CN109823508A - 超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，包括表层闪蒸发汗热防护微孔道层和底层生存状态感知柔性基底层，底层生存状态感知柔性基底层的上表面与表层闪蒸发汗热防护微孔道层的下表面相接，表层闪蒸发汗热防护微孔道层的上表面设有冷却剂溢出孔，表层闪蒸发汗热防护微孔道层内部刻蚀有毛细末端微孔道、次级微孔道、主干微孔道，冷却剂溢出孔与毛细末端微孔道相通，毛细末端微孔道位于次级微孔道内壁上并与其相通，次级微孔道位于主干微孔道内壁上并与其相通。表层闪蒸发汗热防护微孔道层上表面固定有表层柔性封装电阻温度传感器，底层生存状态感知柔性基底层内嵌底层柔性应力传感器和底层柔性应变传感器。

Description

超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，涉及一种超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮。

背景技术

现有高速飞行器无法实现可变形飞行。其原因在于高速飞行器以5~25马赫的飞行速度突破或再入大气层的过程中，飞行器对周围空气产生强烈的挤压作用形成激波层，使飞行器表面与周围空气剧烈摩擦产生黏滞流体。这种激波层的粘性耗散会引起飞行器表面压力与温度急剧上升，飞行器在高速飞行下形成的高温与等离子体等极端复杂的环境使得飞行器只能采用耐高温的刚性金属材料作为表面防护材料，制约了现有高速飞行器无法实现可变形飞行。

目前，应用于可变体飞行器的柔性蒙皮和发汗冷却热防护的主要研究有：（1）橡胶类柔性蒙皮或纤维增强型复合橡胶材料制备的柔性蒙皮，如中国专利申请，授权号CN207389526U，该发明公开了一种柔性蒙皮，包括柔性弹簧骨架和超弹性硅橡胶薄片，但该蒙皮非全柔性，自由度下降，且无法承受高温，只能在低空低速飞行器上使用，并且该蒙皮无法感知生存状态。（2）刚性材料基底热防护技术，如中国专利申请，公开号CN108423154A，该发明公开了一种基于梯度多孔材料的高超声速飞行器前缘热防护方法，采用耐高温材料制备出具有梯度孔隙率的多孔前缘，注入冷却工质进行热防护，但该技术采用了刚性金属材料基底，无法形变，不可适用于可变体飞行器。

综上所述，现有的柔性蒙皮只能用于低空（高度<20km）和低速（<1.2马赫）环境，在较大的大气压力下如何实现蒙皮的柔性可延展是其面临的关键问题。对于在高空（高度>20km）和高速（速度>5马赫）飞行的高速飞行器而言，飞行器蒙皮所需承受的气动载荷要远小于低空环境，但蒙皮在高马赫数下会受到严重的气动热威胁。因此，发明能够在高温等极端环境下具有柔性可延展和状态自感知的柔性蒙皮是高速飞行器实现可变形飞行的关键和瓶颈问题。

发明内容

本发明提供一种超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，解决了现有柔性蒙皮因其无法承受高温且柔性可延展性差只能用于低空和低速环境，无法用于高空和高速可变体飞行器上的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，包括表层闪蒸发汗热防护微孔道层和底层生存状态感知柔性基底层，所述底层生存状态感知柔性基底层的上表面与表层闪蒸发汗热防护微孔道层的下表面相连接。

