CN108438205A - 自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法 - Google Patents

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伍楠
贺菲
丁锐
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Abstract

本发明公开了一种自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，采用耐高温材料制备出呈多微孔结构的前缘本体，并在前缘本体表面覆盖一层升华型不渗透烧蚀涂层；在前缘本体的后部固定连接有冷却剂供给通道，且预先在前缘本体围成的冷却腔内封存冷却剂；当烧蚀涂层的表面温度低于烧蚀涂层的材料的升华温度时，表面的孔是封闭的，此时发汗冷却系统未被激活；在外部变化热流的作用下，位于前缘本体驻点的高热流区域烧蚀涂层优先升华，主动发汗冷却机制被局部激活，冷却剂从孔中渗出，并在覆盖一层保护气膜，加强该区域的局部热防护。该方法可以提高前缘驻点高热流区域的热防护效果，并实现冷却剂用量的最优化利用。

Description

自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法
技术领域
本发明涉及一种飞行器热防护技术，尤其涉及一种自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法。
背景技术
随着高超声速飞行器技术的发展，其热防护问题日益突出。对于高超声速飞行器的一些关键部位如前缘头帽、机翼前缘、进气道唇口等，其热问题更严峻。图1a和图1b给出了单一前缘的热环境特点，可以看出与航天飞机钝前缘相比，尖前缘的热流峰值更高，特别是在前缘的驻点区域。因此，设计和发展高效的主动热防护系统，是解决热防护问题的关键所在。
在现有的前缘类的主动冷却热防护系统中，发汗冷却被认为是一种最具潜力的解决高超声速飞行器极端高热流的热防护技术。与气态冷却介质不同，由于相变过程中释放大量的潜热，液体相变发汗冷却更高效，也引起了研究人员的广泛关注。虽然液态冷却剂的相变发汗冷却呈现较好的冷却效果，仍有很大的提升空间，如在高超声速飞行器前缘的滞止点，由于热流密度和气动压力最大，导致冷却效率往往是最低的。因此，很有必要局部增加滞止点的冷却剂用量。
目前关于这一问题的改进主要包括非等壁厚设计、冷却剂分流道设计等，为了更有效便捷的实现对前缘滞止点的热防护，需要探索新型的冷却机制及冷却介质封存技术，提高液体相变发汗冷却技术的工程化设计水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，包括：
采用耐高温材料制备出呈多微孔结构的前缘本体，并在所述前缘本体表面覆盖一层升华型不渗透烧蚀涂层；
在所述前缘本体的后部固定连接有冷却剂供给通道，且预先在前缘本体围成的冷却腔内封存冷却剂；
当所述烧蚀涂层的表面温度低于烧蚀涂层的材料的升华温度时，表面的孔是封闭的，此时发汗冷却系统未被激活；
在外部变化热流的作用下，位于前缘本体驻点的高热流区域烧蚀涂层优先升华，主动发汗冷却机制被局部激活，冷却剂从孔中渗出，并在覆盖一层保护气膜，加强该区域的局部热防护。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，通过在多孔前缘本体的表面覆盖升华型不渗透烧蚀涂层，实现发汗冷却机制对外界热流的自适应局部激活特性及冷却机制的封存，进而提高前缘驻点高热流区域的热防护效果，并实现冷却剂用量的最优化利用。
附图说明
图1为高超声速飞行器典型前缘部位热流分布图；
图2为本发明实施例中高超声速前缘热的结构示意图(低热流环境)；
图3为本发明实施例中高超声速前缘热的结构示意图(高热流环境)。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其较佳的具体实施方式是：
包括：
采用耐高温材料制备出呈多微孔结构的前缘本体，并在所述前缘本体表面覆盖一层升华型不渗透烧蚀涂层；
在所述前缘本体的后部固定连接有冷却剂供给通道，且预先在前缘本体围成的冷却腔内封存冷却剂；
当所述烧蚀涂层的表面温度低于烧蚀涂层的材料的升华温度时，表面的孔是封闭的，此时发汗冷却系统未被激活；
在外部变化热流的作用下，位于前缘本体驻点的高热流区域烧蚀涂层优先升华，主动发汗冷却机制被局部激活，冷却剂从孔中渗出，并在覆盖一层保护气膜，加强该区域的局部热防护。
所述前缘本体由耐高温合金或陶瓷复合材料制成。
所述烧蚀涂层的材料的升华点低于所述前缘本体的安全使用温度。
所述烧蚀涂层的材料具有较好的密封性。
所述烧蚀涂层的材料升华后无残余物。
所述烧蚀涂层的材料的厚度数量级为102μm。
所选冷却剂为液态冷却剂。
所述冷却剂供给通道为单一通道或多通道。
本发明的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，具有以下的优点：
1、本发明可以确保结构的表面温度低于升华温度时，发汗冷却系统未被激活，涂层可以牢牢地锁住多孔结构的表面孔隙，对外防止颗粒和异物阻塞微孔，对内减少冷却介质的泄露。
