一种马赫数可变的喷管装置的制作方法

1.本发明属于风洞设备技术领域，尤其涉及一种用于可模拟改变马赫数的喷管装置。


背景技术：

2.高超声速飞行器代表着当今世界最先进的航空航天技术水平，是世界上发达国家重点发展的关键技术之一。高超声速风洞试验可在地面模拟真实的空天飞行状态，相比于真实飞行试验，具有成功概率高、可重复性好、测试数据多、成本低和风险小等一系列优点，是进行飞行试验和研制真实飞行器的基础，也是相关技术发展必不可少的关键设备。
3.高超声速飞行器其飞行马赫数通常大于5，进气总温极高，受限于材料强度，目前在风洞试验时通常采用固定式喷管，但固定式喷管试验时长较短、更换喷管成本高，只能进行固定马赫数的试验，制约了技术的快速发展。国内外有很多研究机构采用二维可变型面的柔性喷管，在上下壁面或单侧壁面设置液压或者电动作动机构，在试验过程中通过预设的程序调节型面，从而达到试验过程中调节马赫数的目的。但此种结构形式，尤其是作动机构，系统复杂、调节难度大，同时针对高超声速的试验模拟由于温度较高，柔性壁面的材料强度受限，作动机构受温度影响，存在材料强度、冷却换热、壁面密封等一系列问题。国内现有文献资料显示，目前没有针对喷管的冷却提出比较好的解决措施。
4.可调马赫数喷管通常用于马赫数较低的飞行风洞试验，虽然可以实现马赫数调节，但是如果应用于高超声速模拟，则主要存在以下缺点：
5.1.作动机构数量众多，可靠性差，调节系统复杂；
6.2.受高温影响，柔性壁面既要冷却，又要能够在作动机构的作用下保持柔性运动，系统设计难度极大。
7.3.在柔性壁面运动时，每一位置的作动机构运动距离都不一样，存在相互制约和影响。


