CN112810797A - 用于冷却高速交通工具的前缘的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
高超音速飞行器包括一个或多个前缘组件，一个或多个前缘组件被设计成管理在高速或高超音速操作期间在前缘处经受的热负荷。具体地，前缘组件可以包括渐缩至前缘或停滞点的外壁。外壁可以限定汽化物室和在汽化物室内的毛细管结构，用于使工作流体以液体或汽化物形式循环以冷却前缘。另外，定位在汽化物室内的热能存储储存器容纳用于吸收热能的相变材料。
Description
技术领域
本主题大体上涉及用于诸如高超音速飞行器的高速交通工具中的前缘技术。
背景技术
高速交通工具经常会遇到由于高速操作期间经受的高热负荷而导致的热管理问题，尤其是在自由气流撞击交通工具的前缘处。例如，在涉及高超音速飞行器的应用中，前缘可以包括机头、发动机罩、以及机翼和稳定器的前缘。尤其是当这些交通工具在高超音速速度范围(例如，5马赫或以上)内操作时，由于入射气流通过弓形冲击并停留在交通工具表面，将气体的动能转换为内能，并且大大提高了其温度，因此前缘可能会承受很高的热负荷(例如500–1500W/cm2)。不加缓和地暴露在这种热负荷下会导致部件退化和/或故障。
材料和制造技术的改进已经使高超音速飞行器能够在较高的速度和温度下操作。例如，已经开发出材料来增加部件可以承受的温度，同时保持其结构完整性。在这方面，例如，镍基高温合金可用于800℃，单晶材料可用于1200℃，并且可能需要难熔金属来用于更高温度。另外，已经开发了各种冷却技术，来为高超音速交通工具的前缘提供冷却。然而，交通工具速度和高速飞行持续时间的相应进步已经造成需要进一步改进高速交通工具的前缘的冷却能力和高温耐久性。
因此，对高超音速飞行器和推进技术的改进将是有用的。更具体地，冷却前缘或高超音速交通工具的前缘技术和方法的改进将尤其有益。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从该描述中变得显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于高超音速交通工具的前缘组件。该前缘组件包括：外壁，外壁渐缩至前缘，其中外壁至少部分地限定汽化物室；定位在汽化物室内的外壁的内表面上的毛细管结构；和被定位成与汽化物室热连通的热能存储组件。
根据另一个示例性实施例，提供了一种用于高超音速交通工具的前缘组件。该前缘组件包括：外壁，外壁渐缩至前缘，其中外壁至少部分地限定汽化物室：定位在汽化物室内的外壁的内表面上的毛细管结构；和定位在汽化物室内的热能存储组件，热能存储组件包括容纳相变材料的储存器壁。
参考以下描述和所附权利要求书，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中，针对本领域普通技术人员，阐述了本发明包括其最佳模式的完整且能够实现的公开。
图1是根据本公开的示例性实施例的高超音速交通工具的前缘的特写截面示意图。
图2是根据本公开的另一示例性实施例的高超音速交通工具的前缘的特写截面示意图。
图3是根据本公开的另一示例性实施例的高超音速交通工具的前缘的特写截面示意图。
图4是根据本公开的另一示例性实施例的高超音速交通工具的前缘的特写截面示意图。
图5是根据本公开的另一示例性实施例的高超音速交通工具的前缘的特写截面示意图。
图6是根据本公开的另一示例性实施例的高超音速交通工具的前缘的特写截面示意图。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，本发明的实施例的一个或多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相同或类似的标记已用于指代本发明的相同或相似的部分。
词语“示例性”在本文中用来表示“用作实例、例子或图示”。本文中被描述为“示例性”的任何实施方式不必然被解释为比其他实施方式优选或有利。此外，通过说明本发明而不是限制本发明来提供每个实例。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变化。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单个部件的位置或重要性。除非上下文另有明确指出，否则单数形式“一个”，“一种”和“该”包括复数引用。除非本文另有规定，否则术语“联接”、“固定”，“附接到”等指的是两者直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征来间接联接、固定或附接。
