一种具有轨道车的超高速真空试验装置的制作方法

1.本发明属于超高速风洞试验技术领域，具体涉及一种具有轨道车的超高速真空试验装置。


背景技术：

2.在航空航天领域，为了在地面试验条件下复现飞行器的真实飞行环境，一般采用两种办法：一种是直接将试验模型加速到飞行速度，比如模型飞行试验、弹道靶设备、火箭橇设备等；另一种是将试验模型固定，采用一定措施将气体加速到飞行速度，实现试验模型与气体之间的相对速度与真实飞行环境一致，比如亚声速风洞、超声速风洞、高超声速风洞等。两种实现方式各有优劣，综合考虑经济成本和测试成本等因素，加速气体方案在地面试验中的应用更加广泛。但是，在模拟低空超高速飞行时，地面风洞设备面临高焓/高总压同时模拟难、滞止高温离解污染及热防护难等困难，激波风洞是目前所有风洞中焓值和总压综合模拟能力最强的地面设备，但仍只能满足超高速飞行的部分弹道参数模拟需求，且有效试验时间仅毫秒量级，应用极为受限。目前，火箭橇设备的最高模拟速度约5km/s，但是随着模拟速度的提高，带有较大迎风面积的试验件所受气动阻力越大，加速所需能量总量、能量功率、加速时间、轨道长度等均增大，火箭橇的应用领域和能力发挥受到限制。
3.当前，亟需拓展超高速风洞试验技术，发展一种具有轨道车的超高速真空试验装置。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种具有轨道车的超高速真空试验装置。
5.本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置，其特点是，所述的超高速真空试验装置包括从前至后顺序连接的真空加速段、试验段和减速段，试验段的前、后两端分别设置有快速闸门ⅰ和快速闸门ⅱ，用以密封隔离试验段，试验段内充入试验气体；真空加速段、试验段和减速段的底面设置有一条前后贯通的直线轨道，直线轨道上装卡有轨道车，轨道车上安装有试验模型，试验模型的头部朝向减速段；轨道车带动试验模型沿直线轨道从前至后运动，在真空加速段内加速运动，在试验段内匀速运动，在减速段内减速运动直至停止，到达减速段的后端面前方停止，再返回真空加速段的前端。
6.进一步地，所述的真空加速段外接抽真空装置，试验开始前根据试验状态需要进行抽真空。
7.进一步地，所述的试验段外接试验气体混合装置，试验开始前根据试验状态需要注入试验气体。
8.进一步地，所述的试验段内安装有测试设备，包括压力测量设备、温度测量设备。
9.进一步地，所述的试验段安装有光学玻璃窗口，光学玻璃窗口外侧安装有流场显示系统。
10.进一步地，所述的减速段内设置有减速装置，用于降低轨道车的运行速度，直至轨
道车到达减速段的后端面前方停止。
11.进一步地，所述的减速段的后端面根据试验状态需要封闭或者不封闭。
12.进一步地，所述的试验模型上安装有测试设备和数据存储传输设备，试验结束后，试验数据传输至外置的数据处理系统。
13.本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置中的轨道车为试验模型提供安装和固定的平台，同时具有动力装置，可以将轨道车和试验模型加速到试验所需要的速度。真空加速段提供真空环境，可以减小轨道车在高速运行状态下的气动阻力，提高轨道车的加速效率和速度上限，轨道车的加速过程在真空加速度段内完成。试验段是开展高速飞行试验测量的区域，试验段内可以根据需要，填充不同温度、不同压力、不同组份的气体介质；轨道车携带试验模型在试验段内高速运动，受到较大的气动阻力，轨道车的动力装置可以根据需要持续提供推力以抵消或部分抵消气动阻力的影响，也可以根据需要关闭动力，试验中所需的测量设备可以跟随安装在试验模型上，也可以在试验段沿程布置。减速段为轨道车减速过程提供减速空间和减速的气动环境，轨道车携带试验模型完成试验后进入减速段，通过减速装置使轨道车和试验模型最终停止。
14.本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置的试验运行过程如下：a.真空加速段、试验段和减速段各自保持密封状态，其中真空加速度段与试验段之间的快速闸门处于关闭状态，试验段和减速段之间的快速闸门处于关闭状态，轨道车位于真空加速段内的轨道起始位置，试验模型固定在轨道车上。
15.b.真空加速段抽真空，或者持续维持较小压力；试验段内根据试验状态需要充入具有一定温度、压力和组份的气体介质，减速段根据试验状态需要抽真空或者填充一定压力的气体介质。
16.c.试验开始，轨道车在动力装置作用下在真空加速段内加速，轨道车即将到达快速闸门ⅰ时，快速闸门ⅰ迅速打开；轨道车沿轨道进入试验段后，快速闸门ⅰ迅速关闭；轨道车携带试验模型通过试验段并完成试验，轨道车即将到达快速闸门ⅱ时，快速闸门ⅱ迅速打开，轨道车通过快速闸门ⅱ并进入减速段；轨道车进入减速段后，快速闸门ⅱ迅速关闭；轨道车进入减速段后，减速装置启动，最终轨道车与试验模型停止，试验结束。
17.d.轨道车带动试验模型沿直线轨道返回真空加速段真空加速段的前端，封闭快速闸门ⅰ和快速闸门ⅱ，真空加速段抽真空，试验段内充入试验气体，准备开展下一次试验。
