CN112963501B - 一种填充相变材料的返回舱缓冲外壳 - Google Patents

一种填充相变材料的返回舱缓冲外壳 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其包括第一外壳、第二外壳和位于第一外壳、第二外壳之间的用于填充第一相变材料及泡沫金属的腔室；所述的第二外壳连接返回舱外壁。泡沫金属填充时预留圆柱形空间用于安装机械缓冲组件；所述机械缓冲组件包括圆柱形外壁、位于外壁内部的第二相变材料和形状记忆合金做成的弹簧，泡沫金属的空隙里填充第一相变材料，第一相变材料和第二相变材料在达到设定温度后逐渐吸热融化成液相流体。记忆合金达到形变温度后会发生形变伸长变成缓冲弹簧，本发明的返回舱缓冲外壳即可以给返回舱提供热缓冲，也可以给返回舱提供机械缓冲。

Description

一种填充相变材料的返回舱缓冲外壳
技术领域
本发明属于相变储能材料技术领域，具体涉及一种填充相变材料的返回舱缓冲外壳。
背景技术
返回舱承载了宇航员及大量的精密试验仪器，返回舱的成功回收是载人航天工程中至关重要的一个环节。返回舱要安全着陆，有两个技术难点。一是返回舱进入大气层时，迎面气流最高的温度大概1000度到1200度。返回舱最外层既要抵抗住这种高温，还要保证里面的铝合金壳体和航天员所处的环境处于一个合适的温度，防止设备被烧坏，避免航天员感觉到特别热、不舒服。一是返回舱在返回地面的过程中，一般都采用降落伞来降低其着陆速度。由于受降落伞的设计着陆速度限制，载人航天返回舱在陆地上的着陆速度一般为6-7m/s，而对无人返回舱可达10-14m/s。返回舱以这样大的着陆速度着陆时会在着陆瞬间产生很大的冲击，对舱内宇航员及仪器设备造成较大影响。
虽然，现在返回舱使用的方法已经可以满足安全要求，但是对于解决这两个技术难点的方法一直在不断优化，若有方案能更加有效提高热缓冲和机械缓冲，则可进一步降低返回舱内设备的抗震和抗热要求，为返回舱内部提高更加安全的环境。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种填充相变材料的返回舱缓冲外壳。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明首先提供了一种填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其包括第一外壳、第二外壳和位于第一外壳与第二外壳之间的用于填充第一相变材料和泡沫金属的腔室；所述泡沫金属填满所述腔室，所述第一相变材料填充于所述泡沫金属的孔隙内；所述的第一外壳和第二外壳构成返回舱缓冲外壳的壳体；所述第二外壳用于连接返回舱；所述腔室内固定有机械缓冲组件；所述机械缓冲组件包括组件外壁、位于组件外壁内部的第二相变材料和形状记忆合金做成的弹簧，所述弹簧达到变形温度以后长度将伸长；所述第一相变材料的相变温度高于所述第二相变材料的相变温度；所述形状记忆合金的变形温度高于所述第二相变材料的相变温度。
作为本发明的优选方案，所述第一外壳采用熔点高于1500℃的材料；第一外壳的外壁面上涂覆有烧蚀防热材料。进一步的，所述的第一外壳采用熔点高于1500℃的金属氧化物或氧化物弥散强化型高温合金。
作为本发明的优选方案，所述第二外壳采用隔热材料，所述第二外壳包裹所述返回舱的全部或部分外表面。进一步的，所述第二外壳采用氧化铝、陶瓷或耐火材料。
作为本发明的优选方案，所述第一相变材料为相变温度在1000-1500℃的无机相变材料；所述第二相变材料为相变温度在150-200℃的有机相变材料；所述形状记忆合金的变形温度为150-200℃。进一步的，所述第二相变材料是D-半乳糖醇、D-甘露糖醇、肌糖醇中、D-半乳糖醇/肌糖醇、D-甘露糖醇/D-半乳糖醇的一种或多种；所述第一相变材料为氯化物、碳酸盐、氟化物中的一种或多种。
作为本发明的优选方案，所述泡沫金属的孔隙率为80％-95％；所述泡沫金属的材质选择为泡沫镍，泡沫金属填充时预留圆柱形空间用于安装机械缓冲组件。
作为本发明的优选方案，所述第一外壳与第二外壳之间的间距，即腔室厚度，为返回舱长度的0.15-0.5倍；所述弹簧在未达到变形温度时，其长度是腔室厚度的0.5-0.8倍，所述弹簧达到变形温度以后，其伸长后的长度大于等于腔室厚度的0.9倍。