术语“前向”和“后向”是指燃气涡轮发动机或交通工具内的相对位置，并且是指燃气涡轮发动机或交通工具的正常操作姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前向是指更靠近发动机入口的位置，以及后向是指更靠近发动机喷嘴或排气装置的位置。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，以及“下游”是指流体向其流动的方向。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言用于修改可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生改变的任何定量表示。因此，由诸如“大约”，“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于构建或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指的是在10％的范围内。
在此以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有指示，否则这种范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围包括端点，并且端点能够彼此独立地组合。
通常，本主题的各方面针对用于诸如高超音速飞行器的高速飞行器或交通工具的前缘组件。如本文所用的，术语“高超音速”通常是指大约4马赫直至大约10马赫或以上的空气速度，例如5马赫以上。但是，应当理解的是，本主题的各方面不仅限于高超音速飞行，而且可以替代地适用于涉及其他高速交通工具、弹丸、物体等的应用。本文关于在高超音速飞行器上使用的前缘组件的描述仅仅是旨在促进对本主题的各方面的解释的实例。本主题不限于这样的示例性实施例和应用。
值得注意的是，如上所述，诸如高超音速飞行器的高速交通工具典型地在高速或高超音速操作期间经受极高的温度和热梯度。由高热通量引起的温度梯度经常是比温度本身更严重的问题。例如，结构材料的热导率与热通量组合在一起设定材料内的温度梯度，并且在高热负荷下，该梯度会导致机械应力，从而导致材料的塑性变形或破裂。应该减少结构材料的热负荷，以保持部件的结构完整性。
如上所述，这种高速交通工具的前缘经常经受最高的热负荷。例如，高超音速交通工具可以包括在高超音速飞行期间经受高热负荷的多个前缘组件(例如，在本文中大体由参考数字300标识)。就这一点而言，前缘组件300可以设置在飞行器机翼的前向端、前锥体、竖直稳定器、推进发动机的发动机罩、或高超音速飞行器的其他前缘或表面上。根据本主题的示例性实施例，前缘组件300包括用于例如通过将热量带出该区域来减轻这种热负荷的影响的特征。
值得注意的是，通常期望的是，使前缘组件300尽可能锐利或尖锐，例如，以便减少高超音速交通工具上的阻力。但是，现在参考图1，当前缘组件300形成为小曲率半径时，在前缘组件300的前向或前缘处，在本文中也称为停滞线、停滞点302或类似术语，经受极高的温度和热梯度。就这一点而言，当高超音速交通工具以高超音速速度在空气中行进时，空气的自由流(例如，在本文中由参考数字304标识)在前缘组件300上方和周围通过，从而产生大的热负荷。本主题的各方面针对用于冷却前缘组件300的热管理技术和特征，尤其着重于靠近停滞点302的区域，在停滞点302处通常会出现最严重的热管理问题。
应当理解的是，本文所示的前缘组件300是示例性前缘的简化截面图。这种前缘技术的尺寸、构造、几何形状和应用可以变化，同时保持在本主题的范围内。例如，本文所述的前缘组件300限定了在大约1mm与3mm之间的半径。然而，根据替代实施例，前缘组件可以具有任何其他合适的半径。
冷却技术和热管理特征在本文中被描述为用于冷却经受高温和热梯度的高超音速飞行器的一个或多个零件的部分，例如高超音速飞行器的机翼、机头、推进发动机或其他零件的前缘。然而，应当理解的是，本主题的各方面可以用于管理在任何部件内以及在任何合适的应用中的热负荷，例如高温和热梯度。就这一点而言，例如，本主题的各方面可以应用于具有暴露于高温和/或大温度梯度的部件的任何其他高超音速交通工具或任何其他技术或系统。
