膨胀管风洞活塞驱动关键技术初步研究

吕治国,常 雨,钟 涌,王东战,刘施然

(中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所,绵阳621000)



膨胀管风洞活塞驱动关键技术初步研究

吕治国,常 雨,钟 涌,王东战,刘施然

(中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所,绵阳621000)

摘要：介绍了膨胀管风洞运行原理、组成及其驱动方式比较，对适合于膨胀管风洞的活塞驱动关键技术进行了初步研究。结果表明：采用背负式环向进气的活塞驱动技术方案，可简化活塞驱动器的结构设计，降低活塞驱动器制造难度，节省厂房面积；活塞本体采用分体设计除了降低使用成本外，还可降低撞击力峰值，减轻或避免活塞撞击对设备本体的损坏；隔振和滑动密封连接，降低设备运行冲击载荷对测量结果的影响，提高膨胀管风洞测量数据质量。

关键词：膨胀管；高焓气流；飞船返回舱；地面模拟试验

1 引言

激波风洞是实现高超声速飞行器马赫数模拟和雷诺数模拟的地面模拟设备,其马赫数模拟是通过降低试验气体来流温度来实现的,因而试验气流绝对速度并没有达到飞行器的实际飞行速度,对于以高超声速返回的飞行器,由于速度模拟方面的限制,在激波风洞上很难进行真实气体效应的研究。为了能够实现高超声速真实飞行模拟条件,如速度(大于5 km/ s)、焓值(大于12.5 Mj/ kg)等,人们在激波风洞基础上,发展、研制成了膨胀管风洞。虽然从设备结构上看,膨胀管风洞相比激波风洞只增加了一段膨胀加速段,但其对试验焓值和速度的提高却是非常明显的。与激波风洞相比,膨胀管风洞能够实现绝对速度模拟,因此能够进行高超声速条件下所产生的真实气体效应方面的研究。目前,国外的膨胀管及膨胀管风洞技术已经相当成熟,并且在高超声速的速度范围内得到了广泛应用,如美国卡尔斯潘就有LENS X、LENS XX加热氢气驱动的膨胀管风洞［1-7］、兰利研究中心就有爆轰驱动的Hypulse双模态运行膨胀管风洞［8-10］,此外还有斯坦福大学的6英寸和伊利诺伊大学的HET轻质气体驱动的高焓膨胀管［11-12］等设备,澳大利亚就有活塞驱动的X1、X2、X3系列膨胀管(风洞)［13-17］,日本也建设了活塞驱动的膨胀管［18-21］,国外这些膨胀管风洞设备在超燃冲压发动机、月球探测返回舱以及火星大气层进入飞行器等涉及高焓高超声速飞行环境的试验模拟进行了大量的研究；而我国在膨胀管设备建设方面只进行了少数的验证性研究工作［22-23］。为适应我国航天事业发展需要,弥补空白,急需建设工程应用型膨胀管风洞设备。

建设膨胀管风洞,首先需要确定驱动方式,除了采用常规驱动(轻质气体驱动)技术外,还可以采用加热轻质气体驱动、燃烧驱动、爆轰驱动以及自由活塞驱动。通过对上述驱动方式的研究和分析［24-25］,为了得到更高的焓值,结合现有的技术成熟度等客观条件,膨胀管风洞宜采用自由活塞驱动技术。本文首先介绍膨胀管风洞运行原理和组成；其次,简单介绍适合于膨胀管风洞的驱动方式。此后,对活塞驱动技术涉及到的关键技术进行分析,提出初步解决方案,最后给出了初步结论。

2 膨胀管风洞运行原理和组成

2.1 膨胀管风洞运行原理

上个世纪50年代Resler和Bloxsom提出了膨胀管的概念［26］,用来突破反射型激波风洞总焓的限制。此后,Robert L.Trimpi等人首先在理论上对膨胀管进行了系统研究［27-28］,在膨胀管中,只有一小部分的能量来自于激波的压缩,试验气流主要通过非定常膨胀波的加速达到高速的状态。能量和总压通过这种方式被加入到气流当中,虽然损失了试验时间,但能够保证试验气流不发生离解。

