一种用于高焓气流中的水冷式试样托架

摘要

本发明涉及一种用于高焓气流中的水冷式试样托架，包括壳体、第一封闭件、第二封闭件、支撑件和底板；壳体包括外壳和内壳，外壳上设有第一进水口和第一出水口，外壳和内壳之间具有中空夹层，中空夹层的两端封闭；中空夹层包括前区、中区和后区，中区被沿壳体长度方向设置的两个第一阻挡部分隔为上腔和下腔；前区形成环形水腔，与上腔和下腔的前端连通；上腔的后端和后区连通，下腔的后端和后区之间设有密封部进行封堵。可以使用水冷式试样托架支撑防热材料顺利完成超长时间(≥2500s)氧化烧蚀行为研究，以满足高超声速飞行器热防护材料使用性能考核需求。

说明书

技术领域

本发明涉及地面防热试验技术领域，尤其涉及一种用于高焓气流中的水冷式试样托架。

背景技术

高超声速飞行器研制是我国航空航天领域未来长期的战略目标，其在严酷的服役环境中受严重的气动加热作用，产生的高热流密度和高温严重威胁着飞行器和人员的安全。为此评估和鉴定热防护系统的防、隔热性能，需要能够模拟飞行气动热环境的高焓设备中进行大量地面模拟试验。而该类试验大都在燃烧加热设备、电弧加热设备和高频等离子体加热设备上进行，设备来流气体温度在3000～10000K之间，因此需要设计一种用于高焓气流中水冷式试样托架，用以支撑防热材料能够顺利进行长时间使用性能考核，并完全满足地面模拟试验所需。

在常规的防热材料地面模拟设备开展超长时间(≥2500s)防热材料烧蚀行为研究过程中，地面模拟设备所产生的高焓、高温气流对传统的试样托架带来了极大的挑战。若采用常规的试样托架支撑防热材料考核时，由于常规的试样托架结构设计不太合理，高焓、高温气流会烧损试样托架，使得超长时间氧化烧蚀试验被迫中止。因此需要设计一种用于高焓气流中水冷式试样托架，保证超长时间氧化烧蚀试验顺利进行，满足地面模拟试验所需。

发明内容

本发明的目的是：提供一种用于高焓气流中的水冷式试样托架，可以使用该装置支撑防热材料顺利完成超长时间(≥2500s)氧化烧蚀行为研究，以满足高超声速飞行器热防护材料使用性能考核需求。

为了解决实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于高焓气流中的水冷式试样托架，包括壳体、第一封闭件、第二封闭件、支撑件和底板；

壳体包括外壳和内壳，外壳上设有第一进水口和第一出水口，外壳和内壳之间具有中空夹层，中空夹层的两端封闭；中空夹层包括前区、中区和后区，中区被沿壳体长度方向设置的两个第一阻挡部分隔为上腔和下腔；前区形成环形水腔，与上腔和下腔的前端连通；上腔的后端和后区连通，下腔的后端和后区之间设有密封部进行封堵；第一进水口位于下腔下侧，第一出水口位于后区下侧；

第一封闭件用于封闭壳体前端，第一封闭件上设置有螺丝孔，用于与承载试样的装置固定连接；第二封闭件用于封闭壳体后端；

支撑件的一端和第二封闭件固定连接，另一端和底板固定连接；支撑件包括下端封闭的外层和上端封闭的内层，外层和内层之间具有空腔，所述空腔形成冷却水道；对支撑件进行冷却时，冷却水从支撑件的下端进入冷却水道内，从支撑件的上端流出。