另外，尽管本文中描述了用于冷却高超音速交通工具的前缘组件300的各种技术、部件构造和系统，但是应当理解的是，在不脱离本主题的范围的情况下，可以对这些技术进行变化和修改。另外，可以将一种或多种这样的技术彼此组合使用以实现改进的冷却和热管理。就这一点而言，尽管为了清楚地描述每种技术如何运行而单独地描述了每种冷却技术，但是所描述的实施例仅是旨在说明和解释目的的实例，而不旨在以任何方式限制本主题的范围。
另外，根据本主题的示例性实施例，本文所述的一些或全部部件可以使用增材制造处理(诸如3-D打印处理)形成。这种处理的使用可以允许高超音速交通工具的某些部件，例如前缘组件300，被一体地形成为单个整体部件，或者被一体地形成为任何合适数量的子部件。如本文中所使用的，术语“增材制造”或“增材制造技术或处理”通常是指其中连续的材料层被提供在彼此之上，以逐层地“堆积”三维部件的制造处理。连续的层通常融合在一起，以形成可以具有各种一体化的子部件的整体部件。
尽管本文将增材制造技术描述为通过典型地在竖直方向上逐点、逐层地构建物体来实现复杂物体的制造，但是其他制造方法也是可能的，并且在本主题的范围内。例如，尽管本文的讨论涉及添加材料以形成连续的层，但是本领域技术人员将理解的是，本文公开的方法和结构可以用任何增材制造技术或制造技术来实践。例如，本发明的实施例可以使用层增材处理、层减材处理、或混合处理。
根据本公开的合适的增材制造技术包括，例如，熔融沉积成型(FDM)，选择性激光烧结(SLS)，诸如通过喷墨、激光喷射和粘合剂喷射的3D打印，立体光刻(SLA)，直接选择性激光烧结(DSLS)，电子束烧结(EBS)，电子束熔化(EBM)，激光工程网成形(LENS)，激光网形制造(LNSM)，直接金属沉积(DMD)，数字光处理(DLP)，直接选择性激光熔化(DSLM)，选择性激光熔化(SLM)，直接金属激光熔化(DMLM)和其他已知处理。
本文所述的增材制造处理可以用于使用任何合适的材料形成部件。例如，材料可以是处于固体、液体、粉末、片状材料、线材或任何其他合适形式或其组合的金属、混凝土、陶瓷、环氧树脂或任何其他合适材料。更具体地，根据本主题的示例性实施例，本文描述的增材制造部件可以部分地、整体地或以一些材料组合来形成，材料包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金、和镍或钴基超级合金(例如，可从SpecialMetals Corporation获得的名称为
的产品)。这些材料是适用于本文所述的增材制造处理的材料的实例，并且通常可称为“增材材料”。
另外，本文公开的增材制造处理允许单个部件由多种材料形成。因此，本文描述的部件可以由以上材料的任何合适的混合物形成。例如，部件可以包括使用不同的材料、处理和/或在不同的增材制造机器上形成的多个层、分段或零件。以这种方式，可以构造具有不同材料和材料特性的部件，用于满足任何特定应用的需求。另外，尽管本文所述的部件完全由增材制造处理构造而成，但是应当理解的是，在替代实施例中，这些部件的全部或一部分可以经由铸造、机械加工、和/或任何其他合适的制造处理来形成。实际上，可以使用材料和制造方法的任何合适的组合来形成这些部件。
仍然参考图1，将更详细地描述根据本主题的示例性实施例的前缘组件300。具体地，图1提供了前缘组件300的截面图，前缘组件300可以被定位在高超音速飞行器的任何部件的前缘(例如，前向端、前端、上游端等)。例如，前缘组件300可以是例如高超音速推进发动机的进气管的前缘，涡轮发动机的前缘，飞行器的机翼的前缘，飞行器的机头，竖直稳定器的前向端等。
如本文中所解释的，在高超音速飞行操作期间，前缘组件300可能经受大的热负荷。如本文所使用的，术语“热负荷”等通常旨在指的是在高超音速或高速交通工具的部件内经受的高温、温度梯度或热通量。根据本主题的示例性实施例，前缘组件300形成或设置有用于管理这些热负荷的热调节特征或技术。
例如，如下面参考图1更详细地描述的，前缘组件300可以包括用于在前缘组件300的外壁320内提供或分配冷却流体或材料以将热能从例如靠近停滞点302的相对热的位置移动到停滞点下游的相对冷的区域的特征。以这种方式，可以减小前缘组件300内经受的温度梯度。图2至图4提供了根据替代实施例的用于前缘组件300的冷却技术。应当理解的是，本文针对每个示例性前缘组件300所描述的热调节特征和技术可以单独使用，或者与本文所描述的任何其他前缘技术组合使用，以调节高超音速交通工具的一个或多个前缘组件300或经受高热负荷的任何其他部件的任何其他表面上的热负荷。
