膨脹管風洞活塞驅動關鍵技術初步研究

呂治國,常 雨,鐘 涌,王東戰,劉施然

(中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所,綿陽621000)

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膨脹管風洞活塞驅動關鍵技術初步研究

呂治國,常 雨,鐘 涌,王東戰,劉施然

(中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所,綿陽621000)

摘要：介紹了膨脹管風洞運行原理、組成及其驅動方式比較，對適合于膨脹管風洞的活塞驅動關鍵技術進行了初步研究。結果表明：采用背負式環向進氣的活塞驅動技術方案，可簡化活塞驅動器的結構設計，降低活塞驅動器制造難度，節省廠房面積；活塞本體采用分體設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備本體的損壞；隔振和滑動密封連接，降低設備運行沖擊載荷對測量結果的影響，提高膨脹管風洞測量數據質量。

關鍵詞：膨脹管；高焓氣流；飛船返回艙；地面模擬試驗

1 引言

激波風洞是實現高超聲速飛行器馬赫數模擬和雷諾數模擬的地面模擬設備,其馬赫數模擬是通過降低試驗氣體來流溫度來實現的,因而試驗氣流絕對速度并沒有達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,在激波風洞上很難進行真實氣體效應的研究。為了能夠實現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,人們在激波風洞基礎上,發展、研制成了膨脹管風洞。雖然從設備結構上看,膨脹管風洞相比激波風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。與激波風洞相比,膨脹管風洞能夠實現絕對速度模擬,因此能夠進行高超聲速條件下所產生的真實氣體效應方面的研究。目前,國外的膨脹管及膨脹管風洞技術已經相當成熟,并且在高超聲速的速度范圍內得到了廣泛應用,如美國卡爾斯潘就有LENS X、LENS XX加熱氫氣驅動的膨脹管風洞［1-7］、蘭利研究中心就有爆轟驅動的Hypulse雙模態運行膨脹管風洞［8-10］,此外還有斯坦福大學的6英寸和伊利諾伊大學的HET輕質氣體驅動的高焓膨脹管［11-12］等設備,澳大利亞就有活塞驅動的X1、X2、X3系列膨脹管(風洞)［13-17］,日本也建設了活塞驅動的膨脹管［18-21］,國外這些膨脹管風洞設備在超燃沖壓發動機、月球探測返回艙以及火星大氣層進入飛行器等涉及高焓高超聲速飛行環境的試驗模擬進行了大量的研究；而我國在膨脹管設備建設方面只進行了少數的驗證性研究工作［22-23］。為適應我國航天事業發展需要,彌補空白,急需建設工程應用型膨脹管風洞設備。

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

2 膨脹管風洞運行原理和組成

2.1 膨脹管風洞運行原理

上個世紀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洞總焓的限制。此后,Robert L.Trimpi等人首先在理論上對膨脹管進行了系統研究［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到高速的狀態。能量和總壓通過這種方式被加入到氣流當中,雖然損失了試驗時間,但能夠保證試驗氣流不發生離解。

以常規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。當驅動段內的驅動氣體壓力達到一定值時,控制主膜片破裂,在被驅動段的試驗氣體中立即產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。膨脹管風洞就是在膨脹管的基礎上增加噴管,除了可以擴大膨脹管的試驗流場均勻區外,還能在一定程度上延長膨脹管的試驗時間。膨脹管風洞的運行原理與膨脹管類似,需要說明的是,經過膨脹加速段的氣流速度已經是高超聲速氣流,這個噴管與常規風洞的噴管不同,它不再是傳統的收縮-擴張型的拉法爾噴管,而是沒有收縮段,類似于激波風洞的直通型噴管。

活塞驅動膨脹管風洞就是在常規運行的膨脹管風洞基礎上,采用自由活塞作為膨脹管風洞的驅動器,由此進一步提高膨脹管風洞設備的模擬能力。

2.2 膨脹管風洞組成

膨脹管主要由供氣系統、洞體系統、控制系統、真空系統、數采系統、測量系統等組成。其中,供氣系統主要為膨脹管風洞各部段提供所需要的氣體介質,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,主要包括激波管驅動段、激波管被驅動段、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下的流場環境；控制系統,主要是控制膨脹管風洞膜片夾緊、抽真空、充氣等過程,確保膨脹管風洞在所需的狀態下安全運行；真空系統,對膨脹管風洞的激波管被驅動段、膨脹加速段和試驗段等抽真空,以滿足膨脹管風洞運行壓力比的要求,確保試驗流場能夠建立起來；數采系統和測量系統就是滿足膨脹管風洞數據采集處理以及試驗測量的需要,為試驗研究提供高質量的測量結果。常規運行的膨脹管風洞結構組成示意圖如圖1所示。

3 膨脹管風洞驅動方式簡述

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

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圖1 膨脹管風洞結構組成示意圖Fig.1 Schematic of diagram of the expansion tunnel

