CN101633405B - 一种圆管夹芯防热结构件 - Google Patents
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Abstract
一种圆管夹芯防热结构件由上层的高温镍基变形合金蜂窝面板、下层的镍基合金蜂窝板、夹在高温镍基变形合金蜂窝面板和镍基合金蜂窝板之间的圆管组构成；所述的圆管组之间的各圆管焊接在一起；所述的高温镍基变形合金蜂窝面板和镍基合金蜂窝板具有多层反射屏；采用高温钎焊将上层的高温镍基变形合金面板和下层的镍基合金蜂窝板与圆管组间通过点接触，即线连接的方式连接在一起；圆管组一端密封，另一端联结4分接头；所述的高温镍基变形合金是指大于等于850℃的高温镍基变形合金。本发明具有高效隔热和抗冲击的优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种高速飞行器机身防热结构件，特别是一种采用圆管夹芯的防热结构件，属于航空航天工程技术领域。
背景技术
高速飞行器在大气层中高速飞行时，由于高马赫数下气动加热效应，飞行器表面结构需要承受机械载荷的同时还承受较强烈的热载荷。对于飞行器的大面积机身部分，一般采用金属、隔毡等防热结构组成防热系统，实现隔热效果保护内部常温结构效能不受影响。传统的防热结构一般由高温金属金属蜂窝面板非灰纤维隔热层等组成多层结构。近年来，发达国家开始发展金属防热结构，这一技术领域新结构一体化、新材料工艺是主要发展方向。由于国内高超音速科技研究相对滞后，已有的防热结构主要以传统防热结构为主。国内外已有很多学者对金属主动防护系统进行了研究。在国内也有大量研究，不过集中在400℃至600℃之间，而且大部分金属防热材料采用铝合金，受限于本身的物理性质，很难承受更高的温度，而耐高温金属泡沫防热材料或蜂窝夹芯板，由于工艺水平的限制，很难投入工业使用。超高速飞行器作业过程中，由表面摩擦产生的气动热，经常使飞行器处于高温环境(如大于等于850℃的高温)，此外防热层常受到外冲击，这就要求结构具有缓冲机械载荷，维持集体外形，保护内部空间作用和冲击后仍具有热防护能力，而且可用于大于等于850℃的高温环境。目前还未发现的相关的报道。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种圆管夹芯防热结构件，该防热结构件可以实现高效隔热和抗冲击的性能。
本发明的技术解决方案：一种圆管夹芯防热结构件，由上层的高温镍基变形合金蜂窝面板、下层的镍基合金蜂窝板、夹在高温镍基变形合金蜂窝面板和镍基合金蜂窝板之间的圆管组构成；所述的圆管组之间的各圆管焊接在一起，圆管组的两端分别连接工艺管，工艺管一端密封焊接，另一端联结4分接头，用来通入冷却剂；所述的高温镍基变形合金蜂窝面板具有多层反射屏；所述的镍基合金蜂窝板具有多层反射屏；采用高温钎焊将上层的高温镍基变形合金面板和下层的镍基合金蜂窝板与圆管组间通过点接触，即线连接的方式连接在一起；所述的高温镍基变形合金是指大于等于850℃的高温镍基变形合金。
所述的高温镍基变形合金蜂窝面板具有三层反射屏。
所述的镍基合金蜂窝板具有两层反射屏。
所述的圆管组在自来水压力下应长期具有密封性。
所述的上层的高温镍基变形合金蜂窝面板和下层的镍基合金蜂窝板之间通过左右各两个镍基合金片形成C型联结。
所述的圆管组为不锈钢圆管组。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的高温和强热流首先作用在高温镍基变形合金蜂窝面板面板上，高温镍基变形合金保证了高温镍基变形合金蜂窝面板能够在高达850℃的高温下有足够的承载能力和抗腐蚀氧化性能；同时高温镍基变形合金蜂窝板和镍基合金蜂窝板的多层反射屏有效地反射了辐射热流，蜂窝腔体较好地阻止了从上层的高温镍基变形合金蜂窝面板蜂窝板和下层的镍基合金蜂窝板间的对流导热，具有很好的隔热效果。此外，由于圆管与高温镍基变形合金蜂窝面板蜂窝板和下层的镍基合金蜂窝板间以线接触方式联结，利用圆管的抗冲击吸特性和点接触传热特性，有效地阻止了来自高温蜂窝面板的热传导，实现高效隔热和抗冲击的性能，解决了传统放热结构抗冲击能力差的特点。
(2)本发明的高温镍基变形合金蜂窝面板具有三层反射屏，镍基合金蜂窝板具有两层反射屏，这种组合其更能够辐射掉大部分入射热量，从而能够更好地阻止剩余入射热量中的大部分向内传递。
(3)本发明的高温镍基变形合金蜂窝面板和镍基合金蜂窝板之间通过左右各两个镍基合金片形成C型联结，这样的固定方式使面板容易安装、拆卸，有助于降低维修成本，而且其支撑系统更坚固。
附图说明