如上所述，外壁320和前缘组件300的其他部件可以由任何合适的材料形成。根据示例性实施例，选择这种材料以承受高超音速飞行器的前缘所经受的高热负荷。例如，外壁320可以由铝、钛、铝化钛、钨、钨合金、镍超合金、难熔金属、单晶金属、陶瓷、陶瓷基复合材料(CMC)、超高温陶瓷(UHTC，包括高熔点二硼化物、氮化物等)、或碳-碳复合材料中的至少一种构造而成。另外或替代地，外壁320可以包括诸如碳化硅(SiC)、SiC复合物、碳纤维增强SiC基体和其他碳化物基体复合物的复合物，具有和没有表面涂层的复合物，和/或高熵合金，包括耐火材料、铂族金属、铪合金等。然而，在某些应用中仍然可能需要为前缘组件300经受的高热负荷的热管理提供附加冷却能力。此外，如上所述，增材制造技术可以用于将前缘组件300(例如包括外壁320)打印为单个整体部件，并且可以促进改进的冷却技术和前缘特征。
如所描绘的实施例中所示，外壁320大体上由在停滞点302处相交或接合的第一壁区段322和第二壁区段324形成。更具体地，第一壁区段322和第二壁区段324各自包括一起形成外表面326的外表面和一起形成内表面328的内表面。另外，第一壁区段322和第二壁区段324可以相对于彼此成角度，使得前缘组件300从前缘组件300的后向端330向前缘组件300的前向端332(例如，对应于停滞点302)成锥形。换句话说，前缘组件300在前缘组件300的后向端330附近较宽或较高，并且在其接近停滞点302时变窄。值得注意的是，锥角可以根据空气动力学和其他考虑而变化，同时保持在本主题的范围内。例如，根据示例性实施例，前缘组件300可以不对称，例如，在一侧上限定更锐的角度。
如上所述，对于所示的实施例，第一壁区段322和第二壁区段324的外表面326在停滞点302处相交，并且大体上形成外壁320的前缘部分340，并且限定外表面326和内表面328的至少一部分。对于图示的实施例，前缘组件300可以包括后向隔板350，后向隔板350被定位在外壁320的后向端330，并且基本垂直于纵向方向L延伸。具体地，如图所示，后向隔板350在前缘组件300的后向端330处在第一壁区段322和第二壁区段324之间延伸并连接第一壁区段322和第二壁区段324。此外，后向隔板350可以连接至高超音速交通工具的其余部分，可以是替换部件等。
以这种方式，第一壁区段322、第二壁区段324和后向隔板350大体上可以限定由内表面328包围并限定的腔或汽化物室352。因此，根据示例性实施例，汽化物室352可以是封闭的恒定体积的腔室或储存器。根据示例性实施例，汽化物室352可以填充或装载有工作流体354，工作流体354用于在前缘组件300内传递热能。另外，外壁320和后向隔板350可以是密封的或不可渗透的壁，使得汽化物室352可以是用于容纳工作流体354的密闭室。当如本文所述地构造前缘组件300时，前缘组件300大体上可以用作热管，或可以用于通过例如工作流体354的工作流体的蒸发和冷凝来传递热能的一种热交换器，如下面将更详细描述的。
工作流体354大体上是可以在汽化物室352内循环以将热能从前缘组件300的相对较热的区域(即，接近停滞点302)传递到前缘组件300的相对较冷的区域(例如，停滞点302下游的区域)的任何流体或气体。大体上应当选择工作流体，使得其与前缘组件300兼容并适合期望的操作范围。例如，根据示例性实施例，工作流体354可以包括水、蒸汽、丙酮、甲醇、乙醇、甲苯等中的至少一种。根据还有的其他实施例，工作流体354可以包括锂，钠，银等中的一种或多种。如下面更详细所述的，工作流体354可以被构造用于从液态蒸发成气态以吸收热能，并且用于从气态冷凝回到液态以将热能排放到前缘组件300的较冷区域或表面中。
根据图示的实施例，汽化物室352大体上在处于汽化物室352的一端处的冷凝器区段或冷凝器区域360与处于汽化物室352的相对端处的蒸发器区段或蒸发器区域362之间延伸。具体地，如图所示，蒸发器区域362被定位在前缘组件300的前向端332附近，例如，停滞点302附近，在该处，温度和热通量通常最高。相反，冷凝器区域360可以大体上被定位在前缘组件300的后向端330附近，与停滞点302相比，此处温度相对较低。
