù)步長精度問題。在調(diào)節(jié)片形成的傾斜流場內(nèi)，在風洞支架上安裝進氣道模型，就可以完成進氣道啟動性能試驗。

本發(fā)明未進行詳細說明的內(nèi)容屬于本領域公知常識。