优选地，所述第一封闭件的直径为风洞喷管直径的三分之一。

进一步优选地，所述第一封闭件的直径不超过40mm。

优选地，所述壳体被区分为上壳区和下壳区，上壳区和下壳区以两个第一阻挡部所组成的平面为边界；其中，上壳区后端延伸至下壳区后端的外侧；和

所述内壳后端设置有延伸至所述外壳后端的延伸部，用于固定连接壳体和第二封闭件。

进一步优选地，所述第二封闭件根据所述壳体配做，包括第一壳体和封闭塞；

第一壳体的前端与所述延伸部固定连接，后端塞有封闭塞；所述第一壳体的下端设置有通孔，所述支撑件的内层延伸至所述通孔内且与所述通孔内壁固定连接，所述支撑件的外层与所述第一壳体的下端固定连接。

更优选地，所述封闭塞上设置有线缆孔。

优选地，所述第一进水口和所述底板之间设置有第一进水管，所述第一出水口和所述底板之间设置第一出水管；

所述底板上设置有与第一进水管连通的第一进水管路，与第一出水管连通的第一出水管路。

优选地，所述支撑件的外层上端设置有第二出水口，第二出水口和底板之间设置有第二出水管；和所述底板上设置有与第二出水管连通的第二出水管路。

进一步优选地，所述支撑件的外层的下端设置有第二进水口，并且第二进水口位于底板内，第二进水口与位于支撑件外层和内层之间的冷却水道连通；和

所述底板上设置有与第二进水口连通的第二进水管路。

优选地，所述支撑杆的内层与所述底板的底部连通。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

壳体内设计有上下分水水道，冷却水从第一进水口进入下腔，然后经过前端的环形水腔流入上腔，最后经过中空夹层的后区，通过第出水口流出，以保证试样托架水平部件在高焓、高温气流中不被烧损。

冷却水还可以从底板中的第二进水管路进入，从支撑件中的冷却水道底部流至顶部，最后从第二出水管、第二出水管路回到冷却水蓄水装置，这样能极大程度的保证内层内的测试线缆在高焓、高温气流中不被烧损，确保测试线缆安全顺利连接数据采集系统。

附图说明

图1是本发明提供的用于高焓气流中的水冷式试样托架的剖视图；

图2是壳体的结构示意图(带有第一封闭件)；其中，2-1为外壳的剖视图，2-2为内壳的剖视图，2-3为内壳某一角度的视图；2-4为图2-2中的A-A剖面图，2-5为图2-2中的B-B剖面图；

图3是第二封闭件的剖视图；其中，3-1为第一壳体的剖视图，3-2为封闭塞的剖视图；

图4是底板的结构示意图；其中，4-1为剖视图，4-2为俯视图，4-3为图4-2中的A-A剖面图，4-4为图4-2中的B-B剖面图，4-5为图4-2中的C-C剖面图，4-6为图4-1的D-D方向的视图，即图4-1的仰视图；图4-7为图4-2中的E-E剖面图。

图中：1：壳体；101：外壳；102：内壳；103：第一进水口；104：第一出水口；105：中空夹层；106：第一阻挡部；107：上腔；108：下腔；109：环形水腔；110：密封部；111：延伸部；112：第一进水管；113：第一出水管；

2：第一封闭件；

3：第二封闭件；301：第一壳体；302：封闭塞；303：通孔；304：线缆孔；

4：支撑件；401：外层；402：内层；403：冷却水道；404：第二出水口；405：第二出水管；

5：底板；501：第一进水管路；502：第一出水管路；503：第二出水管路；504：第二进水管路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的用于高焓气流中的水冷式试样托架的结构示意图，图2为壳体的结构示意图。如图1和图2(包括2-1、2-2、2-3、2-4、2-5)所示，该水冷式试样托架包括壳体1、第一封闭件2、第二封闭件3、支撑件4和底板5；所述壳体1、所述第一封闭件2、所述第二封闭件3、所述支撑件4和所述底板5可以采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制成；

具体地，壳体1包括外壳101和内壳102，外壳101上设有第一进水口103和第一出水口104，外壳101和内壳102之间具有中空夹层105，中空夹层105的两端封闭；中空夹层105包括前区、中区和后区，中区被沿壳体1长度方向设置的两个第一阻挡部106分隔为上腔107和下腔108；前区形成环形水腔109，与上腔107和下腔108的前端连通；上腔107的后端和后区连通，下腔108的后端和后区之间设有密封部110进行封堵；第一进水口103位于下腔108下侧，第一出水口104位于后区下侧；