尽管冷凝器区域360和蒸发器区域362被图示为分别位于前缘组件300的后向端和前向端，但是应当理解的是，用作蒸发器或冷凝器表面的区域可以例如取决于操作条件而变化。例如，根据某些操作条件，除了例如紧邻停滞点302的前向端332处的前缘区域之外，冷凝器区域360可以沿着整个外壁320延伸。
在操作期间，容纳在前缘组件300的汽化物室352中的工作流体354在例如停滞点302的蒸发器区域362处吸收热能。工作流体354可以蒸发并以气态从蒸发器区域362行进至冷凝器区域360。在冷凝器区域360，气态工作流体354冷凝成液态，从而释放热能。然后，工作流体354可以例如通过如下所述的毛细管流以液体形式流回到蒸发器区域362。以这种方式，汽化物室352和工作流体354大体上用作热管，将热能从经受最高热负荷的前缘组件300的部分朝向经受相对低热负荷的前缘组件300的区域传递。在热量被传递到后向表面(例如，靠近冷凝器区域360)之后，该热量可以以热辐射的形式从前缘组件300排出。
应当理解的是，术语“液体”和“汽化物”在本文中大体上指的是工作流体354在冷凝器区域360和蒸发器区域362之间的汽化物室352内经过时的相或状态。但是，应当理解的是，本主题并不要求冷凝器区域360中的所有工作流体354都为液体，反之亦然，不要求蒸发器区域362中的所有工作流体354都为汽化物。取决于前缘组件300的当前操作条件，工作流体354在不脱离本主题的范围的情况下可以处于任何合适的状态。
最佳如图1的放大部分所示，前缘组件300可以进一步包括毛细管结构364，毛细管结构364被定位在汽化物室352内，用于使工作流体354循环。具体地，如图所示，毛细管结构364被定位在汽化物室352内的外壁320的内表面328上。在这方面，毛细管结构364可以排成行或覆盖内表面328的全部或部分周边，用于将冷凝的工作流体354朝向前缘300的停滞点302输送。
毛细管结构364大体上可以是被构造用于通过毛细管流或力将液体工作流体354从冷凝器区域360输送到蒸发器区域362的任何部件、特征、材料或结构。例如，毛细管结构364可以是多孔或网状膜366(如图1所示)。替代地，毛细管结构364可以是毛细管的阵列、偏置壁、多孔结构、棉芯、筛网、蜂窝结构或被构造用于促进液体工作流体354朝向蒸发器区域362流动的任何其他结构。
仍然参考图1，前缘组件300可以进一步包括热能存储组件370，热能存储组件370被定位在汽化物室352内或与汽化物室352热连通。如下文更详细地解释的，热能存储组件370大体上被构造用于从工作流体354吸收热能，特别是在前缘组件300处经受极高温度的情况下。在这方面，例如，在前缘组件300的正常高热操作期间，汽化物室352和工作流体354可以操作，以将停滞点302和外壁320的前向端332的温度降低至适当的低温，用于维持结构完整性。但是，在极端加热条件下，工作流体354可能不能传递足够的热量，用于维持结构完整性。然而，如将在下面更详细地描述的，热能存储组件370可以被构造用于提供另外的冷凝器表面面积，用于在这些极端加热条件下从过热的工作流体354中吸收热能。
仍然参考附图，热能存储组件370大体上包括储存器壁372，储存器壁372在汽化物室352内限定内部腔室374。根据图示的实施例，热能存储组件370，或更具体地，内部腔室374被定位成邻近前缘组件300的后向隔板350。尽管内部腔室374在本文中被描述和图示为被定位在汽化物室352内，但是应当理解的是，根据替代的实施例，可以在内部腔室374和汽化物室352之间使用任何合适的热连通，同时保持在本主题的范围内。。因此，根据替代的实施例，内部腔室374可以代替地被定位成紧邻汽化物室352并与汽化物室352热接触。
根据示例性实施例，内部腔室374可以容纳相变材料376，相变材料376大体上被构造用于从工作流体354吸收热能。大体上，相变材料376可以是被选择用于在期望温度下改变其状态或相(例如，熔化和/或固化)的任何材料或物质。当发生这种相变时，相变材料376可以吸收或释放大量热能(在本文中通常称为潜热)。具体地，例如，可以选择相变材料376，使得其在前缘组件300经受极高温度时熔化。当达到这样的预定临界温度时，相变材料376熔化，从而从工作流体354中吸收大量热量。