以常规的最简单膨胀管运行为例,其运行过程如下：分别在高压段中充入高压轻质气体,在低压段中充入低压试验气体,在膨胀加速段中充入极低压力的加速气体或者直接通过抽真空的方式保留一定压力的气体。当驱动段内的驱动气体压力达到一定值时,控制主膜片破裂,在被驱动段的试验气体中立即产生第一道激波使试验气体的温度和压力升高,试验气体被第一次加速,此后激波通过全部试验气体后击破聚酯膜片形成第二道激波,进入膨胀加速段。与此同时有一逆流膨胀波(非定常膨胀波)形成,往后传入试验气体,但由于试验气体的气流是超声速的,该非定常膨胀波仅往下游传播,使试验气体第二次加速,在加速的同时,试验气体的温度、压力亦随之下降。试验气体经过上述两次加速过程具有很高的速度和较高的焓值。膨胀管风洞就是在膨胀管的基础上增加喷管,除了可以扩大膨胀管的试验流场均匀区外,还能在一定程度上延长膨胀管的试验时间。膨胀管风洞的运行原理与膨胀管类似,需要说明的是,经过膨胀加速段的气流速度已经是高超声速气流,这个喷管与常规风洞的喷管不同,它不再是传统的收缩-扩张型的拉法尔喷管,而是没有收缩段,类似于激波风洞的直通型喷管。

活塞驱动膨胀管风洞就是在常规运行的膨胀管风洞基础上,采用自由活塞作为膨胀管风洞的驱动器,由此进一步提高膨胀管风洞设备的模拟能力。

2.2 膨胀管风洞组成

膨胀管主要由供气系统、洞体系统、控制系统、真空系统、数采系统、测量系统等组成。其中,供气系统主要为膨胀管风洞各部段提供所需要的气体介质,一般情况均不在常压(一个大气压)下提供所需气体；洞体系统,主要包括激波管驱动段、激波管被驱动段、膨胀加速段、喷管、试验段等部段,主要作用是形成高超声速高焓试验气流,为高超声速飞行器地面模拟试验提供飞行状态下的流场环境；控制系统,主要是控制膨胀管风洞膜片夹紧、抽真空、充气等过程,确保膨胀管风洞在所需的状态下安全运行；真空系统,对膨胀管风洞的激波管被驱动段、膨胀加速段和试验段等抽真空,以满足膨胀管风洞运行压力比的要求,确保试验流场能够建立起来；数采系统和测量系统就是满足膨胀管风洞数据采集处理以及试验测量的需要,为试验研究提供高质量的测量结果。常规运行的膨胀管风洞结构组成示意图如图1所示。

3 膨胀管风洞驱动方式简述

高焓膨胀管风洞可以采用的驱动方案有如下几类：轻质气体驱动、电加热轻质气体驱动、燃烧加热轻质气体驱动、爆轰驱动、自由活塞驱动。对于同样的压力比,它们的驱动性能比较见图2。

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图1 膨胀管风洞结构组成示意图Fig.1 Schematic of diagram of the expansion tunnel

图2 几种典型的驱动方式比较［29］Fig.2 Comparison of different driver methods［29］

从参数模拟能力、安全性和操作要求、建设成本和技术风险等方面,上述几种驱动方式的对比如表1所示。要想得到较高的参数模拟能力,自由活塞驱动技术是一种相对较好的方案。

表1 不同驱动方式比较Table 1 Comparison of different driver techniques

4 活塞驱动关键技术研究

4.1 活塞驱动器结构布局研究

活塞驱动可以采用单级活塞驱动,也可以采用双级活塞驱动。通过与澳大利亚昆士兰大学的Morgan教授交流得知：X2和X3膨胀管风洞建设初期均是采用双级活塞驱动,后来先后改为单级活塞驱动轻质气体的组合式驱动［30］,经分析主要原因有两个：首先,双活塞的外活塞在压缩气体到一定程度时要停下来,这个过程会给设备带来一些问题(即活塞对设备本体的撞击问题,多次撞击必然导致设备本体损坏,此外双级活塞驱动还多了一级活塞的密封以及双级活塞的匹配等技术问题)；其次,单活塞可以提高破膜压力,从而提高驱动能力。