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

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

表1 不同驅動方式比較Table 1 Comparison of different driver techniques

4 活塞驅動關鍵技術研究

4.1 活塞驅動器結構布局研究

活塞驅動可以采用單級活塞驅動,也可以采用雙級活塞驅動。通過與澳大利亞昆士蘭大學的Morgan教授交流得知：X2和X3膨脹管風洞建設初期均是采用雙級活塞驅動,后來先后改為單級活塞驅動輕質氣體的組合式驅動［30］,經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,這個過程會給設備帶來一些問題(即活塞對設備本體的撞擊問題,多次撞擊必然導致設備本體損壞,此外雙級活塞驅動還多了一級活塞的密封以及雙級活塞的匹配等技術問題)；其次,單活塞可以提高破膜壓力,從而提高驅動能力。

圖3給出了活塞驅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)壓縮活塞,活塞在壓縮管內快速向右運動,并將驅動氣體由初態(“i”狀態)壓縮至終態“m”。壓縮過程是將高壓氣體內能變成活塞動能,此后再將活塞的動能轉變為驅動氣體內能。

圖3 自由活塞驅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和壓縮管驅動溫度與初始溫度之比Tm/ Ti隨Pr/ Pi變化關系。圖4表明：選擇適當(壓縮比)Pr/ Pi,可由較低的Pr得到較高的Pm和Tm,即獲得較高的驅動參數。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

活塞驅動器結構主要包含儲氣罐(管)、活塞壓縮管、活塞本體,它們之間的布局和位置關系除了采用常規同軸布局外,還可以采用如圖6所示的背負式布局,即將儲氣罐背負于活塞壓縮管之上,儲氣罐與活塞壓縮管連接進氣采用環向進氣的方式。這兩種布局方式的技術特點是：常規同軸布局在結構設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)；背負式布局的技術優點就是占用的廠房相對要小,但需要在結構設計上考慮儲氣罐與活塞驅動段的軟連接以及克服質心偏離設備軸線等技術問題［15］。

圖5 Tm/ Ti隨Pr/ Pi的變化關系Fig.5 The variation curve between Pr/ Piand Tm/ Ti

圖6 儲氣罐、壓縮管結構背負式布局示意圖Fig.6 Layout of the high pressure gas tank and the compression tube

對于背負式結構布局,活塞驅動器運行過程為：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構,將儲氣罐(管)與活塞壓縮管連接管道中的高壓驅動氣體密封,此后利用活塞后端的小流量高壓氣體,慢推活塞前進,一旦活塞本體上后端密封圈運動經過儲氣罐(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,確保驅動氣體可以快速推動活塞。

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

活塞本體可以采用輕重活塞兩種技術方案,輕重兩種方案的主要區別在于活塞結構厚度或材料的不同,活塞的結構示意圖見圖7。為了便于重復使用或撞擊損壞后更換,降低活塞的使用成本,活塞采用分體結構,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,因此活塞結構、振動隔離、防撞裝置等設計相對較容易；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,活塞驅動器的結構設計相對較困難,但它有一個較大的優勢就是可以提供持續時間較長的壓力,因此可以延長膨脹管風洞的有效運行時間,對于膨脹管風洞這類極短試驗時間的設備,以及測試技術的發展,無疑具有較大的優勢。重活塞技術是國際上膨脹管風洞和高焓激波風洞普遍采用相對較成熟的技術,技術風險相對較小；輕活塞運行技術是國際上最近開展的研究,其中澳大利亞昆士蘭大學在X2膨脹管風洞上已經取得了相對較滿意的試驗結果［31］。

活塞驅動器的結構設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。活塞外表面安裝有兩道密封圈和兩道支撐環,支撐環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行隔熱。

4.3 減振和隔振結構設計研究

活塞驅動減振裝置的研制,主要采用以下技術方案：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措施,其中,活塞本體的防撞可以采用分體活塞的結構形式,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。二是在活塞驅動段末端,采用與活塞相適應的錐度或者倒角,使得活塞本體前端的非金屬材料可以較好地與驅動段末端配合接觸,減緩撞擊對壓縮管體設備的影響。

除了活塞驅動器結構上采用上述技術措施外,在設備其他部段上還要采用以下方案,以協同解決風洞運行時的振動問題：一,采用如圖8的低壓夾膜段結構,通過在上下游的激波管體之間加裝兩道橡膠墊達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方案,解決一體化滑動密封結構中密封性能下降導致氣體(氫氣)泄漏的問題。

圖8 隔振結構示意圖［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 結論

通過對活塞驅動器技術涉及到的問題進行研究,提出了解決膨脹管風洞建設的重點關注問題的措施,如活塞驅動器布局設計、活塞本體、減振和防撞設計等,為膨脹管風洞建設提供了技術支持,可以推動膨脹管風洞建設。本項研究可以得到的初步結論有：

1)活塞驅動器的儲氣罐與驅動段布局采用背負式結構,結合環向進氣方式,簡化了活塞驅動器的結構設計,降低了活塞驅動器設計制造難度,節省了風洞設備廠房面積,也降低了活塞驅動器的制造成本；

2)活塞本體采用分體設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,降低設備運行沖擊載荷對測量結果的影響,提高膨脹管風洞測量數據的質量。

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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

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0215-06