相变材料376大体上可以是被选择用于在用于冷却前缘组件300的期望温度下变相的任何材料。例如，根据示例性实施例，相变材料376可以包括硅或铍。根据某些示例性实施例，相变材料可以具有高于预定阈值或在期望范围内的熔化温度。例如，根据示例性实施例，相变材料376的熔化温度可以大于500℃，大于1000℃，大于1200℃，大于1500℃或更高。另外或可替代地，相变材料376可以具有低于3000℃，低于2500℃，低于2000℃，低于1500℃，低于1000℃或更低的熔化温度。其他熔化温度也是可能的，并且在本主题的范围内。
根据示例性实施例，可以至少部分地基于熔融潜热来选择相变材料376。例如，可以选择相变材料376，使其具有在大约100与1000kJ/kg之间，在大约200与800kJ/kg之间，在大约250与500kJ/kg之间或大于大约300kJ/kg的熔融潜热。根据示例性实施例，可以选择相变材料376以具有大于800kJ/kg、大于1000kJ/kg或更高的熔融潜热。应当理解的是，可以基于熔化温度、熔融潜热、这两种参数的某些组合或基于任何其他合适的材料特性来选择相变材料。
另外，尽管本文图示的示例性实施例包括用于容纳单个相变材料376的单个内部腔室374，但是应当理解的是，根据替代的实施例，热能存储组件370可以包括多个腔室(未示出)，每个腔室可以容纳一个或多个不同的相变材料376。以这种方式，例如，如果前缘组件300被设计用于在两个不同的极端温度区域中操作，则可以选择相变材料376用于吸收每个区域内的热能。具体地，可以选择第一相变材料376，使得其具有第一熔化温度，并且被设计成在工作流体354达到第一熔化温度时吸收潜热。此外，可以选择第二相变材料376，使得其具有第二熔化温度并且被设计成在工作流体354达到第二熔化温度时吸收潜热。另外的相变材料、熔化温度和腔室构造是可能的并且在本主题的范围内。
根据图示的实施例，储存器壁372(其还可以包括棉芯或毛细管结构364)基本平行于外壁320延伸。然而，根据示例性实施例，前缘组件300的部分可以包括用于改进工作流体354、外壁320、储存器壁372和/或相变材料376之间的热连通的特征。例如，为了改进工作流体354与储存器壁372之间的热接触面积，储存器壁372可以具有例如如图2中所示的波浪形轮廓。替代地，如图3所示，储存器壁372可以包括多个热交换翅片380，多个热交换翅片380安装在储存器壁372的外表面382上并延伸到工作流体354中，以提供储存器壁372与工作流体354之间的改进的热连通。
尽管本文图示了示例性的热交换特征，但是应当理解的是，可以使用任何其他合适的热交换特征，同时保持在本主题的范围内。例如，图2示出了波浪形的壁并且图3示出了交换翅片380，交换翅片380基本上垂直于储存器壁372的外表面382，例如在翼展方向上延伸(例如，进入如图3所示的页面中)。相反，如图4所示，热交换翅片380可以替代地在例如平行于空气流304的气流方向上延伸。另外或替代地，储存器壁372和外壁320可以包括任何合适的数量、类型、几何形状和构造的表面像差、突起、翅片或用于增加热传递率的其他适合的特征。此外，尽管在储存器壁372的外表面382上图示了这种热交换特征，但是应当理解的是，这些特征也可以用于外壁320的内表面328，储存器壁372的内表面384，或前缘组件300的任何其他合适的表面。
另外，应当理解的是，内部腔室374相对于汽化物室352的相对体积可以变化，同时保持在本主题的范围内。例如，汽化物室352的体积(不包括由内部腔室374填充的区域)可以等于内部腔室374的体积。根据还有的其他实施例，汽化物室352的体积可以比内部腔室374的体积大大约1.5倍、2倍、3倍、5倍或更大。另外或者替代地，汽化物室352的体积可以比内部腔室374的体积小大约10倍、5倍、3倍或更小。
另外，根据还有的其他实施例，根据相变材料376的状态，内部腔室374的体积可以被构造用于根据需要膨胀或收缩。在这方面，例如，储存器壁372可以是由能够根据相变材料376的状态而膨胀或收缩的弹性材料制成的兼容性容纳结构。替代地，储存器壁372可以包括通过膨胀接头、柔性区域或其他合适的接合机构接合的多个壁段，用于允许相变材料376膨胀或收缩。
前缘组件300可以进一步包括用于改进工作流体354的循环的特征。例如，再次参考图2，毛细管结构364可以进一步包括多个液体桥388，多个液体桥388为工作流体354提供更快到达蒸发器区域362的路径。在这方面，液体桥388可以包括多孔微结构，覆盖在多孔微结构中的固体桥，或用于为工作流体354朝向蒸发器区域362移动提供较短路径的任何其他合适的毛细管结构。根据示例性实施例，液体桥388可以远离储存器壁372延伸，例如朝向外壁320延伸，用于提供相对于储存器壁372上的毛细管结构364到前缘320的较短路径。应当理解的是，根据示例性实施例，液体桥388的数量、尺寸、位置和结构可以变化，同时保持在本主题的范围内。