进一步的，所述表层闪蒸发汗热防护微孔道层和底层生存状态感知柔性基底层的材质是柔性聚合物。

进一步的，所述表层闪蒸发汗热防护微孔道层的上表面设置有冷却剂溢出孔；所述表层闪蒸发汗热防护微孔道层内部刻蚀有毛细末端微孔道、次级微孔道、主干微孔道。

进一步的，所述柔性聚合物是聚二甲基硅氧烷。

进一步的，所述冷却剂溢出孔与毛细末端微孔道相通，所述毛细末端微孔道位于次级微孔道内壁上并与其相通，所述次级微孔道位于主干微孔道内壁上并与其相通。

进一步的，所述表层闪蒸发汗热防护微孔道层上表面固定有表层柔性封装电阻温度传感器；所述底层生存状态感知柔性基底层内嵌有底层柔性应力传感器和底层柔性应变传感器。

进一步的，所述底层柔性应力传感器和底层柔性应变传感器采用柔性应力应变感知材料。

进一步的，所述表层柔性封装电阻温度传感器的敏感测温单元采用柔性封装铂电阻。

进一步的，所述柔性应力应变感知材料是三维石墨烯泡沫。

进一步的，所述主干微孔道的管道直径大于次级微孔道的管道直径，所述次级微孔道的管道直径大于毛细末端微孔道的管道直径；所述冷却剂溢出孔的孔径与毛细末端微孔道的管道直径相等；所述冷却剂溢出孔的数量与毛细末端微孔道的数量相等，所述次级微孔道的数量小于毛细末端微孔道的数量，所述主干微孔道的数量小于次级微孔道的数量。

本发明的有益效果是，在柔性材料中制作微孔道并注入冷却工质以模仿人体皮肤的发汗冷却效应，将外界温度降低到柔性材料耐受的温度范围内实现主动热防护；本发明的柔性蒙皮材质采用聚二甲基硅氧烷，延展拉伸效果良好；加入底层柔性应力传感器和底层柔性应变传感器，实现柔性蒙皮的状态自感知。作为高速飞行器可变形飞行的基础性关键问题，本发明的柔性蒙皮可广泛应用于战略/轻型导弹、高超声速飞行器、可往返航天器、空天飞机和返回式卫星等高速飞行器中，具有重要的科研意义和应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮结构示意图。

图2是本发明的分层结构拆分立体图。

图中，1.表层闪蒸发汗热防护微孔道层，11.冷却剂溢出孔，12.毛细末端微孔道，13.次级微孔道，14.主干微孔道，2.底层生存状态感知柔性基底层，3.表层柔性封装电阻温度传感器，4.底层柔性应力传感器，5.底层柔性应变传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

如图1~2所示，超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，包括表层闪蒸发汗热防护微孔道层1、底层生存状态感知柔性基底层2、表层柔性封装电阻温度传感器3、底层柔性应力传感器4和底层柔性应变传感器5；表层闪蒸发汗热防护微孔道层1的上表面设置有冷却剂溢出孔11，表层闪蒸发汗热防护微孔道层1内部刻蚀有毛细末端微孔道12、次级微孔道13、主干微孔道14，冷却剂溢出孔11与毛细末端微孔道12相通，毛细末端微孔道12位于次级微孔道13内壁上并与其相通，次级微孔道13位于主干微孔道14内壁上并与其相通，依次设置主干微孔道14、次级微孔道13、毛细末端微孔道12三级微孔道，且主干微孔道14的管道直径大于次级微孔道13的管道直径，次级微孔道13的管道直径大于毛细末端微孔道12的管道直径，冷却剂溢出孔11的孔径等于毛细末端微孔道12的管道直径，便于冷却剂的分层注入，使得冷却剂的注入更均匀，保证热防护的均匀性；表层柔性封装电阻温度传感器3固定于表层闪蒸发汗热防护微孔道层1上表面，直接进行温度测量；所述底层生存状态感知柔性基底层2的上表面与表层闪蒸发汗热防护微孔道层1的下表面相接，底层生存状态感知柔性基底层2内设有底层柔性应力传感器4和底层柔性应变传感器5。

表层闪蒸发汗热防护微孔道层1和底层生存状态感知柔性基底层2的材质是柔性聚合物，优选的是聚二甲基硅氧烷（pdms），因为适用空域高度不同，现有蒙皮适用于低空，气动载荷大，需要加上加强纤维与骨架，不然会撕裂，所以导致延展性下降。而本发明的蒙皮适用于临近空间（高度20~100km），气动载荷小，可以不使用加强纤维与骨架，从而延展性上升。

