CN112357054B - 一种自启式防热结构及高速飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了自启式防热结构及高速飞行器，所述防热结构包括：异形高温热管(1)；储存罐(2)，与所述异形高温热管(1)连接构成空腔；多孔金属芯(4)，位于所述空腔内；冷却工质(3)，吸附于所述多孔金属芯(4)上；冷却通路(5)，一端连接在所述空腔内，另一端穿过所述异形高温热管(1)与外界环境相通。本发明将高温热管作为动用源概念引入到热结构中，降低了主动冷却的实现难度和使用代偿。防热结构、冷却工质与气动热环境三者耦合作用且相互反馈，实现了冷却工质的高效利用。

Description

一种自启式防热结构及高速飞行器

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，涉及高速飞行器热防护技术，尤其涉及一种自启式主动冷却结构以及具有该自启式主动冷却结构的高速飞行器。

背景技术

伴随着高速飞行器的出现和发展，防热材料及热结构的使用温度逐渐升高，达到甚至超过了现有防热材料体系的使用温度上限。

现有的热防护主要有三种方式：基于材料的被动式防热；基于热管理的半被动式防热；基于热管的半被式防热；基于工质传输的主动式防热。其中，主动防热的热防护性能最好。但结构复杂，实现难度大。特别是现有主动冷却结构几乎都需要动力源来驱动工质传输来实现热防护，从而大大提供了主动式热防护的使用代偿、限制了其的使用范围。

因此，本领域需要一种新的主动式防热结构。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种自启式防热结构。具体为：以热管为高导热介质，将气动加热热量快速传输到冷却工质，工质受热后汽化膨胀向气动加热面引射，从而在无动力源情况实现了高效主动冷却。

根据本发明的一个方面，提供一种自启式防热结构，所述防热结构包括：

异形高温热管；

储存罐，与所述异形高温热管连接构成空腔；

多孔金属芯，位于所述空腔内；

冷却工质，吸附于所述多孔金属芯上；

冷却通路，一端连接在所述空腔内，另一端穿过所述异形高温热管与外界环境相通。

进一步地，所述异形高温热管(1)为一体化钠工质/镍基高温合金热管、锂工质/铌合金高温热管或锂工质/钼合金热管。

进一步地，所述异形高温热管(1)的壳体厚度为1.5-6mm。

进一步地，所述储存罐(2)的材质为镍基高温合金或铌合金。

进一步地，所述冷却工质(3)为金属锌、金属铜或金属镁。

进一步地，所述多孔金属芯(4)的孔隙率为60-80％。

进一步地，所述多孔金属芯(4)的平均孔隙直径为20-300微米。

进一步地，所述冷却通路(5)的外直径为4-10mm。

进一步地，所述冷却通路(5)的壁厚为1-2mm。

根据本发明的另一个方面，一种高速飞行器，包括所述的自启式防热结构。

本发明的有益效果在于：

1、将高温热管作为动用源概念引入到热结构中，降低了主动冷却的实现难度和使用代偿。

2、防热结构、冷却工质与气动热环境三者耦合作用且相互反馈，实现了冷却工质的高效利用。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1本发明提供的一种自启式防热结构；

图2典型再入环境下钝体结构表面的热流分布；

图3使用本发明前后热结构驻点温度的变化曲线。

附图标记：

异形高温热管1，储存罐2，冷却工质3，多孔金属芯4，冷却通路5。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明涉及一种自启式防热结构，属于高速飞行器热防护技术领域。防热结构包括异形高温热管1、储存罐2，冷却工质3，多孔金属芯4和冷却通路5。

具体地，如图1所示，本发明提供一种自启式防热结构，所述防热结构包括：异形高温热管1；储存罐2，与所述异形高温热管1连接构成空腔；多孔金属芯，位于所述空腔内；冷却工质，吸附于所述多孔金属芯4上；冷却通路5，一端连接在所述空腔内，另一端穿过所述异形高温热管1与外界环境相通。

