QH-ETube膨脹管風洞傳感器支架設計

(華北科技學院 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用于航天飛機、巡航導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目上馬[1-5]。高超音速設備的研制方法主要有數值模擬、風洞模型實驗和真實氣體條件下的實物實驗。其中，使用模型進行風洞實驗是整個高超音速飛行器設計中最關鍵的一環，實驗結果對飛行器設計的改進有巨大幫助。

膨脹管風洞是進行地面模擬實驗的有效設備，膨脹管風洞可以通過調節驅動氣體及被驅動氣體提供5-12馬赫的實驗氣流，滿足高超音速飛行器實驗模擬的需求。

二、設計背景

QH-ETube是一座重活塞驅動膨脹管風洞，目前正處于設備調試階段。設備主要分為儲氣罐、活塞驅動段、激波管被驅動段、膨脹加速段和實驗段。其中活塞驅動段、激波管被驅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行壓力參數采集。

圖1 活塞驅動膨脹管風洞結構簡圖

同時實驗段內需要安裝傳感器進行對出口處氣流狀態參數進行測量，這就需要設計一種傳感器支架進行實驗測量。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驗需求。

三、傳感器支架設計

(一)支架主體設計

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用于各種工程機械的生產中。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行線切割制成，整體線切割保證了材料的強度不會受到焊接影響。支架迎風面設成V型，為減輕迎風來流對支架的沖擊。QH-ETube膨脹管風洞膨的脹加速段管壁內徑為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M18螺紋孔用來安裝傳感器套筒及尖錐螺栓，每兩個螺紋孔間距34mm。在螺紋孔底部設計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。支架主體兩側各有一 塊蓋板，用來保護線路及減小氣流對支架的沖擊。支架主體安裝在帶有12個M8螺紋孔的底板上，使用螺釘安裝在實驗段底座上。主體支架背風面安裝一塊肋板進行支撐，主體與底板和肋板之間進行焊接，采用這種結構保證支架主體的穩定性及垂直度。

圖2 傳感器支架主體結構圖

(二)傳感器套筒設計

為測得膨脹管風洞出口氣流的動壓值，目前使用的傳感器是美國PCB公司生產的PCB113B24型號傳感器。傳感器需要布置在傳感器支架的迎風面，根據傳感器規格尺寸型號設計了可以安裝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 傳感器套筒結構圖

該套筒由套筒頭部與筒身兩部分構成，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生松動。筒身留有長5mm的凹槽，凹槽用來固定扳手，在安裝時達到緊固效果。套筒頭部為半徑6mm的半球形圓頭與圓柱體的結合體，套筒頭部內側有可以與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使用的傳感器型號進行更換，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)錐形螺栓設計

高速氣流沖擊尖錐會在尖錐頂部產生氣流馬赫角，馬赫角會因不同馬赫數的氣流和尖錐角度的大小而改變。目前，國內外已針對不同角度尖錐產生馬赫角數大小有了詳細的研究[7-8]。氣流馬赫角可以通過如紋影系統等氣體流產光學觀測手段進行測量。通過馬赫角的測量結果和尖錐角度可以計算出氣流馬赫數。

傳感器支架上設計了錐尖角為30度的圓錐，通過測量錐尖產生的氣流馬赫角可以判斷出氣流馬赫數，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，將二者結合使用可以更準確的對參數進行測量。

圖4 錐形螺栓結構圖

四、結束語

該支架保證了膨脹管風洞可以安全穩定底進行多種工況實驗，為QH-ETube的下一步調試打下基礎。