另外，热能存储组件370可以采取任何合适的形状并且可以覆盖外壁320内的任何合适的区域，例如，用于确保相变材料376的均匀熔化和改进的热分布。例如，参考例如图5，储存器壁372可以限定多个翼展翅片390，多个翼展翅片390使相变材料376分裂并改进热能存储组件370的表面积与体积之比。在这方面，如图所示，储存器壁372可以将内部腔室374的体积分割成具有不同的数量、尺寸、形状和结构的翅片390的多个区域。尽管示出了翼展翅片390，但是应当理解的是，根据替代的实施例，翅片或突出结构可以在任何其他合适的方向上延伸，并且可以具有任何其他合适的尺寸或形状。
现在参考图6，热能存储组件370可以进一步包括传导路径392，传导路径392以任何合适的图案或构造在内部腔室374内延伸，用于使热能分布在整个内部腔室374中并确保其中的均匀熔化和热量分布。例如，根据图示的实施例，传导路径392形成遍及整个内部腔室374延伸的网格状结构。根据示例性实施例，传导路径392可以由与储存器壁372相同的材料或任何其他合适的传导材料形成。根据示例性实施例，网格的厚度可以朝向内部腔室374的后向端330增加，例如，以增加传递到内部腔室374的最厚区域的热能的量。应当理解的是，传导路径392的尺寸、结构、几何形状和位置可以变化，同时保持在本主题的范围内。
因此，以上公开的本主题的各方面呈现了改进的前缘组件和形成该前缘组件的方法，用于冷却经受超高热负荷的高超音速飞行器100的区域。值得注意的是，包括外壁320、储存器壁372、毛细管结构364、热交换翅片380和其他特征的前缘组件300可以被另外地制造成单个一体化的整体件。另外，本文所述的增材制造方法便于使用任何一种或多种合适的材料来形成前缘组件300，并且能够形成具有高表面积的极其复杂的热交换特征，以改进材料之间的热接触。此外，在汽化物室352中使用工作流体354有助于将热能从前缘组件300的较热区域传递到较冷区域，同时相变材料376有助于吸收和管理在高超音速操作期间产生的高热能。
本发明的进一步的方面由以下条项的主题提供：
1.一种用于高超音速交通工具的前缘组件，所述前缘组件包括：外壁，所述外壁渐缩至前缘，其中所述外壁至少部分地限定汽化物室；毛细管结构，所述毛细管结构被定位在所述汽化物室内的所述外壁的内表面上；和热能存储组件，所述热能存储组件被定位成与所述汽化物室热连通。
2.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述热能存储组件包括：储存器壁；和相变材料，所述相变材料被定位在所述储存器壁内。
3.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述相变材料包括硅或铍。
4.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述相变材料具有大于1000摄氏度的熔化温度。
5.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述相变材料具有大于300kJ/kg的熔融潜热。
6.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述热能存储组件包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室容纳具有第一熔化温度的第一相变材料，所述第二腔室容纳具有第二熔化温度的第二相变材料。
7.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述毛细管结构是衬在所述外壁的所述内表面和所述储存器壁的所述外表面之间的棉芯、多孔结构或筛网。
8.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述毛细管结构包括：至少一个液体桥，所述至少一个液体桥朝向所述外壁远离所述储存器壁延伸，用于提供相对于所述毛细管结构到所述前缘的较短路径。
9.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述外壁、所述储存器壁和所述毛细管结构被增材制造为单个整体式部件。