作为本发明的优选方案，所述机械缓冲组件均匀布置在所述腔室内，或者集中布置在所述返回舱预设计撞击点区域对应的腔室区域内；部分机械缓冲组件的形状记忆合金固定连接在所述第一外壳的内壁上，剩余机械缓冲组件的形状记忆合金固定连接在所述第二外壳的内壁上。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的第一外壳外壁采用高熔点材料，且涂覆烧蚀防热材料以起到第一层隔热的作用；当大气摩擦产生的热量经第一外壳再向内传播时，腔室内填充的第一相变材料可以吸收大部分热量，实现热缓冲；同时第二相变材料也将受热融化，在第二相变材料融化过程中，因部分机械缓冲组件内的记忆合金与第一外壳相连，其可以起到导热作用，促进那些已经透过第一外壳的热量向第二相变材料传递，从而强化第二相变材料的融化，第二相变材料融化后可以在机械缓冲组件内部区域自由流动，强化热量透过组件外壁向未融化的第一相变材料传递，可以使得传入腔室内的热量可以被第一相变材料更快的吸收。本发明的第二外壳进一步选择防热和隔热材料，用于减少第一相变材料的热量向返回舱传输，从而以尽可能减小返回腔受到的热冲击。
2)本发明在腔室内填充泡沫金属，并在泡沫金属内设置形状记忆合金做成的弹簧；弹簧在达到记忆合金形变温度时将伸长；在返回舱回收过程中，缓冲外壳自身的机械强度以及泡沫金属、记忆合金伸长后的弹簧对第一外壳的支撑可以共同维持外壳的形状使其不变形或尽可能少的变形。当返回舱撞击地面或海面时，伸长的弹簧可以为返回腔提供机械缓冲，使返回舱能承受一定强度的机械冲击。因此在需要严格控制质量的航空领域可以考虑应用所述缓冲外壳满足热缓冲和机械缓冲的要求。
3)由于航天器在腾空穿越大气层的过程中，速度较快,易发生剧烈震动或碰撞，这使得传统材料制作的弹簧易变形或难以保证返回舱着陆前能处于最佳工作状态。而本发明所选择的记忆合金在穿过大气层前，在较低温度环境，即使由于震动、碰撞等原因变形，只需在返回过程中被加热到变形温度就可以向高温相奥氏体相转变，从而达到最佳工作状态，即可排除故障。由于返回舱穿过大气层时必然会被加热，因而可以保证返回舱着陆前弹簧处于最佳状态，即高温相奥氏体相。
4)本发明进一步将部分机械缓冲组件的形状记忆合金固定连接在第一外壳的内壁上，剩余机械缓冲组件的形状记忆合金固定连接在第二外壳的内壁上。这一方面促进了热量由第一外壳向第二相变材料和第一箱变材料的传热；另一方面布置在第二外壁上的弹簧在伸长后能起到比第一外壳上的弹簧更好的支撑的作用，有利于提高整体缓冲外壳的机械强度，并利于机械缓冲的分散。
附图说明
图1是本发明缓冲外壳结构示意图。
图2是弹簧与相变材料结合方式的示意图。
图3是在弹簧达到形变温度后，缓冲外壳内部的结构示意图。
图4是在返回舱撞击地面后，缓冲外壳受撞击后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式。但本发明的实施方式不限于此，凡是采用本发明权利要求限定的技术构思以及在此基础上的其他简单变换均在本发明的保护范围内。
如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，所述填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其包括第一外壳1、第二外壳2和位于第一外壳与第二外壳之间的用于填充第一相变材料和泡沫金属的腔室3；所述泡沫金属填满所述腔室，所述第一相变材料填充于所述泡沫金属的孔隙内；所述的第一外壳和第二外壳构成返回舱缓冲外壳的壳体；所述第二外壳用于连接返回舱；所述腔室内固定有机械缓冲组件4；所述机械缓冲组件4包括组件外壁41、位于组件外壁内部的第二相变材料42和形状记忆合金做成的弹簧43，所述弹簧达到变形温度以后长度将伸长；所述第一相变材料的相变温度高于所述第二相变材料的相变温度；所述形状记忆合金的变形温度高于所述第二相变材料的相变温度。
在本发明的一个具体实施例中，所述第一外壳采用熔点高于1500℃的金属氧化物材料；第一外壳的外壁面上涂覆蜂窝增强低密度防热材料。所述第二外壳包裹所述返回舱的前端外表面，其采用氧化铝材料。所述第一相变材料为相变温度在1000-1500℃的无机相变熔盐材料(氯化物、碳酸盐、氟化物中的一种或多种组成)。所述泡沫金属的孔隙率为80％-95％；材质选择为泡沫铜，预留圆柱形空间用于安装机械缓冲组件。
如图2所示，机械缓冲组件包括组件外壁、位于组件外壁内部的第二相变材料和形状记忆合金做成的弹簧。其中组件外壁固定按在在腔室内壁面上，组件外壁用于分隔第一相变材料和第二相变材料，其材质只要能避免在工作状态下融化即可，例如可以选择高熔点的金属材质。所述形状记忆合金材料为TiNi形状记忆合金、铁镍基形状记忆合金；其变形温度为150-200℃，达到变形温度后，弹簧将明显伸长。第二相变材料为相变温度在150-200℃的有机相变材料；可选择D-半乳糖醇、D-甘露糖醇、肌糖醇中、D-半乳糖醇/肌糖醇、D-甘露糖醇/D-半乳糖醇的一种或多种。所述形状记忆合金的变形温度高于所述第二相变材料的相变温度。这样在达到变形温度时，第二相变材料已经融化成液体，不会约束弹簧的伸展。第二相变材料后使得记忆合金可以在更稳定的温度范围发生变形，减小热应力太大造成热裂等问题。