技术实现要素：

8.本发明目的在于提供一种马赫数可变的喷管装置,以解决上述背景技术提出问题中的至少一项。
9.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
10.本技术的一些实施例中，提供了一种马赫数可变的喷管装置，包括：
11.外部壳体，
12.喷管壳体，设置于所述外部壳体内，设有压力调节腔和气流通道，所述压力调节腔的底壁为柔性壁一，且所述压力调节腔和所述气流通道之间设有柔性壁二；
13.调节部件，设置有若干个，且固定端均连接于所述喷管壳体，调节端贯穿均固定所述柔性壁一，且分别与所述柔性壁二连接；
14.压力设备，连接于所述喷管壳体的压力调节腔体，用于调节压力调节腔体内的压
力。
15.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，所述喷管壳体由上至下依次为缓冲腔、压力调节腔、过渡腔和气流通道，所述缓冲腔和所述压力调节腔连通，所述调节部件的固定端连接在所述缓冲腔与所述压力调节腔之间的隔板上，其调节端的底端贯穿所述柔性壁一并与所述柔性壁二的对应侧连接；所述过渡腔和所述气流通道通过所述柔性壁二分隔形成。
16.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，所述柔性壁二的前端与所述气体通道的气流流向前端的内壁固定，另一端与气流流向后端的内壁搭接，其侧壁与喷管壳体的侧壁滑动密封。
17.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，所述缓冲腔通过进液管与所述压力设备连接，并在其顶壁设置集气槽和与之连通的排气阀；
18.所述压力调节腔的对应侧壁开有泄压口。
19.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，所述缓冲腔、压力调节腔、过渡腔及调节部件分别以所述气体通道为中心对称设置。
20.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，若干所述调节部件的弹性模量不同，其调节端在相同压力下所产生的位移不同。
21.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，当所述压力调节腔内压力增大时，所述柔性壁一在压力作用下向所述气体通道移动，带动对应所述调节部件的调节端伸长，进而推动所述柔性壁二移动，所述气体通道的直径发生对应形变；
22.当所述压力调节腔内压力减小时，所述柔性壁一反向移动，带动对应所述调节部件的调节端缩短，进而拉扯所述柔性壁二反向移动，所述气体通道的直径发生对应形变。
23.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，所述调节部件包括：
24.导向杆，其一端固定在所述缓冲腔与所述压力调节腔之间的隔板上，另一端朝向所述气体通道；
25.活动杆，套设于所述导向杆上，并与之滑动连接；
26.弹性件，套设于所述导向杆，其一端与所述缓冲腔与所述压力调节腔之间的隔板连接，另一端与所述活动杆的对应端连接；
27.铰支件，其固定端连接于所述活动杆的对应端，铰接端与所述柔性壁二连接。
28.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，所述压力设备的存储件内通过压缩空气挤压介质溶液，使介质溶液分别通过进液管进入对应的所述缓冲腔和压力调节腔。
29.在上述马赫数可变的喷管装置的优选方案中，所述加压设备设有调压阀，所述进液管上设置有开关阀。
30.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
31.本技术采用被动变形的形式，通过高压气体挤压冷却水实现压力的变化，进而实现柔性壁一的均匀受力，从而带动调节部件的动作端移动，实现柔性壁二的调节，进而完成气体通道的形变；调节过程中弹性件浸没在冷却水中能够保证弹性模量不发生变化，保证调节的精度；调节过程中只调节冷却水压力，调节量少，元素单一，调控精度高；
32.通过采用预制的、具有不同弹性模量的弹性件，实现在相同受力条件下的不同变形量，从而实现柔性壁面按照预定目标发生形状变化；能够通过提前计算在不同受力条件
下不同弹性元件的变形量，进而得到高精度的气体通道，提升方案可靠性。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1为本发明的结构原理图；
35.图2为本发明中喷管原理示意图；
36.图3为图2中a-a方向的剖视图；
37.图4为本发明中调节部件的原理图。
38.图中：
39.1、外部壳体；2、喷管壳体；20、压力调节腔；21、气流通道；22、柔性壁一；23、柔性壁二；24、缓冲腔；3、调节部件；30、导向杆；31、活动杆；32、弹性件；33、铰支件；4、压力设备；5、排气阀；6、泄水阀门。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
