一种新运行方式脉冲风洞研制及初步应用.doc

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1、一种新运行方式脉冲风洞研制及初步应用刘伟雄1谭宇2　毛雄兵2　乐嘉陵2(西北工业大学，陕西西安710072)(中国空气动力研究与发展中心吸气式高超声速技术实验室，四川绵阳621000)摘要：本文介绍了一座喷管口径为600mm、利用氢与富氧空气混和燃烧产生高焓试验气流的脉冲风洞。该风洞首次采用了活塞挤压为加热器供应燃料和路德维希管供应富氧空气的工作方式，做到了风洞试验过程中用多少燃料就供多少燃料，消除了过去采用路德维希管供燃料存在的弊端。同时发展了一种大通径快速阀技术。该风洞在吸气式高超声速技术研究中得到了成功应用。1引言管风洞概念最早是由Weathes

2、ton和Hertzberg等于1961年提出的【1】，其运行方式基本上类同于一般的激波管与激波风洞。1980年以来，中国空气动力研究与发展中心（CARDC）一直在发展这类风洞技术和开展应用研究。在近20年中，为了适应不同阶段科研任务的需求，CARDC的脉冲燃烧设备经历了单管等容燃烧模式、双管等压燃烧模式、活塞挤压定量供应燃料＋路德维希管模式三个发展阶段,最终发展出适合于大口径脉冲燃烧风洞的运行方式和设计方法。在上个世纪80年代，根据火箭发动机高空羽流试验研究的需要发展了单燃烧管式高空发动机羽流试验装置，进入上个世纪90年代中期，随着试验时间较长脉冲风洞

3、的需要，发展了双管脉冲燃烧风洞[2]。在2003年根据吸气式高超声速技术研究的需要，提出了适合于大口径脉冲燃烧风洞的运行方式即单管与挤压并用的脉冲燃烧风洞的运行模式，在随后的几年中，CARDC围绕此种运行模式所需攻破的三大关键技术开展工作，经过近三年工作突破了技术，发展了该模式风洞的设计方法并在吸气式高超声速技术研究中得到成功的应用。CARDC三种运行模式的脉冲燃烧风洞前两种运行方式文献[3][4]已有较详细描述，这里不作介绍，本文就第三种运行模式即路德维希管(单管)和挤压并用脉冲燃烧风洞运行原理、关键技术及初步应用进行较为详细的描述。2单管和挤压并用

4、脉冲燃烧风洞2.1工作原理我们总结了前了两种运行模式的优缺点后，为了适应用于大口径脉冲燃烧风洞发展的需要，达到对加热器燃料的定量供应，实现用多少供多少，使设备工作完后无残余燃料流入试验段，确保设备的安全运行，将双管方式中的一管用路德维希管供燃料改为以活塞挤压方式为加热器提供燃料；同时为提高排气效率，在排气系统中采用扩压器消波，大大减小按原有波传播原理设计所需真空箱容积，使研制较长试验时间的脉冲风洞成为可能。具体方案如图1所示。1.富氧空气管2.补偿气源3.挤压供氢装置4.加热器5.喷管6.试验段7.扩压器8.真空箱图1脉冲燃烧风洞立体图试验前按要求将一

5、定配比的富氧空气用气动快速阀封在高压管内，将氢气也用气动快速阀封在挤压供氢装置的燃料容器内，它们的流量通过限流喉道来控制。而发动机模型放置于试验段喷管出口附近的均匀区内。试验时，按要求同步打开封闭富氧容器的快速阀和挤压供氢装置的快速阀，这时氢与富氧空气通过加注喷嘴后在加热器内混和燃烧，当压力上升到预定状态后，将燃烧室分为前室和后室的膜片瞬时打开，大流量的试验气体经喷管膨胀加速到所需状态，从喷管喷出后，经过发动机进气道压缩后进入模型发动机内流道，在发动机燃烧室内与发动机燃料供应系统提供的燃料混和燃烧，产生的高温高压气体通过发动机尾喷管排出与模型的外流相互

6、作用，模拟飞行器在高空飞行的发动机和进气道工作状态，通过天平等测量手段可以得到发动机在模拟飞行环境下工作时的推阻等特性，直到挤压供氢装置提供的氢气用完为止。2.2风洞总体参数根据国家航天航空技术发展的要求，兼顾突破大口径脉冲风洞关键技术，为2.4m脉冲风洞研制提供技术支撑，提出了建设600mm喷管口径脉冲燃烧风洞的任务。主要研究内容如下：1)安全、节能、参数恒定的定量供氢技术；2)毫秒级燃料供应同步控制技术；3)脉冲风洞高效排气技术。风洞需要达到的主要技术指标如下：●模拟飞行马赫数Ma＝4、5、6；●模拟飞行高度H＝15～35km；●喷管出口直径600

7、mm；●流量不小于45kg/s；●单次持续试验时间不小于0.2秒。根据以上总体指标可给出设备如表1所示的总体指标。表1600mm脉冲燃烧风洞总体参数马赫数总压(MPa)总温(K)驻室热力学参数总流量(kg/s)喷管喉道直径(mm)理论实际水氧氮比热比分子量41.512009000.120.210.671.3327.645.317254160013600.1830.210.6071.2827.0034.6103.465.5200017000.2520.210.5381.2626.3216.364.43需突破的关键技术根据以往设备运行经验和大口径脉冲燃烧风

8、洞的需求，要使单管和挤压并用脉冲燃烧风洞安全方便高效运行，此风洞应突破以下三大关键技术。A.挤