CN112765913A - 一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构及飞行器，该发汗冷却结构包括N层多孔材料层、设于多孔材料层一侧的冷却腔，所述冷却腔内设有冷却剂供应单元，所述冷却剂供应单元用以向冷却腔供应冷却剂，多孔材料层的孔隙率沿靠近冷却腔的方向依次按层减小，其中，N为整数，N≥2。本发明解决了现有技术中发汗冷却结构存在的散热不均匀、热防护效果不佳、成本高等问题。

Description

一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构及飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器热防护技术领域，具体是一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构及飞行器。

背景技术

随着高超声速飞行器的进一步提速，对热防护提出了更高的要求，高超声速飞行器的头锥、舵前缘、进气道唇口、发动机壁面、尾喷管等都会受到高温热气流的冲击而遭到破坏，因此发展高效稳定的主动热防护系统成为了该领域的关键技术。现有的主动热防护技术主要有对流冷却、气膜冷却和发汗冷却等。

传统发汗冷却技术借鉴生物体发汗散热的方式、冷却介质从多孔材料致密的孔隙内，均匀的从多孔发汗结构表面小量慢速溢出，自然形成一层较均匀的薄膜包裹受热表面，冷却工质在多孔结构内与结构骨架充分换热，溢出后形成的气膜覆盖层又能抬高附面层形成隔热屏障，具有较高的冷却效率。但存在一定的不足：发汗冷却在应用过程中受热面出现局部过热时，由于材料骨架的膨胀特性，该处的局部流阻增加，冷却剂流量相应减少，继而导致局部温度的进一步升高，局部过热区扩大，传热恶化，存在散热不均匀、热防护效果不佳的不足。

为了解决这个问题，本领域技术人员设计了图1所示的层板发汗冷却装置，层板发汗冷却装置包含冷却剂通道11、冷却剂分配区12、扰流柱14、高摩阻的控制流道13与低摩阻的散布流道15（低摩阻为流动阻力小于等于流道的总流动阻力的20%，高摩阻为流动阻力大于等于流道的总流动阻力的80%。），这种特性使得位于热影响区的散布流道15局部过热时，或结构特性发生变化时，也能维持冷却剂流量的基本恒定，避免因为冷却剂流量的减少而出现传热恶化现象。

但是层板结构需要采用10-100微米级别的激光雕刻，化学雕刻技术，和扩散焊技术，精细设计要求高、加工难度大、制作成本高，限制了其在高超声速飞行器中的应用。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构及飞行器，解决现有技术存在的散热不均匀、热防护效果不佳、成本高等不足。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，包括N层多孔材料层、设于多孔材料层一侧的冷却腔，所述冷却腔内设有冷却剂供应单元，所述冷却剂供应单元用以向冷却腔供应冷却剂，多孔材料层的孔隙率沿靠近冷却腔的方向依次按层减小，其中，N为整数，N≥2。

本发明借鉴了层板发汗冷却结构控制通道高摩阻特性与散布流道低摩阻特性，N层多孔材料层采用多孔材料，多孔材料层的孔隙率沿靠近冷却腔的方向依次按层减小，多孔材料层靠近冷却腔的层孔隙率小，流动阻力占比大，类似于层板发汗冷却结构的控制流道；多孔材料层远离冷却腔的层孔隙率大，流动阻力占比小，类似于层板发汗冷却结构的散布流道。冷却腔中的冷却剂在冷却腔内压力的作用下，依次通过N层多孔材料层，与N层多孔材料层充分换热，并在多孔材料层外表面形成一层较均匀的气膜，降低外界进入多孔材料层的热流，从而对冷却腔中结构实现热防护。这种阻力分布特性，当多孔材料层靠近冷却腔的层局部温度升高或局部阻塞时，能够维持冷却剂的流量基本不变。本发明工作过程中能保证冷却剂的供给维持不变，克服了发汗冷却的“局部热点效应”。本发明实现了对发汗冷却剂流量的稳定控制，克服多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，散热均匀、热防护效果佳、成本较低。

作为一种优选的技术方案，N=3。

多孔材料层包括由耐高温材料制备的多孔材料发汗冷却的内层、过渡层和外层，多孔材料层各层按照孔隙率从小到大的顺序从内层到外层依次排列。外层位于受热层，选择孔隙率较大的多孔材料，内层连接冷却腔，选择孔隙率较小的多孔材料。冷却腔中的冷却剂在冷却腔内压力的作用下，依次通过内层、过渡层和外层充分换热，并在外层外表面形成一层较均匀的气膜。进一步克服了多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，进一步实现散热均匀、热防护效果佳、成本低。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层的每一层材质相同。