所述第一外壳与第二外壳之间的间距，即腔室厚度，为返回舱长度的0.2倍；所述弹簧在未达到变形温度时，其长度是腔室厚度的0.6倍，所述弹簧达到变形温度以后，其伸长后的长度等于腔室厚度。所述的弹簧集中布置在所述返回舱预设计撞击点区域对应的腔室区域内(即前端)，同时在其它区域也有布置。
如图2所示，整体缓冲外壳在经过大气摩擦之后，第二相变材料完全融化，弹簧完全伸长。如果外壳在撞击地面以后外壳并无破坏，则仍是保持图2状态。第一外壳外壁采用高熔点材料，且涂覆烧蚀防热材料以起到隔热的作用，腔室内填充的第一相变材料可以吸收大部分因大气摩擦产生并传递到腔室内的热量，实现热缓冲；第二外壳进一步选择防热和隔热材料，以尽可能减小返回腔受到的热冲击。另一方面，本发明在腔室内填充泡沫金属，并在泡沫金属内设置形状记忆合金做成的弹簧；弹簧在达到记忆合金形变温度时将伸长；可以为返回腔的回收提供机械缓冲，使返回舱能承受一定强度的机械冲击。
如图3所示，外壳头部因撞击陷入地面，撞击区域弹簧受到压缩，泡沫金属受到挤压，泡沫金属内融化的第一相变材料被向上挤出，靠上的外壳没有地面约束，被挤出的第一相变材料撑裂，弹簧跟随外壁离开整体外壳，泡沫金属则根据粘接的牢固程度，可能保持在内壁表面，或者离开内壁表面。本发明并不关注在撞击发生后，缓冲外壳是否被破坏，而且虽然在本实施例中，外壳最终因撞击而破坏，但在返回过程中，缓冲外壳为返回腔提供了良好的热缓冲，且在撞击过程中，弹簧为返回腔提供了机械缓冲，使返回舱能承受较大强度的机械冲击。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其特征在于包括第一外壳、第二外壳和位于第一外壳与第二外壳之间的用于填充第一相变材料和泡沫金属的腔室；所述泡沫金属填满所述腔室，所述第一相变材料填充于所述泡沫金属的孔隙内；所述的第一外壳和第二外壳构成返回舱缓冲外壳的壳体；所述第二外壳用于连接返回舱；所述腔室内固定有机械缓冲组件；所述机械缓冲组件包括组件外壁、位于组件外壁内部的第二相变材料和形状记忆合金做成的弹簧，所述弹簧达到变形温度以后长度将伸长；所述第一相变材料的相变温度高于所述第二相变材料的相变温度；所述形状记忆合金的变形温度高于所述第二相变材料的相变温度；
所述第一外壳采用熔点高于1500℃的材料；第一外壳的外壁面上涂覆有烧蚀防热材料；所述第一相变材料为相变温度在1000-1500℃的无机相变材料；所述第二相变材料为相变温度在150-200℃的有机相变材料；所述形状记忆合金的变形温度为150-200℃；
所述机械缓冲组件均匀布置在所述腔室内，或者集中布置在所述返回舱预设计撞击点区域对应的腔室区域内；部分机械缓冲组件的形状记忆合金固定连接在所述第一外壳的内壁上，剩余机械缓冲组件的形状记忆合金固定连接在所述第二外壳的内壁上。
2.根据权利要求1所述的填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其特征在于：所述的第一外壳采用熔点高于1500℃的金属氧化物或氧化物弥散强化型高温合金。
3.根据权利要求1所述的填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其特征在于：所述第二外壳采用隔热材料，所述第二外壳包裹所述返回舱的全部或部分外表面。
4.根据权利要求3所述的填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其特征在于：所述第二外壳采用氧化铝、陶瓷或耐火材料。
5.根据权利要求1所述的填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其特征在于：所述第二相变材料是D-半乳糖醇、D-甘露糖醇、肌糖醇中、D-半乳糖醇/肌糖醇、D-甘露糖醇/D-半乳糖醇的一种或多种；所述第一相变材料为氯化物、碳酸盐、氟化物中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其特征在于：所述泡沫金属的孔隙率为80%-95%；所述泡沫金属的材质选择为泡沫镍，泡沫金属填充时预留圆柱形空间用于安装机械缓冲组件。
7. 根据权利要求1所述的填充相变材料的返回舱缓冲外壳，其特征在于：所述第一外壳与第二外壳之间的间距，即腔室厚度，为返回舱长度的0.15-0. 5倍；所述弹簧在未达到变形温度时，其长度是腔室厚度的0.5-0.8倍，所述弹簧达到变形温度以后，其伸长后的长度大于等于腔室厚度的0.9倍。
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