10.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述储存器壁是能够根据所述相变材料的状态而膨胀或收缩的兼容性容纳结构。
11.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述储存器壁具有波浪形轮廓。
12.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述储存器壁基本平行于所述外壁延伸。
13.根据前述任一条项所述的前缘组件，进一步包括：多个热交换翅片，所述多个热交换翅片被安装在所述储存器壁的外表面上。
14.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述多个热交换翅片中的每个热交换翅片在所述气流方向上延伸。
15.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述热能存储组件被定位成邻近所述前缘组件的后向隔板。
16.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述热能存储组件包括：
延伸通过所述内部腔室的一个或多个传导路径。
17.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述汽化物室装载有锂、钠或银。
18.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述外壁由陶瓷基复合材料、碳-碳复合材料或难熔材料形成。
19.一种用于高超音速交通工具的前缘组件，所述前缘组件包括：外壁，所述外壁渐缩至前缘，其中所述外壁至少部分地限定汽化物室；毛细管结构，所述毛细管结构被定位在所述汽化物室内的所述外壁的内表面上；和热能存储组件，所述热能存储组件被定位在所述汽化物室内，所述热能存储组件包括容纳相变材料的储存器壁。
20.根据前述任一条项所述的前缘组件，其中所述相变材料包括硅或铍。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及进行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他实例旨在权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种用于高超音速交通工具的前缘组件，其特征在于，所述前缘组件包括：
外壁，所述外壁渐缩至前缘，其中所述外壁至少部分地限定汽化物室；
毛细管结构，所述毛细管结构被定位在所述汽化物室内的所述外壁的内表面上；和
热能存储组件，所述热能存储组件被定位成与所述汽化物室热连通。
2.根据权利要求1所述的前缘组件，其特征在于，其中所述热能存储组件包括：
储存器壁；和
相变材料，所述相变材料被定位在所述储存器壁内。
3.根据权利要求2所述的前缘组件，其特征在于，其中所述相变材料包括硅或铍。
4.根据权利要求2所述的前缘组件，其特征在于，其中所述相变材料具有大于1000摄氏度的熔化温度。
5.根据权利要求2所述的前缘组件，其特征在于，其中所述相变材料具有大于300kJ/kg的熔融潜热。
6.根据权利要求1所述的前缘组件，其特征在于，其中所述热能存储组件包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室容纳具有第一熔化温度的第一相变材料，所述第二腔室容纳具有第二熔化温度的第二相变材料。
7.根据权利要求2所述的前缘组件，其特征在于，其中所述毛细管结构是衬在所述外壁的所述内表面和所述储存器壁的外表面之间的棉芯、多孔结构或筛网。
8.根据权利要求7所述的前缘组件，其特征在于，其中所述毛细管结构包括：
至少一个液体桥，所述至少一个液体桥朝向所述外壁远离所述储存器壁延伸，用于提供相对于所述毛细管结构到所述前缘的较短路径。
9.根据权利要求2所述的前缘组件，其特征在于，其中所述外壁、所述储存器壁和所述毛细管结构被增材制造为单个整体式部件。
10.根据权利要求2所述的前缘组件，其特征在于，其中所述储存器壁是能够根据所述相变材料的状态而膨胀或收缩的兼容性容纳结构。
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