N层多孔材料层的每一层材质相同，便于选择不同孔隙率的多孔材料层以对应需求。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层为平板状、圆筒状、弯折状中的一种。

这样的制作使得本发明适用于多种部位及结构的冷却，适用范围扩大。

作为一种优选的技术方案，所述冷却剂供应单元供应的冷却剂为气态或液态物质。

气态或液态冷却剂流动性能好，有利于换热的充分性，更进一步增强了换热的均匀性和温度稳定性，同时便于存储。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层的材质为陶瓷或不锈钢。

陶瓷或不锈钢熔点高，且便于选择制成多孔材料结构，方便采购和维护。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层最靠近冷却腔的一层孔隙率为0.1~0.2,N层多孔材料层最远离冷却腔的一层孔隙率为0.25~0.3。

这样的孔隙率设置在保证换热效果的同时能适应多种飞行器前缘的换热，同时区间的设置便于为多孔材料层的选择提供一定选择范围，降低了材料和部件选购的复杂程度和难度，方便设计管理。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层最远离冷却腔的一层的流动阻力小于总流动阻力的20%，其中，所述总流动阻力指N层多孔材料层的每一层流动阻力之和。

以上流动阻力占比的设计，更加有利于将外界热量充分引入N层多孔材料层进行热量的吸收，更进一步保证了换热的均匀性。

一种飞行器，包括所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构。

飞行器的分层梯度多孔材料发汗冷却结构借鉴了层板发汗冷却结构控制通道高摩阻特性与散布流道低摩阻特性，N层多孔材料层采用多孔材料，多孔材料层的孔隙率沿靠近冷却腔的方向依次按层减小，多孔材料层靠近冷却腔的层孔隙率小，流动阻力占比大，类似于层板发汗冷却结构的控制流道；多孔材料层远离冷却腔的层孔隙率大，流动阻力占比小，类似于层板发汗冷却结构的散布流道。冷却腔中的冷却剂在冷却腔内压力的作用下，依次通过N层多孔材料层，与N层多孔材料层充分换热，并在多孔材料层外表面形成一层较均匀的气膜，降低外界进入多孔材料层的热流，从而对冷却腔中结构实现热防护。这种阻力分布特性，当多孔材料层靠近冷却腔的层局部温度升高或局部阻塞时，能够维持冷却剂的流量基本不变。本发明工作过程中能保证冷却剂的供给维持不变，克服了发汗冷却的“局部热点效应”。本发明实现了对发汗冷却剂流量的稳定控制，克服多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，散热均匀、热防护效果佳、成本较低。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本发明冷却腔中的冷却剂在冷却腔内压力的作用下，依次通过N层多孔材料层，与N层多孔材料层充分换热，并在多孔材料层外表面形成一层较均匀的气膜，降低外界进入多孔材料层的热流，从而对冷却腔中结构实现热防护，这种阻力分布特性，当多孔材料层靠近冷却腔的层局部温度升高或局部阻塞时，能够维持冷却剂的流量基本不变；本发明工作过程中能保证冷却剂的供给维持不变，克服了发汗冷却的“局部热点效应”；本发明实现了对发汗冷却剂流量的稳定控制，克服多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，散热均匀、热防护效果佳、成本较低；

（2）本发明多孔材料层包括由耐高温材料制备的多孔材料发汗冷却的内层、过渡层和外层，多孔材料层各层按照孔隙率从小到大的顺序从内层到外层依次排列，外层位于受热层，选择孔隙率较大的多孔材料，内层连接冷却腔，选择孔隙率较小的多孔材料，冷却腔中的冷却剂在冷却腔内压力的作用下，依次通过内层、过渡层和外层充分换热，并在外层外表面形成一层较均匀的气膜；进一步克服了多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，进一步实现散热均匀、热防护效果佳、成本低；