41.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
42.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
43.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
44.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
45.参阅图1-4所示，描述了本技术的一些实施例中，提供了一种马赫数可变的喷管装置，包括：外部壳体1、喷管壳体2、调节部件3和压力设备4；其中，
46.喷管壳体2设置于外部壳体1内，设有压力调节腔20和气流通道21，压力调节腔20的底壁为柔性壁一22，且压力调节腔20和气流通道21之间设有柔性壁二23；调节部件3设置有若干个，且固定端均连接于喷管壳体2，调节端贯穿均固定柔性壁一22，且分别与柔性壁
二23连接；压力设备4连接于喷管壳体2的压力调节腔20体，用于调节压力调节腔20体内的压力。
47.具体而言，外部壳体1主要用于固定支撑喷管壳体，内部为连接腔，喷管壳体2设置于连接腔内。
48.具体而言，喷管壳体2的顶壁连接于外部壳体1的顶部内壁，其的缓冲腔24和压力调节腔20之间的支撑板上开有连通孔；柔性壁二23与喷管壳体2的两壁板滑动连接。
49.在上述实施例的优选方案中，喷管壳体2由上至下依次为缓冲腔24、压力调节腔20、过渡腔和气流通道21，缓冲腔24和压力调节腔20连通，调节部件3的固定端连接在缓冲腔24与压力调节腔20之间的隔板上，其调节端的底端贯穿柔性壁一22并与柔性壁二23的对应侧连接；过渡腔和气流通道21通过柔性壁二23分隔形成。
50.在上述实施例的优选方案中，柔性壁二23的前端与气体通道21的气流流向前端的内壁固定，另一端与气流流向后端的内壁搭接，其侧壁与喷管壳体2的侧壁滑动密封，能够保证壁板变形时运动不受限制，达到更高的调节精度。
51.在上述实施例的优选方案中，缓冲腔24通过进液管与压力设备4连接，并在其顶壁设置集气槽和与之连通的排气阀5，如出现沸腾，或者在高压水挤压时进入了空气，可以通过上部排气阀5集中排除；
52.压力调节腔20的对应侧壁开有泄压口，并在泄压口设置泄水阀门6。
53.需要说明的是，试验开始后根据试验计划进行喷管内的供气调节，调节合适的温度和压力，然后开始通过调节高压水的挤压气压力，直到喷管型面达到预定要求，此时可通过喷管出口的总静压/总静温计算出出口马赫数是否满足设计要求；试验结束后先逐渐关闭喷管内试验用气，然后关闭挤压气供气阀门，开启泄水阀门6，逐渐排净储水箱内的水，试验结束。
54.在上述实施例的优选方案中，缓冲腔24、压力调节腔20、过渡腔及调节部件3分别以气体通道21为中心对称设置。
55.在上述实施例的优选方案中，若干调节部件3的弹性模量不同，其调节端在相同压力下所产生的位移不同。
56.需要说明的是，在试验前需要提前进行计算根据试验目标马赫数，通过理论计算需要的喷管型面形状，进而计算出各个调节部件3所需的变形量，根据变形量确定所需的供水压力，进而利用加压设备进行压力调节，模拟出预设的喷灌装置。
57.在上述实施例的优选方案中，当压力调节腔20内压力增大时，柔性壁一22在压力作用下向气体通道21移动，带动对应调节部件3的调节端伸长，进而推动柔性壁二23移动，气体通道21的直径发生对应形变；
58.当压力调节腔20内压力减小时，柔性壁一22反向移动，带动对应调节部件3的调节端缩短，进而拉扯柔性壁二23反向移动，气体通道21的直径发生对应形变。
59.在上述实施例的优选方案中，调节部件3包括：
60.导向杆30，其一端固定在缓冲腔24与压力调节腔20之间的隔板上，另一端朝向气体通道21；
61.活动杆31，套设于导向杆30上，并与之滑动连接；
62.弹性件32，套设于导向杆30，其一端与缓冲腔24与压力调节腔20之间的隔板连接，
另一端与活动杆31的对应端连接；
63.铰支件33，其固定端连接于活动杆31的对应端，铰接端与柔性壁二23连接。
64.需要说明的是，在力的作用下，所有的调节部件3都会产生运动，即活动杆31会沿着导向杆30运动，运动的位移量会收到弹性件32的变形量影响，弹性件32可以选用弹簧、膜片等形式，当选用不同的弹性模量的元件时，变形量也就不同，因此柔性壁板会出现不均匀的变形。从而产生符合预期的喉道形状；并且由于所有弹性元件均处于水中，温度恒定，因此不会收到温度的影响，有利于保证模拟精度。
65.在上述实施例的优选方案中，压力设备4的存储件内通过压缩空气挤压介质溶液，使介质溶液分别通过进液管进入对应的缓冲腔24和压力调节腔20。
66.在上述实施例的优选方案中，加压设备设有调压阀，进液管上设置有开关阀。
