CN111572821A - 热防护壁板块、板状热防护系统及环状热防护系统 - Google Patents

热防护壁板块、板状热防护系统及环状热防护系统 Download PDF

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姜培学
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Abstract

本发明公开了一种热防护壁板块，涉及热防护技术领域，热防护壁板块包括通道层，通道层内沿通道层纬度方向设置有若干个并联的整流单元，整流单元为由多个沿通道层经度方向设置的经度通道和多个沿通道层纬度方向设置的纬度通道交叉组成的网格状通道，各整流单元内的经度通道和纬度通道的交叉位置相互连通，在各整流单元底部设置有整流单元进水口，在各整流单元顶部设置有整流单元排气口；本发明还公开了一种板状热防护系统，板状热防护系统包括如上所述的热防护壁板块；本发明还公开了一种环状热防护系统，包括环形壁板和如上所述的热防护壁板块，环形壁板由两个热防护壁板块并联组成，能够实现大面积带曲率的壁板块表面温度的均匀性和稳定性。

Description

热防护壁板块、板状热防护系统及环状热防护系统
技术领域
本发明涉及热防护技术领域，特别是涉及一种热防护壁板块、板状热防护系统及环状热防护系统。
背景技术
伴随着我国综合国力的提升和科学技术的进步，航空航天技术被广泛应用于军事巡航、火箭、卫星定位等领域，进而推动国防能力和空间资源利用。一种代表性的技术是临近空间飞行器的研发，临近空间处于距地面20-100km区域，具有飞行气流平稳、与地面通信方便等优势，因而临近空间飞行技术获得了广泛的关注和应用。飞行过程中，飞行器整个舱体受外界气动加热，壁面温度持续升高，为保护舱体内部电子元件，需要沿舱体壁板块设置高效热防护结构。飞行器冷却方式主要分为单相流体对流换热冷却和相变换热冷却，考虑到飞行器携带冷却液的重量需求，采用相变换热已成为飞行器冷却方式的主流，常见的相变换热方式包括相变发汗冷却、通道流动沸腾、自抽吸发汗冷却等。这些冷却方式可以较好地实现对飞行器舱体关键部位的热防护，例如发动机机身、头锥前缘部位等。
通道流动沸腾是一种发展成熟且冷却效率高的相变冷却方式，当有冷却需求时，冷却液进入覆盖在舱体上的通道中，吸热沸腾并带走热量。但对于大面积带曲率的壁板块的热防护，需要对换热结构、通道连通方式进行合理设计，才能实现壁板块表面温度的均匀性和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种热防护壁板块、板状热防护系统及环状热防护系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现大面积带曲率的壁板块表面温度的均匀性和稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种热防护壁板块，包括通道层，所述通道层内沿所述通道层纬度方向设置有若干个并联的整流单元，所述整流单元为由多个沿所述通道层经度方向设置的经度通道和多个沿所述通道层纬度方向设置的纬度通道交叉组成的网格状通道，各所述整流单元内的所述经度通道和所述纬度通道的交叉位置相互连通，在各所述整流单元的底部设置有整流单元进水口，所述整流单元进水口用于冷却液进入所述整流单元，在各所述整流单元的顶部设置有整流单元排气口，所述整流单元排气口用于排放气态冷却剂。
优选的，所述经度通道与所述纬度通道均为毫米级通道。
优选的，还包括高强度支撑层，所述高强度支撑层一侧与所述通道层固定连接。
优选的，所述高强度支撑层包括泡沫金属层和底板层，所述泡沫金属层一侧与所述通道层固定连接，所述泡沫金属层的另一侧与所述底板层固定连接，所述泡沫金属层由电沉积工艺加工制成，所述底板层和所述通道层均为铝合金层。
本发明还提供一种板状热防护系统，包括如上所述的热防护壁板块。
优选的，还包括限流阀、进水管道和排气管道，各所述整流单元进水口上均设置一所述限流阀，所述进水管道与各所述限流阀连通，所述排气管道与各所述整流单元排气口连通。
优选的，还包括调压阀、水囊和水泵，所述调压阀设置在所述排气管道的出口处，所述水囊与所述水泵的输入端连通，所述水泵的输出端与所述进水管道连通。