图3给出了活塞驱动器工作原理示意图。左端为储存高压空气的容器,右端为压缩管。利用高压空气(“r”状态)压缩活塞,活塞在压缩管内快速向右运动,并将驱动气体由初态(“i”状态)压缩至终态“m”。压缩过程是将高压气体内能变成活塞动能,此后再将活塞的动能转变为驱动气体内能。

图3 自由活塞驱动器工作原理示意图Fig.3 The operation principle of the free piston driver

图4和图5分别给出了压缩管驱动压力与初始充气压力之比Pm/ Pi随储气罐压力与压缩管初始充气压力之比Pr/ Pi和压缩管驱动温度与初始温度之比Tm/ Ti随Pr/ Pi变化关系。图4表明：选择适当(压缩比)Pr/ Pi,可由较低的Pr得到较高的Pm和Tm,即获得较高的驱动参数。由图5可以看出：Tm/ Ti随Pr/ Pi近似呈线性增加。

图4 Pm/ Pi随Pr/ Pi变化曲线Fig.4 The variation curve between Pr/ Piand Pm/ Pi

活塞驱动器结构主要包含储气罐(管)、活塞压缩管、活塞本体,它们之间的布局和位置关系除了采用常规同轴布局外,还可以采用如图6所示的背负式布局,即将储气罐背负于活塞压缩管之上,储气罐与活塞压缩管连接进气采用环向进气的方式。这两种布局方式的技术特点是：常规同轴布局在结构设计上相对要简单一些,不过占用厂房的尺寸相对较大,需要大口径快开阀门(或者类似能够快速开启的阀门装置)；背负式布局的技术优点就是占用的厂房相对要小,但需要在结构设计上考虑储气罐与活塞驱动段的软连接以及克服质心偏离设备轴线等技术问题［15］。

图5 Tm/ Ti随Pr/ Pi的变化关系Fig.5 The variation curve between Pr/ Piand Tm/ Ti

图6 储气罐、压缩管结构背负式布局示意图Fig.6 Layout of the high pressure gas tank and the compression tube

对于背负式结构布局,活塞驱动器运行过程为：首先将活塞的初始位置置于储气罐(管)与压缩管连接部位,打开储气罐(管)与压缩管之间的阀门,利用活塞本体上两层多道密封结构,将储气罐(管)与活塞压缩管连接管道中的高压驱动气体密封,此后利用活塞后端的小流量高压气体,慢推活塞前进,一旦活塞本体上后端密封圈运动经过储气罐(管)与活塞压缩管的连接通孔部位,储气罐(管)中的活塞驱动气体大流量涌入,推动活塞迅速压缩前端的被压缩气体。储气罐(管)与活塞压缩管之间连通管道的通气横截面积大于活塞压缩管的横截面积,使得连接管道不形成音速喉道冗塞,确保驱动气体可以快速推动活塞。

活塞驱动段与储气罐采用背负式布局结构,可以相对较易安排储气罐与活塞驱动段,在设备厂房已建成或受限情况下,不仅可以节省厂房空间,还可以简化储气罐与活塞驱动段的连接结构,采用环向进气腔,有利气流均匀地进入活塞驱动器。同时还可以利用活塞本体密封该进气腔,避免了同轴布局中储气罐与活塞驱动段之间的大口径快速开启阀门研制和维护保养,可以在一定程度上节省设备建设和使用维护费用。

活塞本体可以采用轻重活塞两种技术方案,轻重两种方案的主要区别在于活塞结构厚度或材料的不同,活塞的结构示意图见图7。为了便于重复使用或撞击损坏后更换,降低活塞的使用成本,活塞采用分体结构,也就是活塞本体采用金属材料,在前端(图中右端)采用可更换的较软的非金属材料。

重活塞要求活塞运行速度相对较低,因此活塞结构、振动隔离、防撞装置等设计相对较容易；在同样压缩管长度以及相同压缩比情况下,轻活塞则要求活塞运行速度较高,活塞驱动器的结构设计相对较困难,但它有一个较大的优势就是可以提供持续时间较长的压力,因此可以延长膨胀管风洞的有效运行时间,对于膨胀管风洞这类极短试验时间的设备,以及测试技术的发展,无疑具有较大的优势。重活塞技术是国际上膨胀管风洞和高焓激波风洞普遍采用相对较成熟的技术,技术风险相对较小；轻活塞运行技术是国际上最近开展的研究,其中澳大利亚昆士兰大学在X2膨胀管风洞上已经取得了相对较满意的试验结果［31］。