底层柔性应力传感器4和底层柔性应变传感器5采用柔性应力应变感知材料，优选三维石墨烯泡沫，灵敏度高。

冷却剂溢出孔11的数量与毛细末端微孔道12的数量相等，次级微孔道13的数量小于毛细末端微孔道12的数量，主干微孔道14的数量小于次级微孔道13的数量。

表层柔性封装电阻温度传感器3的体积小于表层闪蒸发汗热防护微孔道层1，保证表层柔性封装电阻温度传感器3能够内嵌于表层闪蒸发汗热防护微孔道层1内。

表层柔性封装电阻温度传感器3的敏感测温单元材料采用柔性封装铂电阻，测温精准度高。

本发明有望进一步推动高速飞行器的快速发展。首先，本发明柔性蒙皮使得高速飞行器的变形机构（如变形翼或变形舵机）成为可能，将进一步促进新型高速飞行器的研究和发展。其次，对于一次性不可返回式高速飞行器（如轻型导弹等）而言，有望通过变形机构改变姿态和方向，实现不携带发动系统和燃料，极大降低该类高速飞行器的成本。再次，现有高速飞行器通过携带可变形机构，在飞行过程中有望实现急速上升、下降或转弯等更为复杂的飞行动作。最后，对于长期运行的高速飞行器（如低轨卫星等）有望在燃料耗尽后，仍然通过变形结构实现飞行器姿态、轨道和方向的调整和改变。因此，作为高速飞行器可变形飞行的基础性关键问题，本发明可广泛应用于战略/轻型导弹、高超声速飞行器、可往返航天器、空天飞机和返回式卫星等高速飞行器中，具有重要的科研意义和应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，包括表层闪蒸发汗热防护微孔道层（1）和底层生存状态感知柔性基底层（2），所述底层生存状态感知柔性基底层（2）的上表面与表层闪蒸发汗热防护微孔道层（1）的下表面相连接。

2.根据权利要求1所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述表层闪蒸发汗热防护微孔道层（1）和底层生存状态感知柔性基底层（2）的材质是柔性聚合物。

3.根据权利要求1所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述表层闪蒸发汗热防护微孔道层（1）的上表面设置有冷却剂溢出孔（11）；

所述表层闪蒸发汗热防护微孔道层（1）内部刻蚀有毛细末端微孔道（12）、次级微孔道（13）、主干微孔道（14）。

4.根据权利要求2所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述柔性聚合物是聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求3所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述冷却剂溢出孔（11）与毛细末端微孔道（12）相通，所述毛细末端微孔道（12）位于次级微孔道（13）内壁上并与其相通，所述次级微孔道（13）位于主干微孔道（14）内壁上并与其相通。

6.根据权利要求1~5任一项所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述表层闪蒸发汗热防护微孔道层（1）上表面固定有表层柔性封装电阻温度传感器（3）；

所述底层生存状态感知柔性基底层（2）内嵌有底层柔性应力传感器（4）和底层柔性应变传感器（5）。

7.根据权利要求6所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述底层柔性应力传感器（4）和底层柔性应变传感器（5）采用柔性应力应变感知材料。

8.根据权利要求6所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述表层柔性封装电阻温度传感器（3）的敏感测温单元采用柔性封装铂电阻。

9.根据权利要求7所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述柔性应力应变感知材料是三维石墨烯泡沫。

10.根据权利要求3、5、7、8或9所述的超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，其特征在于，所述主干微孔道（14）的管道直径大于次级微孔道（13）的管道直径，所述次级微孔道（13）的管道直径大于毛细末端微孔道（12）的管道直径；

所述冷却剂溢出孔（11）的孔径与毛细末端微孔道（12）的管道直径相等；

所述冷却剂溢出孔（11）的数量与毛细末端微孔道（12）的数量相等，所述次级微孔道（13）的数量小于毛细末端微孔道（12）的数量，所述主干微孔道（14）的数量小于次级微孔道（13）的数量。