2、一旦高热流区域的涂层材料升华，主动发汗冷却机制被局部激活，冷却剂从孔中渗出并在表面覆盖一层保护气膜，相比于单一的发汗冷却，该高热流区域的冷却剂用量会增加，局部冷却效率会显著提高。
3、本发明是一种自适应型的热防护方法，可以主动的寻找前缘高热流区域的作用位置，并优先释放冷却剂。并且，冷却剂可以从不同的角度流出，对于主流攻角不确定的情况更具优势。
4、本发明中的涂层厚度较小，液体发汗冷却的蒸汽层足够维持气动外形的平衡，避免了单一烧蚀冷却对结构外形的改变。
5、本发明通过在多孔前缘基体的表面覆盖升华型不渗透烧蚀涂层，实现发汗冷却机制对外界热流的自适应局部激活特性及冷却机制的封存，进而提高前缘驻点高热流区域的热防护效果，并实现冷却剂用量的最优化利用。
具体实施例：
如图2、图3所示，本发明包括由耐高温材料制备而成的呈多微孔结构的前缘本体1，在多孔前缘的表面覆盖有一层升华型不渗透烧蚀涂层2，在前缘本体1后部连接有冷却剂供给通道3，并事先在冷却腔4内封存冷却剂。如图2所示，当涂层2的表面温度低于烧蚀材料的升华温度时，多孔前缘1表面的孔隙是闭合的，此时主动发汗冷却系统未被激活；如图3所示，在外部变化热流的作用下，位于前缘驻点局部高热流区域的烧蚀涂层2优先升华，主动发汗冷却机制被局部激活，冷却剂从孔中渗出。
本发明的冷却原理如下：本发明通过在多孔前缘基体1表面覆盖升华型不渗透烧蚀涂层2，实现发汗冷却机制的自适应局部激活。当处于低热流环境时，烧蚀涂层2处于安全温度范围内，主动发汗冷却系统未被激活，涂层2可以牢牢地锁住多孔前缘基体1的表面孔隙，阻止冷却腔4内冷却剂的泄露以及外部主流中的颗粒和异物对多孔前缘基体1孔隙的阻塞。当进入高热流环境时，烧蚀涂层2表面的温度迅速上升，表面热流分布极强的不均匀性确保了发汗冷却机制局部激活的自适应性。位于驻点局部高热流区域的烧蚀涂层2会首先升华，该区域的主动发汗冷却机制被局部激活，冷却剂从打开的孔中渗出并在表面覆盖一层保护气膜。相比于单一的发汗冷却，该高热流区域的冷却剂用量会增加，局部冷却效率会显著提高。本发明中的涂层厚度较小，液体发汗冷却的蒸汽层足够维持气动外形的平衡，避免了单一烧蚀冷却对结构外形的改变。本发明通过在多孔前缘基体1的表面覆盖升华型不渗透烧蚀涂层2，实现发汗冷却机制对外界热流的自适应局部激活特性，进而提高前缘驻点高热流区域的热防护效果，并实现冷却剂用量的最优化利用。
上述实施例中，多孔前缘本体1由耐高温合金或陶瓷复合材料制成。
上述实施例中，烧蚀涂层2材料的升华点低于多孔前缘本体1的安全使用温度。
上述实施例中，烧蚀涂层2具有较好的密封性。
上述实施例中，烧蚀涂层2升华后无残余物。
上述实施例中，所述涂层材料的厚度数量级为102μm。
上述实施例中，冷却剂优先选择液态冷却剂。
上述实施例中，优先选择多冷却剂注入管道。
上述实施例中，多孔前缘优先选择非等壁厚设计，削减驻点区域的壁厚，以提高前缘驻点区域的冷却剂注入量，两者的叠加作用可以非常明显地减轻现有技术中存在的问题。
上述各实施例仅用于本发明的目的，技术方案和有益效果进行了说明，并不用于限制本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其特征在于，包括：
采用耐高温材料制备出呈多微孔结构的前缘本体，并在所述前缘本体表面覆盖一层升华型不渗透烧蚀涂层；
在所述前缘本体的后部固定连接有冷却剂供给通道，且预先在前缘本体围成的冷却腔内封存冷却剂；
当所述烧蚀涂层的表面温度低于烧蚀涂层的材料的升华温度时，表面的孔是封闭的，此时发汗冷却系统未被激活；
在外部变化热流的作用下，位于前缘本体驻点的高热流区域烧蚀涂层优先升华，主动发汗冷却机制被局部激活，冷却剂从孔中渗出，并在覆盖一层保护气膜，加强该区域的局部热防护。
2.根据权利要求1所述的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其特征在于，所述前缘本体由耐高温合金或陶瓷复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其特征在于，所述烧蚀涂层的材料的升华点低于所述前缘本体的安全使用温度。
4.根据权利要求3所述的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其特征在于，所述烧蚀涂层的材料具有较好的密封性。
5.根据权利要求4所述的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其特征在于，所述烧蚀涂层的材料升华后无残余物。
6.根据权利要求5所述的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其特征在于，所述烧蚀涂层的材料的厚度数量级为102μm。
7.根据权利要求6所述的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其特征在于，所选冷却剂为液态冷却剂。
8.根据权利要求1至7任一项所述的自适应局部激活发汗冷却的高超声速前缘热防护方法，其特征在于，所述冷却剂供给通道为单一通道或多通道。
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