第一封闭件2用于封闭壳体1前端，第一封闭件2上设置有螺丝孔，用于与承载试样的装置固定连接；第二封闭件3用于封闭壳体1后端，保证试样托架不漏水；

支撑件4的一端和第二封闭件3固定连接，另一端和底板5固定连接，支撑件4的高度可以根据试验要求进行设计；支撑件4包括下端封闭的外层401和上端封闭的内层402，外层401和内层402之间具有空腔，所述空腔形成冷却水道403；对支撑件4进行冷却时，冷却水从支撑件4的下端进入冷却水道403内，从支撑件4的上端流出，形成下端进水，上端出水的冷却方式。

对于本发明提供的这一水冷式试样托架，外壳和内壳可以平齐焊接以保证托架最小程度的影响风洞流场的平稳性。壳体1内设计有上下分水水道，冷却水从第一进水口103进入下腔108，然后经过前端的环形水腔109流入上腔107，最后经过中空夹层105的后区，通过第出水口104流出，以保证试样托架水平部件在高焓、高温气流中不被烧损。本发明提供的这一水冷式试样托架中支撑件4中的内层402浸没在冷却水中，从而确保测试线缆安全顺利连接数据采集系统。

优选地，第一封闭件2的直径为风洞喷管直径的三分之一。更优选地，第一封闭件2的直径不超过40mm。

在一些实施例中，所述壳体1被区分为上壳区和下壳区，上壳区和下壳区以两个第一阻挡部106所组成的平面为边界；其中，上壳区后端延伸至下壳区后端的外侧；和

所述内壳102后端设置有延伸至所述外壳101后端的延伸部111，用于固定连接壳体1和第二封闭件3。

如图3(包括3-1和3-2)所示，所述第二封闭件3根据所述壳体1配做，包括第一壳体301和封闭塞302；

第一壳体301的前端与所述延伸部111固定连接，后端塞有封闭塞302；第一壳体301的后端可以开有与封闭塞302尺寸相匹配的螺纹通孔，实现封闭塞302与第一壳体301的螺纹连接；所述第一壳体301的下端设置有通孔303，所述支撑件4的内层402(在一些实施例中，内层402的上端面可以设置有通孔)延伸至所述通孔303内且与所述通孔303内壁固定连接，所述支撑件4的外层401与所述第一壳体301的下端固定连接。

优选地，所述封闭塞302上设置有线缆孔304，可以保护测试线缆不被风洞流场支架尾部流场绕流所烧毁。

具体地，如图1和图4(包括4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、4-7)所示，所述第一进水口103和所述底板5之间设置有第一进水管112，所述第一出水口104和所述底板5之间设置第一出水管113；所述底板5上设置有与第一进水管112连通的第一进水管路501，与第一出水管113连通的第一出水管路502。

具体地，所述支撑件4的外层401上端设置有第二出水口404，第二出水口404和底板5之间设置有第二出水管405；和所述底板5上设置有与第二出水管405连通的第二出水管路503。

具体地，所述支撑件4的外层401的下端设置有第二进水口(图1中未标示)，并且第二进水口位于底板5内，第二进水口与位于支撑件4外层401和内层402之间的冷却水道403连通；和所述底板5上设置有与第二进水口连通的第二进水管路504。

优选地，所述支撑杆4的内层402与所述底板5的底部连通。

底板5能够连接支撑件4(包括外层401和内层402)、各个进水管和出水管，从而保证整个水冷式试样托架的水平度和垂直度。

更为全面地，本发明提供的水冷式试样托架包括壳体1、第一封闭件2、第二封闭件3、支撑件4和底板5；所述壳体1、所述第一封闭件2、所述第二封闭件3、所述支撑件4和所述底板5均采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制成；