活塞驱动器的结构设计中需要重点解决的是活塞运行过程中的隔热密封和防撞等技术问题,隔热密封从两方面入手解决,一是活塞压缩管采用不锈钢材料,控制内壁面的接缝台阶和光洁度,减小摩擦；二是活塞本体采用如图7隔热密封方式。

活塞本体材料则可选用铝合金、不锈钢材料、非金属等材料。活塞外表面安装有两道密封圈和两道支撑环,支撑环可以确保活塞在运动过程中始终处于活塞压缩管的中心而不偏心,防止活塞偏心而带来的密封圈磨损,有效延长密封圈的寿命。为了防止被压缩后的高温气体接触到橡胶密封圈而造成密封圈损坏,在活塞前端(与被压缩气体接触端)采用铜合金隔热圈进行隔热。

4.3 减振和隔振结构设计研究

活塞驱动减振装置的研制,主要采用以下技术方案：一是活塞防撞装置,该装置主要是为了防止活塞在压力匹配失效情况下,高速撞击压缩管末端导致活塞体变形、卷边卡死或压缩管损坏等情况。活塞防撞主要在活塞本体上和压缩管末端采取技术措施,其中,活塞本体的防撞可以采用分体活塞的结构形式,也就是在活塞的前端(被压缩气体端面)采用一层硬度相对较低并方便更换的非金属块(如聚氨酯),该非金属块有一定程度的锥度或者倒角,增大撞击的接触面积。二是在活塞驱动段末端,采用与活塞相适应的锥度或者倒角,使得活塞本体前端的非金属材料可以较好地与驱动段末端配合接触,减缓撞击对压缩管体设备的影响。

除了活塞驱动器结构上采用上述技术措施外,在设备其他部段上还要采用以下方案,以协同解决风洞运行时的振动问题：一,采用如图8的低压夹膜段结构,通过在上下游的激波管体之间加装两道橡胶垫达到将上游的振动隔离的目的；二,在喷管和试验段法兰的连接部分采用滑动密封连接,如图9所示,将喷管与试验段连接部分的支撑和密封分开,采用滑动支撑加金属波纹管的技术方案,解决一体化滑动密封结构中密封性能下降导致气体(氢气)泄漏的问题。

图8 隔振结构示意图［31］Fig.8 The sketch map of the vibration insulation structure［31］

图9 喷管和试验段端头法兰盘连接示意图Fig.9 The junction section of the nozzle and the adapting flange of test section

5 结论

通过对活塞驱动器技术涉及到的问题进行研究,提出了解决膨胀管风洞建设的重点关注问题的措施,如活塞驱动器布局设计、活塞本体、减振和防撞设计等,为膨胀管风洞建设提供了技术支持,可以推动膨胀管风洞建设。本项研究可以得到的初步结论有：

1)活塞驱动器的储气罐与驱动段布局采用背负式结构,结合环向进气方式,简化了活塞驱动器的结构设计,降低了活塞驱动器设计制造难度,节省了风洞设备厂房面积,也降低了活塞驱动器的制造成本；

2)活塞本体采用分体设计除了避免整体活塞因撞击变形而需要整体更换、降低使用成本外,还延长了活塞与设备相撞击的时间,降低了撞击力峰值,减轻或避免对活塞压缩管末端的损坏；

3)采用在低压夹膜段后安装一个隔振段和在喷管与试验段之间采用滑动密封连接的方案,降低设备运行冲击载荷对测量结果的影响,提高膨胀管风洞测量数据的质量。

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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

作者简介：吕治国(1963-),男,博士,高级工程师,研究方向为高超声速设备研制、气动力测量、摩阻测量等。E-mail：lzgde2003＠126.com

收稿日期：2015-03-09；修回日期：2016-02-16

中图分类号：O354.5

文献标识码：A

文章编号：1674-5825（2016）02-0215-06