18.本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置可以实现任意空域的真实飞行环境复现，包括火星等地外星球再入飞行环境复现；试验模型尺寸和质量可以更大，理论上没有上限要求；对能量功率要求低，可通过长时间蓄能的方式提高试验模型速度；有效试验时间可长可短，能够根据需要在试验过程中进行调整。
19.本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置采用在真空环境里直接加速试验模型的方法实现任意空域超高速飞行环境的地面复现。其中，真空加速段提供真空环境，用于将试验模型加速到所需速度；试验段用于模拟真实飞行中的大气环境，并用于开展相应试验与测量；减速段用于将高速运行的模型减速至停止；轨道车用于固定试验模型，使试验模型能够随轨道车一起在高速轨道上加速与减速运行。本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置试验模拟参数范围广，试验效率高。
附图说明
20.图1为本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置的结构示意图；图2为本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置的外观示意图；图3为实施例1的试验状态图（起始位置）；图4为实施例1的试验状态图（轨道车通过快速闸门ⅰ）；图5为实施例1的试验状态图（快速闸门ⅰ关闭）；图6为实施例1的试验状态图（轨道车通过快速闸门ⅱ）；图7为实施例1的试验状态图（试验结束）。
21.图中，1.真空加速段；2.试验段；3.减速段；4.轨道车；5.试验模型；6.快速闸门ⅰ；7.快速闸门ⅱ；8.直线轨道。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例详细说明本发明。
23.如图1、图2所示，本发明的具有轨道车的超高速真空试验装置包括从前至后顺序连接的真空加速段1、试验段2和减速段3，试验段2的前、后两端分别设置有快速闸门ⅰ6和快速闸门ⅱ7，用以密封隔离试验段2，试验段2内充入试验气体；真空加速段1、试验段2和减速段3的底面设置有一条前后贯通的直线轨道8，直线轨道8上装卡有轨道车4，轨道车4上安装有试验模型5，试验模型5的头部朝向减速段3；轨道车4带动试验模型5沿直线轨道8从前至后运动，在真空加速段1内加速运动，在试验段2内匀速运动，在减速段3内减速运动直至停止，到达减速段3的后端面前方停止，再返回真空加速段1的前端。
24.进一步地，所述的真空加速段1外接抽真空装置，试验开始前根据试验状态需要进行抽真空。
25.进一步地，所述的试验段2外接试验气体混合装置，试验开始前根据试验状态需要注入试验气体。
26.进一步地，所述的试验段2内安装有测试设备，包括压力测量设备、温度测量设备。
27.进一步地，所述的试验段2安装有光学玻璃窗口，光学玻璃窗口外侧安装有流场显示系统。
28.进一步地，所述的减速段3内设置有减速装置，用于降低轨道车4的运行速度，直至轨道车4到达减速段3的后端面前方停止。
29.进一步地，所述的减速段3的后端面根据试验状态需要封闭或者不封闭。
30.进一步地，所述的试验模型5上安装有测试设备和数据存储传输设备，试验结束后，试验数据传输至外置的数据处理系统。
31.实施例1本实施例中，真空加速段1长度10km，初始真空压力为0.1pa。轨道车4和试验模型5质量共100kg，轨道车4动力采用固体火箭动力，固体火箭推力为4.5吨。试验段2长度为1km，充入空气，模拟35km海拔的大气环境，压力稳定在575pa，温度控制在236k。减速段3连同大气环境，后端不封闭，长度为15km。
32.具体试验状态见图3~图7，具体过程如下：轨道车4位于起始位置，在真空加速段1前端，远离试验段2，试验模型5固定在轨道
车4上。试验开始，固体火箭点火，推力为4.5吨，轨道车4与试验模型5以450m/s2的加速度在直线轨道8上从静止向前加速，在到达真空加速段1后端，靠近试验段2时，轨道车4和试验模型5的速度达到3000m/s，加速过程耗时6.67s。
33.真空加速段1与试验段2之间的快速闸门ⅰ6及时打开，轨道车4通过快速闸门ⅰ6，轨道车4和试验模型5以3000m/s的速度进入试验段2，同时固体火箭熄火，快速闸门ⅰ6立即关闭。
34.轨道车4和试验模型5在试验段2内受气动阻力影响会逐渐减速，但是因为本实施例中试验段2内压力较低，可忽略气动阻力影响，认为轨道车4和试验模型5以3000m/s的速度匀速通过试验段2，并完成相关试验测试，通过试验2段耗时0.333s。
35.轨道车4和试验模型5到达试验段2靠近减速段3前端时，试验段2和减速段3之间的快速闸门ⅱ7迅速打开，轨道车4和试验模型5通过快速闸门ⅱ7并进入减速段3，快速闸门ⅱ7立即关闭。轨道车4和模型5以3000m/s的初始速度在减速段3内通行，利用气动阻力和摩擦阻力进行减速，假设阻力值恒定为45000n，则继续前进10km后，轨道车4和试验模型5的速度减到0，试验结束。
36.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的高超声速边界层转捩模式方法领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。