（3）本发明N层多孔材料层的每一层材质相同，便于选择不同孔隙率的多孔材料层以对应需求；

（4）本发明N层多孔材料层为平板状、圆筒状、弯折状中的一种，使得本发明适用于多种部位及结构的冷却，适用范围扩大；

（5）本发明气态或液态冷却剂流动性能好，有利于换热的充分性，更进一步增强了换热的均匀性和温度稳定性，同时便于存储；

（6）本发明N层多孔材料层的材质为陶瓷或不锈钢，陶瓷或不锈钢熔点高，且便于选择制成多孔材料结构，方便采购和维护；

（7）本发明N层多孔材料层最靠近冷却腔的一层孔隙率为0.1~0.2,N层多孔材料层最远离冷却腔的一层孔隙率为0.25~0.3，这样的孔隙率设置在保证换热效果的同时能适应多种飞行器前缘的换热，同时区间的设置便于为多孔材料层的选择提供一定选择范围，降低了材料和部件选购的复杂程度和难度，方便设计管理；

（8）本发明N层多孔材料层最远离冷却腔的一层的流动阻力小于总流动阻力的20%，以上流动阻力占比的设计，更加有利于将外界热量充分引入N层多孔材料层进行热量的吸收，更进一步保证了换热的均匀性。

附图说明

图1为现有技术的一个层板发汗冷却结构的结构示意图；

图2为本发明所述的分层梯度多孔材料发汗冷却结构的结构示意图；

图3为本发明所述的分层梯度多孔材料发汗冷却结构用于飞行器前缘体的结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1、内层，2、过渡层，3、外层，4、冷却腔，5、冷却剂供应单元，10、多孔材料层，11、冷却剂通道，12、冷却剂分配区，13、控制流道，14、扰流柱，15、散布流道，16、身部结构体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图3所示，一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，包括N层多孔材料层10、设于多孔材料层10一侧的冷却腔4，所述冷却腔4内设有冷却剂供应单元5，所述冷却剂供应单元5用以向冷却腔4供应冷却剂，多孔材料层10的孔隙率沿靠近冷却腔4的方向依次按层减小，其中，N为整数，N≥2。

本发明借鉴了层板发汗冷却结构控制通道高摩阻特性与散布流道低摩阻特性，N层多孔材料层10采用多孔材料，多孔材料层10的孔隙率沿靠近冷却腔4的方向依次按层减小，多孔材料层10靠近冷却腔4的层孔隙率小，流动阻力占比大，类似于层板发汗冷却结构的控制流道；多孔材料层10远离冷却腔4的层孔隙率大，流动阻力占比小，类似于层板发汗冷却结构的散布流道。冷却腔4中的冷却剂在冷却腔4内压力的作用下，依次通过N层多孔材料层10，与N层多孔材料层10充分换热，并在多孔材料层10外表面形成一层较均匀的气膜，降低外界进入多孔材料层10的热流，从而对冷却腔4中结构实现热防护。这种阻力分布特性，当多孔材料层10靠近冷却腔4的层局部温度升高或局部阻塞时，能够维持冷却剂的流量基本不变。本发明工作过程中能保证冷却剂的供给维持不变，克服了发汗冷却的“局部热点效应”。本发明实现了对发汗冷却剂流量的稳定控制，克服多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，散热均匀、热防护效果佳、成本较低。

作为一种优选的技术方案，N=3。

多孔材料层10包括由耐高温材料制备的多孔材料发汗冷却的内层1、过渡层2和外层3，多孔材料层10各层按照孔隙率从小到大的顺序从内层1到外层3依次排列。外层3位于受热层，选择孔隙率较大的多孔材料，内层1连接冷却腔4，选择孔隙率较小的多孔材料。冷却腔4中的冷却剂在冷却腔4内压力的作用下，依次通过内层1、过渡层2和外层3充分换热，并在外层3外表面形成一层较均匀的气膜。进一步克服了多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，进一步实现散热均匀、热防护效果佳、成本低。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层10的每一层材质相同。

N层多孔材料层10的每一层材质相同，便于选择不同孔隙率的多孔材料层10以对应需求。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层10为平板状、圆筒状、弯折状中的一种。

这样的制作使得本发明适用于多种部位及结构的冷却，适用范围扩大。图3展示了将本发明用于飞行器前缘体的实施例，其中飞行器的身部结构体16与本发明所述分层梯度多孔材料发汗冷却结构相连接。

实施例2

如图1至图3所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：

作为一种优选的技术方案，所述冷却剂供应单元5供应的冷却剂为气态或液态物质。

气态或液态冷却剂流动性能好，有利于换热的充分性，更进一步增强了换热的均匀性和温度稳定性，同时便于存储。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层10的材质为陶瓷或不锈钢。