具体地，壳体1包括外壳101和内壳102，外壳101上设有第一进水口103和第一出水口104，外壳101和内壳102之间具有中空夹层105，中空夹层105的两端封闭；中空夹层105包括前区、中区和后区，中区被沿壳体1长度方向设置的两个第一阻挡部106分隔为上腔107和下腔108；前区形成环形水腔109，与上腔107和下腔108的前端连通；上腔107的后端和后区连通，下腔108的后端和后区之间设有密封部110进行封堵；第一进水口103位于下腔108下侧，第一出水口104位于后区下侧；

第一封闭件2用于封闭壳体1前端，第一封闭件2上设置有螺丝孔，用于与承载试样的装置固定连接；第一封闭件2的直径为风洞喷管直径的三分之一，第一封闭件2的直径不超过40mm；

第二封闭件3用于封闭壳体1后端；第二封闭件3根据所述壳体1配做，包括第一壳体301和封闭塞302；第一壳体301的前端与所述延伸部111固定连接，后端塞有封闭塞302；第一壳体301的后端可以开有与封闭塞302尺寸相匹配的螺纹通孔，实现封闭塞302与第一壳体301的螺纹连接；所述第一壳体301的下端设置有通孔303，所述支撑件4的内层402延伸至所述通孔303内且与所述通孔303内壁固定连接，所述支撑件4的外层401与所述第一壳体301的下端固定连接；

所述封闭塞302上设置有线缆孔304；

支撑件4的一端和第二封闭件3固定连接，另一端和底板5固定连接，支撑件4的高度可以根据试验要求进行设计；支撑件4包括下端封闭的外层401和上端封闭的内层402，外层401和内层402之间具有空腔，所述空腔形成冷却水道403；内层402与所述底板5的底部连通；对支撑件4进行冷却时，冷却水从支撑件4的下端进入冷却水道403内，从支撑件4的上端流出，形成下端进水，上端出水的冷却方式；

所述壳体1被区分为上壳区和下壳区，上壳区和下壳区以两个第一阻挡部106所组成的平面为边界；其中，上壳区后端延伸至下壳区后端的外侧；所述内壳102后端设置有延伸至所述外壳101后端的延伸部111，用于固定连接壳体1和第二封闭件3；

所述第一进水口103和所述底板5之间设置有第一进水管112，所述第一出水口104和所述底板5之间设置第一出水管113；所述底板5上设置有与第一进水管112连通的第一进水管路501，与第一出水管113连通的第一出水管路502；

所述支撑件4的外层401上端设置有第二出水口404，第二出水口404和底板5之间设置有第二出水管405；和所述底板5上设置有与第二出水管405连通的第二出水管路503。

所述支撑件4的外层401的下端设置有第二进水口，并且第二进水口位于底板5内，第二进水口与位于支撑件4外层401和内层402之间的冷却水道403连通；和所述底板5上设置有与第二进水口连通的第二进水管路504。

工作原理：

水冷式试样托架的第一封闭端的前端面圆心处开一个螺纹孔用以连接防热材料后托。整个装置分为两个部分构件冷却方式。第一部分构件冷却方式：冷却水从底板5的第一进水管路501进入，流经第一进水管112进入壳体1中的下腔108，经过前端的环形水腔109后流入上腔107，最后经过第一出水管113、第一出水管路502回到冷却水蓄水装置，这样能极大程度的保证试样托架水平部件在高焓、高温气流中不被烧损。第二部分构件冷却方式：冷却水从底板5中的第二进水管路504进入，从支撑件4中的冷却水道403底部流至顶部，最后从第二出水管405、第二出水管路503回到冷却水蓄水装置，这样能极大程度的保证内层402内的测试线缆在高焓、高温气流中不被烧损。

经检测，利用上述装置进行试验，在热流为420MW/m²，驻点压力为7.2kPa，总焓为38MJ/kg的条件下持续时间超2500s。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。