图1为本发明结构的主视示意图；
图2为本发明结构的俯视示意图；
图3为本发明的结构立体示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由上层的高温镍基变形合金蜂窝面板1、下层的镍基合金蜂窝板2、夹在高温镍基变形合金蜂窝面板1和镍基合金蜂窝板2之间的圆管组3构成。高温镍基变形合金1是指大于等于850℃的高温镍基变形合金。圆管组3为不锈钢圆管组，可以采用Φ8mm的1Cr18NI9不锈钢管，圆管组3中的各圆管通过氩弧焊焊接在一起。圆管组3的两端分别连接工艺管11，工艺管11一端9密封焊接，另一端8联结4分接头，用来通入冷却剂，可以采用水冷模拟冷却剂。圆管组3的直径为8mm左右，两边的工艺管11大管直径为16mm左右，采用水冷模拟冷却剂。圆管组3在通冷却水的情况下，自来水压力下应长期具有密封性，这样圆管组3的水密封性能就是够达到十几次试验使用没有明显漏水现象，使可靠性提高。
上层的高温镍基变形合金蜂窝面板1和下层的镍基合金蜂窝板2之间通过左右各两个镍基合金片7形成C型联结。
高温镍基变形合金蜂窝面板1具有三层反射屏3，采用10mm-20mm的GH3044/GH3039高温镍基变形合金板；镍基合金蜂窝板2具有两层反射屏6，即为两层面板。通过高温钎焊(至少800℃)将上层的高温镍基变形合金面板1和下层的镍基合金蜂窝板2与圆管组3间通过点接触4，即线连接的方式连接在一起，高温钎焊使用焊接工艺参照航空标准。
上层的高温镍基变形合金蜂窝面板1和镍基合金蜂窝板2的面内尺寸300mm*300mm以下板型结构，因此设计面内尺寸300mm*300mm的防热件。
为了进一步证明本发明效果，模拟了高温下航天器热防护系统的受热环境，对夹层为蜂窝和单层冷却管组合结构进行实验验证。
实验过程如下：
(1)将热电偶和热流传感器分别固定于试验件上以备测试温度和热流；
(2)加热并观测蜂窝板受热面的温度变化；
(3)温度升高到预定数值后停止加热；
(4)输出数据结果。
首先对高温镍基变形合金蜂窝面板1在150℃、200℃、300℃、400℃和500℃下的隔热性能，然后实验又分别测试了200℃、300℃、400℃、600℃、700℃和800℃下主动防热概念件的隔热性能。
实验结果：随着实验温度的升高，高温镍基变形合金蜂窝板的隔热性能逐渐提高。加热到150℃和200℃的情况下，前后表面温差大概50℃左右；加热到300℃和400℃的情况下前后表面温差大概70℃左右，而当加热到500℃的情况下，前后表面温差达100℃，这说明此高温镍基变形合金蜂窝面板作为防热系统的关键部件能起到很好的隔热作用。
本发明能够承受设计热表面达到温度800℃环境下5分钟使用没有任何损坏。利用圆管中水流带走热量能使得后表面的温度基本控制在100℃以下，说明本发明能够起到很好的防热作用，而且防热效率较被动防热结构有很大提高。
本发明同时考虑了防热冷却和抵抗冲击两方面的综合因素，而且其结构和工艺简单，加工成本较低，抗冲击能量吸收能力良好，可以很好的适用于高速飞行器大范围防热需求。
Claims (5)
1.一种圆管夹芯防热结构件，其特征在于：由上层的高温镍基变形合金蜂窝面板(1)、下层的镍基合金蜂窝板(2)、夹在高温镍基变形合金蜂窝面板(1)和镍基合金蜂窝板(2)之间的圆管组(3)构成；所述的圆管组(3)之间的各圆管焊接在一起，圆管组(3)的两端分别连接工艺管(11)，工艺管(11)一端(9)密封焊接，另一端(8)联结4分接头，用来通入冷却剂；所述的高温镍基变形合金蜂窝面板(1)具有多层反射屏；所述的镍基合金蜂窝板(2)具有多层反射屏；采用高温钎焊将上层的高温镍基变形合金面板(1)和下层的镍基合金蜂窝板(2)与圆管组(3)间通过线接触的方式连接在一起；所述的高温镍基变形合金(1)是指大于等于850℃的高温镍基变形合金；所述的圆管组(3)为不锈钢圆管组。
2.根据权利要求1所述的一种圆管夹芯防热结构件，其特征在于：所述的高温镍基变形合金蜂窝面板(1)具有三层反射屏(5)。
3.根据权利要求1所述的一种圆管夹芯防热结构件，其特征在于：所述的镍基合金蜂窝板(2)具有2层反射屏(6)。
4.根据权利要求1所述的一种圆管夹芯防热结构件，其特征在于：所述的圆管组(3)在自来水压力下应长期具有密封性。
5.根据权利要求1所述的一种圆管夹芯防热结构件，其特征在于：所述的上层的高温镍基变形合金蜂窝面板和下层的镍基合金蜂窝板之间通过左右各两个镍基合金片(7)形成C型联结。
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