本发明还提供一种环状热防护系统，包括环形壁板和如上所述的热防护壁板块，所述环形壁板由两个所述热防护壁板块并联组成。
优选的，还包括限流阀、进水管道和排气管道，各所述整流单元进水口上均设置一所述限流阀，所述进水管道与各所述限流阀连通，所述排气管道与各所述整流单元排气口连通。
优选的，还包括调压阀、水囊和水泵，所述调压阀设置在所述排气管道的出口处，所述水囊与所述水泵的输入端连通，所述水泵的输出端与所述进水管道连通。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明公开了一种热防护壁板块、板状热防护系统及环状热防护系统，通道层内沿通道层纬度方向设置有若干个并联的整流单元，整流单元为网格状通道，冷却液由各整流单元进水口进入整流单元内，经各整流单元中的通道由壁板块底部上升至壁板块顶部的过程中吸收壁板块表面的热量沸腾发生相变反应，转化为气体由壁板块顶部的整流单元排气口排出，纬度通道用于强化传热，一方面可以抑制流动边界层和热边界层的发展，另一方面，若经度通道内产生局部气体堵塞，纬度通道能够有效抑置制干涸区的发展，进而缓解堵塞，实现整个壁板块表面温度的均匀性，在壁板块实际飞行过程中，壁板块飞行姿态及过载所施加的加速度会对通道内的冷却液流动产生影响，整流单元的设置可以控制冷却液流向，能够有效抑制冷却液大范围纬度方向流动，实现整个壁板块表面温度的稳定性。
进一步的，经度通道与纬度通道均为毫米级通道，能够降低壁板块受热面和壁板块非受热面的温差，减少冷却液浪费，同时缓解通道内气液分层现象，能够有效抑制两相流不稳定现象的发生。
进一步的，高强度支撑层的设置，既可以起到加强壁板块强度的作用，又可以起到隔热作用，保护壁板块内部器件温度不超过允许值。
进一步的，高强度支撑层为包括泡沫金属层和底板层，泡沫金属层强度高，支撑性强，泡沫金属层由电沉积工艺加工制成，泡沫金属和铝合金的密度小、质量轻，能够降低壁板块的重量。
进一步的，限流阀的设定，能够进一步调整进入各整流单元的液态冷却剂的流量，抑制冷却液大范围纬度方向流动，缓解冷却液分流至各整流单元内流量分配不均匀的问题；进水管道和排气管道的设置，使冷却液的压力得到缓冲，进一步缓解冷却液分流至各整流单元内流量分配不均匀的问题。
进一步的，在排气管道的出口设置调压阀用于调节排气管道内的压力，能够控制壁板块热防护层内部的相变温度；水囊和水泵作为冷却液输送装置，结构简单，易于采购。
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为实施例一提供的一种热防护壁板块的整流单元的结构示意图；
图2为实施例一提供的一种热防护壁板块的整流通道的结构示意图；
图3为实施例一提供的一种热防护壁板块的结构示意图；
图4为实施例二提供的一种板状热防护系统示意图；
图5为实施例三提供的一种环状热防护系统示意图；
图中：1-通道层，2-整流单元，3-整流单元进水口，4-整流单元排气口，5-经度通道，6-纬度通道，7-高强度支撑层，8-泡沫金属层，9-底板层，10-进水管道，11-排气管道，12-限流阀，13-调压阀，14-水泵，15-水囊。
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。
本发明的目的是提供一种热防护壁板块、板状热防护系统及环状热防护系统，以解决现有技术存在的问题，能够实现大面积带曲率的壁板块表面温度的均匀性和稳定性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供一种壁板块热防护层，如图1～3所示，于本实施例中，热防护壁板块包括通道层1，通道层1内沿通道层1纬度方向设置有若干个并联的整流单元2，整流单元2为由多个沿通道层1经度方向设置的经度通道5和多个沿通道层1纬度方向设置的纬度通道6交叉组成的网格状通道，各整流单元2内的经度通道5和纬度通道6的交叉位置相互连通，在各整流单元2的底部设置有整流单元进水口3，整流单元进水口3用于冷却液进入整流单元2，在各整流单元2的顶部设置有整流单元排气口4，整流单元排气口4用于排放气态冷却剂。