优选地，所述异形高温热管1为一体化钠工质/镍基高温合金热管、锂工质/铌合金高温热管或锂工质/钼合金热管。

优选地，所述异形高温热管1的壳体厚度为1.5-6mm。

优选地，所述储存罐2的材质为镍基高温合金或难熔金属。

优选地，所述冷却工质3为金属锌、金属铜或金属银。

优选地，所述多孔金属芯4的孔隙率为60-80％，平均孔隙直径为20-300微米。

优选地，所述冷却通路5的外直径为4-10mm，壁厚为1-2mm。

具体地，本发明的自启式防热结构，其工作原理为：在气动加热环境下，异形高温热管1温度升高，导热能力增大，进入防热结构的热量沿高温热管1长距离传输，并向周围围环境中耗散；随着高温热管1工作温度升高，冷却工质3吸收热量发生熔化、汽化等相变，冷却结构空腔内压力升高；当冷却工质3温度达到临界值后，空腔内的蒸汽压力大于周围环境压力，汽态的冷却工质3沿冷却通道5逸出到气动加热表面，逸出的冷却工质3将气动热环境与防热结构隔离，从而降低了防热结构的工作温度，提高了其结构可靠性。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

本实施例以钠工质/镍基高温合金热管作为异形高温热管1，制备了自启式防热结构。自启式防热结构的具体参数如下：高温热管壁厚为2.0mm。以镍基高温合金作为储存罐2的材质，多孔镍作为多孔金属芯4，金属锌作为冷却工质3。

异形高温热管1呈圆柱形，其外直径为50mm，长度为60mm；对应空腔部分的直径为30mm，长度为40mm。储存罐2径向尺寸与异形高温热管1相对应，其长度为40mm。多孔金属芯4的孔隙率为65％，平均孔隙直径为75微米。冷却通路5的外直径为4mm，壁厚为1mm。

对上述制备的主动冷却结构的防热性能进行了理论计算。图2给出了典型再入环境下自启式防热结构表面的热流分布。图3给出了使用本发明前后热结构驻点温度的变化曲线。从图3中可以看到，在无冷却工质(热管冷却)情况下，主动冷却结构的工作温度约为1300℃，需要采用难熔合金或陶瓷材料进行热防护。在有冷却工质(主动冷却)情况下，热结构的工作温度降低到900℃，可采用高温合金的进行热防护。即本发明提供的自启式防热结构能够有效降低热结构的工作温度，从而大幅度拓展现有防热材料体系的使用范围。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种自启式防热结构，其特征在于，所述防热结构包括：

异形高温热管(1)；

储存罐(2)，与所述异形高温热管(1)连接构成空腔；

多孔金属芯(4)，位于所述空腔内；

冷却工质(3)，吸附于所述多孔金属芯(4)上；

冷却通路(5)，一端连接在所述空腔内，另一端穿过所述异形高温热管(1)与气动加热面外界环境相通，逸出的冷却工质将气动热环境与防热结构隔离。

2.如权利要求1所述的一种自启式防热结构，其特征在于，所述异形高温热管(1)为一体化钠工质/镍基高温合金热管、锂工质/铌合金高温热管或锂工质/钼合金热管。

3.如权利要求1所述的一种自启式防热结构，其特征在于，所述异形高温热管(1)的壳体厚度为1.5-6mm。

4.如权利要求1所述的一种自启式防热结构，其特征在于，所述储存罐(2)的材质为镍基高温合金或铌合金。

5.如权利要求1所述的一种自启式防热结构，其特征在于，所述冷却工质(3)为金属锌、金属铜或金属镁。

6.如权利要求1所述的一种自启式防热结构，其特征在于，所述多孔金属芯(4)的孔隙率为60-80％。

7.如权利要求1所述的一种自启式防热结构，其特征在于，所述多孔金属芯(4)的平均孔隙直径为20-300微米。

8.如权利要求1所述的一种自启式防热结构，其特征在于，所述冷却通路(5)的外直径为4-10mm。

9.如权利要求1所述的一种自启式防热结构，其特征在于，所述冷却通路(5)的壁厚为1-2mm。

10.一种高速飞行器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的一种自启式防热结构。

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