超音速气膜冷却实验系统技术方案

一种超音速气膜冷却实验系统，主要用于超音速气膜冷却技术的实验研究，在该系统上可以研究冷却射流的马赫数、入射角、侧向倾角等因素对超音速气膜冷却效果的影响。一个小型燃气发生器，以氢气、氧气为燃烧介质，能生成温度为２０００Ｋ的燃气，燃气经过一个拉法尔喷管加速到马赫数２。在拉法尔喷管的出口处连接射流生成器和实验管，冷却用的空气通过射流生成器生成一股超音速射流喷入实验管，形成一束气膜覆盖在实验管表面。实验管背壁焊接２５个Ｋ型热电偶，用来测量气膜覆盖下的壁面温度分布。热电偶等传感器的信号经数据采集设备传输到计算机，实验软件对其处理并显示。实验软件发出控制指令，并通过阀门驱动装置控制系统各阀门的开与关。

【技术实现步骤摘要】
超音速气膜冷却实验系统
本专利技术涉及导弹等大气层内的高速飞行器外表面以及火箭发动机内表面的热防护技术， 用于超音速气膜冷却技术的实验研究。
技术介绍
导弹等高速飞行器在大气层中飞行时，头锥的外表面由于受到气动加热，其温度可以达 到2000K以上，由于导弹的结构材料承受不了这么高的温度，因此必须对导弹的外表面采取 热防护措施。液体火箭发动机的内表面暴露在温度达3000K的高温燃气下，也必须对其采取 热防护措施。超音速气膜冷却技术是可行的热防护措施之一。超音速气膜冷却技术，其原理是在被保护的结构表面射入一层超音速的冷却气流，将壁 面与高温气体隔开，从而对壁面起到热防护的作用。高温的气体称为主气流，用于冷却的超 音速气流称为冷却射流。冷却射流与主气流在流向面内的夹角称为入射角，冷却射流与主气 流在垂直于流向面内的夹角称为侧向倾角。目前，国内超音速气膜冷却技术的研究主要依靠计算机仿真的方法，主要是研究不同的 冷却射流马赫数、不同的入射角、不同的侧向倾角对冷却效果的影响，多用被冷却面的温度 分布来衡量。在文献韩启祥等，超音速射流气膜冷却效果的试验研究，南京航空航天大学 学报，30(5), 1998中叙述了一种以电加温器加热空气的方法来模拟热环境，以空气作为冷却 射流的超音速气膜冷却实验设备，研究了不同的槽缝结构的射流孔对超音速气膜冷却效果的 影响。已有的实验系统一方面对热环境的模拟能力有限，另一方面仅能开展槽缝结构对冷却效 果的影响，不能对超音速气膜冷却技术开展系统的实验研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超音速气膜冷却实验系统，为开展超音速气膜冷却技术的研 究提供一个实验平台。本专利技术的技术方案是以氢气、氧气为燃烧介质，喷入一个小型的燃气发生器，并在燃 气发生器内燃烧，生成温度约为2000K的燃气，燃气经过一个拉法尔喷管加速到马赫数2。 在拉法尔喷管的出口处连接射流生成器和实验管，冷却用的空气或氮气通过射流生成器生成 一股超音速冷却射流喷入实验管，形成一東气膜覆盖在实验管表面。实验管背壁焊接25个K 型热电偶，用来测量气膜覆盖下的壁面温度分布。热电偶等传感器的信号经数据釆集设备传 输到计算机，实验软件对其处理并显示。实验软件发出控制指令，并通过闽门驱动装置控制 系统各阀门的开与关。具体的技术方案为超音速气膜冷却实验系统，以氢气、氧气为燃烧介质，分别由氢气 供应系统、氧气供应系统来存储和供应，并控制压力和流量。氢气通过一个离心喷嘴喷入燃 气发生器，氧气通过一个环形直流喷孔喷入燃气发生器。燃气发生器出口处依次连接拉法尔 喷管、射流生成器和实验管。氢气、氧气喷入燃气发生器后，在燃气发生器内混合，并被一个火药点火器点燃，生成 温度约为2000K的燃气，该燃气通过拉法尔喷管加速到马赫数2，形成高温高速的主气流喷 入实验管。冷却用的空气(或氮气)，由空气氮气供应系统存储和供应，并以一定压力进入射流生成 器，并通过射流生成器的射流孔喷入实验管，在实验管表面形成一股超音速冷却气膜，将高 温高速的主气流与实验管的金属壁面隔开。射流生成器可更换，通过更换不同的射流生成器， 能生成马赫数l、马赫数2，入射角-5° 、 0° 、 5° 、 15° ,侧向倾角O。 、 15° 、 30°的冷 却射流。实验管的材料为不锈钢，壁厚2.5亳米，在实验管的外表面，沿流向焊接25个K型 热电偶，用来测量实验管表面的温度分布。温度、压力和流量等测量信号，用两线制传输系 统及数据采集设备传输给计算机，实验软件对信号进行处理并显示。