67.需要说明的是，加压设备设有压力腔，压力腔内存储有冷却水，其进口连接高压空压机组，出气口连通缓冲腔24。能够通过压缩高压空气对内部冷却水进行加压，进而改变压力调节腔20的压力大小，可以采用高压空压机组储存在高压储气罐内，通常选用22-32mpa的储气压力。检查供气管路、高压储水罐、供水管路等。
68.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
69.本技术采用被动变形的形式，通过高压气体挤压冷却水实现压力的变化，进而实现柔性壁一22的均匀受力，从而带动调节部件3的动作端移动，实现柔性壁二23的调节，进而完成气体通道21的形变；调节过程中弹性件32浸没在冷却水中能够保证弹性模量不发生变化，保证调节的精度；调节过程中只调节冷却水压力，调节量少，元素单一，调控精度高；
70.通过采用预制的、具有不同弹性模量的弹性件32，实现在相同受力条件下的不同变形量，从而实现柔性壁面按照预定目标发生形状变化；能够通过提前计算在不同受力条件下不同弹性元件的变形量，进而得到高精度的气体通道21，提升方案可靠性。
71.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
72.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种马赫数可变的喷管装置，其特征在于，包括：外部壳体，喷管壳体，设置于所述外部壳体内，设有压力调节腔和气流通道，所述压力调节腔的底壁为柔性壁一，且所述压力调节腔和所述气流通道之间设有柔性壁二；调节部件，设置有若干个，且固定端均连接于所述喷管壳体，调节端贯穿均固定所述柔性壁一，且分别与所述柔性壁二连接；压力设备，连接于所述喷管壳体的压力调节腔体，用于调节压力调节腔体内的压力。2.根据权利要求1所述的一种马赫数可变的喷管装置，其特征在于，所述喷管壳体由上至下依次为缓冲腔、压力调节腔、过渡腔和气流通道，所述缓冲腔和所述压力调节腔连通，所述调节部件的固定端连接在所述缓冲腔与所述压力调节腔之间的隔板上，其调节端的底端贯穿所述柔性壁一并与所述柔性壁二的对应侧连接；所述过渡腔和所述气流通道通过所述柔性壁二分隔形成。3.根据权利要求2所述的一种马赫数可变的喷管装置，其特征在于，所述柔性壁二的前端与所述气体通道的气流流向前端的内壁固定，另一端与气流流向后端的内壁搭接，其侧壁与喷管壳体的侧壁滑动密封。4.根据权利要求1所述的一种马赫数可变的喷管装置，其特征在于，所述缓冲腔通过进液管与所述压力设备连接，并在其顶壁设置集气槽和与之连通的排气阀；所述压力调节腔的对应侧壁开有泄压口。5.根据权利要求3所述的一种检测装置，其特征在于，所述缓冲腔、压力调节腔、过渡腔及调节部件分别以所述气体通道为中心对称设置。6.根据权利要求5所述的一种检测装置，其特征在于，若干所述调节部件的弹性模量不同，其调节端在相同压力下所产生的位移不同。7.根据权利要求6所述的一种检测装置，其特征在于，当所述压力调节腔内压力增大时，所述柔性壁一在压力作用下向所述气体通道移动，带动对应所述调节部件的调节端伸长，进而推动所述柔性壁二移动，所述气体通道的直径发生对应形变；当所述压力调节腔内压力减小时，所述柔性壁一反向移动，带动对应所述调节部件的调节端缩短，进而拉扯所述柔性壁二反向移动，所述气体通道的直径发生对应形变。8.根据权利要求7所述的一种检测装置，其特征在于，所述调节部件包括：导向杆，其一端固定在所述缓冲腔与所述压力调节腔之间的隔板上，另一端朝向所述气体通道；活动杆，套设于所述导向杆上，并与之滑动连接；弹性件，套设于所述导向杆，其一端与所述缓冲腔与所述压力调节腔之间的隔板连接，另一端与所述活动杆的对应端连接；铰支件，其固定端连接于所述活动杆的对应端，铰接端与所述柔性壁二连接。9.根据权利要求8所述的一种检测装置，其特征在于，所述压力设备的存储件内通过压缩空气挤压介质溶液，使介质溶液分别通过进液管进入对应的所述缓冲腔和压力调节腔。10.根据权利要求9所述的一种检测装置，其特征在于，所述加压设备设有调压阀，所述进液管上设置有开关阀。

技术总结
本发明涉及风洞设备技术技术领域，公开了提供的一种马赫数可变的喷管装置，包括：外部壳体、喷管壳体、调节部件和压力设备；喷管壳体设置于外部壳体内，设有压力调节腔和气流通道，压力调节腔的底壁为柔性壁一，且压力调节腔和气流通道之间设有柔性壁二；调节部件设置有若干个，且固定端均连接于喷管壳体，调节端贯穿均固定柔性壁一，且分别与柔性壁二连接；压力设备连接于喷管壳体的压力调节腔体，用于调节压力调节腔体内的压力；采用被动变形的形式，通过高压气体挤压冷却水实现压力变化，进而通过柔性壁一带动调节部件的动作端移动，实现柔性壁二的调节，完成气体通道的形变；调节过程中只调节冷却水压力，调节量少，元素单一，调控精度高。调控精度高。调控精度高。


技术研发人员：阮昌龙 王月 李富才 吴朋程 王所国 安兆凯 于鹏 陈晓东 王晓安 闫晨辉 郭玉超 李德彬
受保护的技术使用者：青岛航空技术研究院
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/26