通道层1内部沿通道层纬度方向设置了若干个并联的整流单元2，整流单元2为网格状通道，冷却液由各整流单元进水口3进入整流单元2内，经各整流单元2中的通道由壁板块底部上升至壁板块顶部的过程中吸收壁板块表面的热量沸腾发生相变反应，转化为气体由壁板块顶部的整流单元排气口4排出，纬度通道6用于强化传热，一方面可以抑制流动边界层和热边界层的发展，另一方面，若经度通道5内产生局部气体堵塞，纬度通道6能够有效抑置制干涸区的发展，进而缓解堵塞，实现整个壁板块表面温度的均匀性，在壁板块实际飞行过程中，壁板块飞行姿态及过载所施加的加速度会对通道内的冷却液流动产生影响，整流单元2的设置可以控制冷却液流向，能够有效抑制冷却液大范围纬度方向流动，实现整个壁板块表面温度的稳定性。
经度通道5与纬度通道6均为毫米级通道，能够降低壁板块受热面和壁板块非受热面的温差，减少冷却液浪费，同时缓解通道内气液分层现象，能够有效抑制两相流不稳定现象的发生。
还包括高强度支撑层7，高强度支撑层7一侧与通道层1固定连接，通道层1设置在热防护壁板块上需要降温的一侧，高强度支撑层7的设置，既可以起到加强壁板块强度的作用，又可以起到隔热作用，保护壁板块内部器件温度不超过允许值。
高强度支撑层7包括泡沫金属层8和底板层9，泡沫金属层8一侧与通道层1固定连接，泡沫金属层8的另一侧与底板层9固定连接，泡沫金属层8由电沉积工艺加工制成，底板层9和通道层16均为铝合金层，泡沫金属层8强度高，支撑性强，泡沫金属层8由电沉积工艺加工制成，泡沫金属和铝合金的密度小、质量轻，能够降低壁板块的重量。
实施例二
本实施例提供一种板状热防护系统，如图4所示，于本实施例中，板状热防护系统包括实施例一中的热防护壁板块，通道层1内沿通道层1经度方向设置有若干个并联的整流单元2，整流单元2为网格状通道，冷却液由各整流单元进水口3进入整流单元2内，经各整流单元2中的通道由壁板块底部上升至壁板块顶部的过程中吸收壁板块表面的热量沸腾发生相变反应，转化为气体由壁板块顶部的整流单元排气口4排出，纬度通道6用于强化传热，一方面可以抑制流动边界层和热边界层的发展，另一方面，若经度通道5内产生局部气体堵塞，纬度通道6能够有效抑置制干涸区的发展，进而缓解堵塞，实现整个壁板块表面温度的均匀性，在壁板块实际飞行过程中，壁板块飞行姿态及过载所施加的加速度会对通道内的冷却液流动产生影响，整流单元2的设置可以控制冷却液流向，能够有效抑制冷却液大范围纬度方向流动，实现整个壁板块表面温度的稳定性。
还包括限流阀12、进水管道10和排气管道11，各整流单元进水口上均设置一限流阀12，进水管道10与各限流阀12连通，排气管道11与各整流单元排气口连通，限流阀12的设定，能够进一步调整进入各整流单元2的液态冷却剂的流量，抑制冷却液大范围纬度方向流动，缓解冷却液分流至各整流单元2内流量分配不均匀的问题；进水管道10和排气管道11的设置，使冷却液的压力得到缓冲，进一步缓解冷却液分流至各整流单元2内流量分配不均匀的问题。
还包括调压阀13、水囊15和水泵14，调压阀13设置在排气管道11的出口处，水囊15与水泵14的输入端连通，水泵14的输出端与进水管道10连通，调压阀13用于调节排气管道11内的压力，能够控制壁板块热防护层内部的相变温度；水泵14结构简单，易于采购。
实施例三
本实施例提供一种环形热防护系统，如图5所述，于本实施例中，环形热防护系统包括环形壁板和实施例一中的热防护壁板块，环形壁板由两个热防护壁板块并联组成，能够更好的适应环形壁板的热防护，提高环形壁板的热防护效率，环形壁板可以为圆环形壁板，也可以为锥形环状壁板，通道层1内沿通道层1经度方向设置有若干个并联的整流单元2，整流单元2为网格状通道，冷却液由各整流单元进水口3进入整流单元2内，经各整流单元2中的通道由壁板块底部上升至壁板块顶部的过程中吸收壁板块表面的热量沸腾发生相变反应，转化为气体由壁板块顶部的整流单元排气口4排出，纬度通道6用于强化传热，一方面可以抑制流动边界层和热边界层的发展，另一方面，若经度通道5内产生局部气体堵塞，纬度通道6能够有效抑置制干涸区的发展，进而缓解堵塞，实现整个壁板块表面温度的均匀性，在壁板块实际飞行过程中，壁板块飞行姿态及过载所施加的加速度会对通道内的冷却液流动产生影响，整流单元2的设置可以控制冷却液流向，能够有效抑制冷却液大范围纬度方向流动，实现整个壁板块表面温度的稳定性。