实验过程中，软件发出 控制指令，并通过阀门驱动装置来控制系统各个阔门的开启与关闭。本专利技术的有益效果是提供了一种超音速气膜冷却实验平台，在该实验系统上能够进行 空气和氮气的不同马赫数、不同入射角、不同侧向倾角的超音速气膜冷却实验，并通过现代 传感与控制技术，能够实现实验过程的自动运行，实验数据的自动处理，具有较高的自动化 水平，并获得比较准确的实验数据。附图说明图l超音速气膜冷却实验系统示意图2氢气供应系统示意图3氧气供应系统示意图4空气氮气供应系统示意图5实验段结构示意图6燃气发生器头部结构图7拉法尔喷管、射流生成器和实验管结构图8射流生成器局部放大图。具体实施方式超音速气膜冷却实验系统，如图l所示，由氢气供应系统7、氧气供应系统6、空气氮 气供应系统l、实验段5、数据采集设备2、阀门驱动装置4和计算机3及实验软件等组成。氢气供应系统，如图2所示，由高压氢气储罐8、氢气高压手阀9、氢气前置阀ll、氢 气减压器12、氩气电磁阀14、氢气音速喷嘴17、氮气接口 18、温度传感器15和压力传感器 10、 13、 16等组成。高压氢气储罐8内储存有压力约为10MPa的高压氢气，氢气高压手阀9 是气源的总开关，打开氡气高压手阀9，高压氢气到达氢气前置阔11的入口。氢气前置阀ll 在正常实验过程中，始终保持开启状态，只有在实验遇到紧急情况时，才会在软件的控制下 关闭。氢气前置阀I1与氢气电磁阀14配合使用能提高系统的可靠性。实验开始前，打开前 置阀ll,高压氩气到达氢气减压器12的入口，通过调节氢气减压器12能将上游的高压氢气 调节成任意压力的低压氩气输送给下游。氢气电磁阀14是一个两位三通的电磁阀，有氢气、 氮气两个入口，只有一个出口，构成氢气通路和氮气通路。在正常实验时保持氢气通路开启， 氮气通路关闭，实验结東后，氢气通路关闭，同时氮气通路打开，此时氣气会将下游管路中 剩余的氢气吹除，以避免实验现场积累氢气，提高安全性。氢气音速喷嘴17是流量控制器， 与氢气减压器12配合使用，能够控制氩气以固定的流量输送给下游。压力传感器10用来检 测高压氢气的压力。压力传感器13用来检测低压氢气的压力。压力传感器16和温度传感器 15，分别用来检测氢气音速喷嘴17的入口压力和实验时氢气的温度。氧气供应系统，如图3所示，由高压氧气储罐19、氧气高压手阀20、氧气前置阀22、 氧气减压器23、氧气电磁阀25、氧气音速喷嘴28、温度传感器26和压力传感器21、 24、 27 等组成。高压氧气储罐19内储存有压力约为12MPa的高压氧气，氧气高压手阀20是气源的 总开关，打开氧气高压手闽20，高压氧气到达氧气前置闽22的入口。氧气前置阀22在正常 实验过程中，始终保持开启状态，只有在实验遇到紧急情况时，才会在软件的控制下关闭。 氧气前置阀22与氧气电磁阀25配合使用能提高系统的可靠性。实验开始前，打开前置阀22， 高压氧气到达氧气减压器23的入口，通过调节氧气减压器23能将上游的高压氧气调节成任 意压力的低压氧气输送给下游。氧气电磁阀25是系统阀门，打开氧气电磁阀25,实验开始， 实验结束后，关闭氧气电磁阀25。氧气音速喷嘴28是流量控制器，与氧气减压器23配合使 用，能够控制氧气以固定的流量输送给下游。压力传感器21用来检测高压氧气的压力。压力 传感器24用来检测低压氧气的压力。压力传感器27和温度传感器26，分别用来检测氧气音 速喷嘴28的入口压力和实验时氧气的温度。空气氮气供应系统，如图4所示，由高压空气储罐29、空气高压手阀30、高压氮气储 罐39、氮气高压手阔38、三通转换阀31、空气前置阀33、空气减压器34、空气电磁阀36本文档来自技高网...

【技术保护点】
超音速气膜冷却实验系统，由氢气供应系统（７）、氧气供应系统（６）、空气氮气供应系统（１）、燃气发生器（４２）、拉法尔喷管（４３）、射流生成器（４５）、实验管（４６）、数据采集设备（２）、阀门驱动装置（４）、计算机（３）和实验软件等组成，其特征在于：在实验管（４６）的入口处设置有射流生成器（４５）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙冰，张佳，郑力铭，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[]