陶瓷或不锈钢熔点高，且便于选择制成多孔材料结构，方便采购和维护。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层10最靠近冷却腔4的一层孔隙率为0.1~0.2,N层多孔材料层10最远离冷却腔4的一层孔隙率为0.25~0.3。

这样的孔隙率设置在保证换热效果的同时能适应多种飞行器前缘的换热，同时区间的设置便于为多孔材料层10的选择提供一定选择范围，降低了材料和部件选购的复杂程度和难度，方便设计管理。实际使用时，当N=3，从内到外的三层多孔材料层10的孔隙率分别为0.2、0.25、0.3时，多孔材料层10每层厚度相等时，最外层的流动阻力占比为11.1%。进一步优选，当从内到外三层多孔材料层10的孔隙率分别为0.1、0.2、0.3时，最外层的流动阻力占比降为1.0%。其中，所述流动阻力占比指本层流动阻力占总流动阻力的比例，总流动阻力指N层多孔材料层10的每一层流动阻力之和。

作为一种优选的技术方案，N层多孔材料层10最远离冷却腔4的一层的流动阻力小于总流动阻力的20%，其中，所述总流动阻力指N层多孔材料层10的每一层流动阻力之和。

以上流动阻力占比的设计，更加有利于将外界热量充分引入N层多孔材料层10进行热量的吸收，更进一步保证了换热的均匀性。

实际应用中，流动阻力占比可以根据孔隙率、材料厚度等进行估算，孔隙率越小，材料厚度越厚，流动阻力越大。也可以更进一步地，精确的采用数值计算的方法计算。

实施例3

如图1至图3所示，本实施例提供一种飞行器，包括所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构。

飞行器的分层梯度多孔材料发汗冷却结构借鉴了层板发汗冷却结构控制通道高摩阻特性与散布流道低摩阻特性，N层多孔材料层10采用多孔材料，多孔材料层10的孔隙率沿靠近冷却腔4的方向依次按层减小，多孔材料层10靠近冷却腔4的层孔隙率小，流动阻力占比大，类似于层板发汗冷却结构的控制流道；多孔材料层10远离冷却腔4的层孔隙率大，流动阻力占比小，类似于层板发汗冷却结构的散布流道。冷却腔4中的冷却剂在冷却腔4内压力的作用下，依次通过N层多孔材料层10，与N层多孔材料层10充分换热，并在多孔材料层10外表面形成一层较均匀的气膜，降低外界进入多孔材料层10的热流，从而对冷却腔4中结构实现热防护。这种阻力分布特性，当多孔材料层10靠近冷却腔4的层局部温度升高或局部阻塞时，能够维持冷却剂的流量基本不变。本发明工作过程中能保证冷却剂的供给维持不变，克服了发汗冷却的“局部热点效应”。本发明实现了对发汗冷却剂流量的稳定控制，克服多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，散热均匀、热防护效果佳、成本较低。

如上所述，可较好的实现本发明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，其特征在于，包括N层多孔材料层（10）、设于多孔材料层（10）一侧的冷却腔（4），所述冷却腔（4）内设有冷却剂供应单元（5），所述冷却剂供应单元（5）用以向冷却腔（4）供应冷却剂，多孔材料层（10）的孔隙率沿靠近冷却腔（4）的方向依次按层减小，其中，N为整数，N≥2。

2.根据权利要求1所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，其特征在于，N=3。

3.根据权利要求2所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，其特征在于，N层多孔材料层（10）的每一层材质相同。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，其特征在于，N层多孔材料层（10）为平板状、圆筒状、弯折状中的一种。

5.根据权利要求4所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，其特征在于，所述冷却剂供应单元（5）供应的冷却剂为气态或液态物质。

6.根据权利要求5所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，其特征在于，N层多孔材料层（10）的材质为陶瓷或不锈钢。

7.根据权利要求6所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，其特征在于，N层多孔材料层（10）最靠近冷却腔（4）的一层孔隙率为0.1~0.2,N层多孔材料层（10）最远离冷却腔（4）的一层孔隙率为0.25~0.3。

8.根据权利要求7所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构，其特征在于，N层多孔材料层（10）最远离冷却腔（4）的一层的流动阻力小于总流动阻力的20%，其中，所述总流动阻力指N层多孔材料层（10）的每一层流动阻力之和。

9.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构。

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