还包括限流阀12、进水管道10和排气管道11，各整流单元进水口上均设置一限流阀12，进水管道10与各限流阀12连通，排气管道11与各整流单元排气口连通，限流阀12的设定，能够进一步调整进入各整流单元2的液态冷却剂的流量，抑制冷却液大范围纬度方向流动，缓解冷却液分流至各整流单元2内流量分配不均匀的问题；进水管道10和排气管道11的设置，使冷却液的压力得到缓冲，进一步缓解冷却液分流至各整流单元2内流量分配不均匀的问题。
还包括调压阀13、水囊15和水泵14，调压阀13设置在排气管道11的出口处，水囊15与水泵14的输入端连通，水泵14的输出端与进水管道10连通，调压阀13用于调节排气管道11内的压力，能够控制壁板块热防护层内部的相变温度；水泵14结构简单，易于采购。
实施例四
本实施例提供一种飞行器舱体，于本实施例中，飞行器舱体包括舱体和实施例三中的环状热防护系统，环形壁板组成舱体的侧壁面，水泵14和水囊15设置在舱体内表面的底部，通过实施例三中的环状热防护系统能够实现飞行器舱体表面温度的均匀性，在飞行器舱体实际飞行过程中，壁板块飞行姿态及过载所施加的加速度会对通道内的冷却液流动产生影响，整流单元2的设置可以控制冷却液流向，能够有效抑制冷却液大范围纬度方向流动，实现整个飞行器舱体表面温度的稳定性。
实施例五
本实施例提供一种飞行器，于本实施例中，飞行器包括实施例四中的飞行器舱体，环状热防护系统能够实现飞行器舱体表面温度的均匀性，在飞行器舱体实际飞行过程中，壁板块飞行姿态及过载所施加的加速度会对通道内的冷却液流动产生影响，整流单元2的设置可以控制冷却液流向，能够有效抑制冷却液大范围纬度方向流动，实现整个飞行器舱体表面温度的稳定性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种热防护壁板块，其特征在于：包括：通道层，所述通道层内沿所述通道层纬度方向设置有若干个并联的整流单元，所述整流单元为由多个沿所述通道层经度方向设置的经度通道和多个沿所述通道层纬度方向设置的纬度通道交叉组成的网格状通道，各所述整流单元内的所述经度通道和所述纬度通道的交叉位置相互连通，在各所述整流单元的底部设置有整流单元进水口，所述整流单元进水口用于冷却液进入所述整流单元，在各所述整流单元的顶部设置有整流单元排气口，所述整流单元排气口用于排放气态冷却剂。
2.根据权利要求1所述的热防护壁板块，其特征在于：所述经度通道与所述纬度通道均为毫米级通道。
3.根据权利要求1所述的热防护壁板块，其特征在于：还包括高强度支撑层，所述高强度支撑层一侧与所述通道层固定连接。
4.根据权利要求1所述的热防护壁板块，其特征在于：所述高强度支撑层包括泡沫金属层和底板层，所述泡沫金属层一侧与所述通道层固定连接，所述泡沫金属层的另一侧与所述底板层固定连接，所述泡沫金属层由电沉积工艺加工制成，所述底板层和所述通道层均为铝合金层。
5.一种板状热防护系统，其特征在于：包括权利要求1～4中任意一种所述的热防护壁板块。
6.根据权利要求5所述的板状热防护系统，其特征在于：还包括限流阀、进水管道和排气管道，各所述整流单元进水口上均设置一所述限流阀，所述进水管道与各所述限流阀连通，所述排气管道与各所述整流单元排气口连通。
7.根据权利要求6所述的板状热防护系统，其特征在于：还包括调压阀、水囊和水泵，所述调压阀设置在所述排气管道的出口处，所述水囊与所述水泵的输入端连通，所述水泵的输出端与所述进水管道连通。
8.一种环状热防护系统，其特征在于：包括环形壁板和如权利要求1～4中任意一项所述的热防护壁板块，所述环形壁板由两个所述热防护壁板块并联组成。
9.根据权利要求8所述的环状热防护系统，其特征在于：还包括限流阀、进水管道和排气管道，各所述整流单元进水口均设置一所述限流阀，所述进水管道与各所述限流阀连通，所述排气管道与各所述整流单元排气口连通。
10.根据权利要求9所述的环状热防护系统，其特征在于：还包括调压阀、水囊和水泵，所述调压阀设置在所述排气管道的出口处，所述水囊与所述水泵的输入端连通，所述水泵的输出端与所述进水管道连通。
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