CN113277100A - 高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统及其应用方法。该系统包括高压储罐、控制阀门、驱动泵、连接管路、微通道阵列、超声速喷管。当飞行器达到高超声速时，在气动加热作用下，探测器光学窗口温度迅速升高，此时开启控制阀门，将液态CO2泵送至光学窗口内部的微通道阵列并迅速吸热进入超临界态，超临界CO2通过对流换热实现了光学窗口的第一级冷却。流出微通道的超临界CO2经过超声速喷管加速、膨胀、降温后喷向外界，形成高速气态CO2射流。CO2射流充当了高温来流与光学窗口之间的隔绝气膜，实现了光学窗口的第两级冷却。超临界CO2的流动阻力小、换热性能优异并且吸热过程中不会产生相变，因此对光学窗口光学传输特性的影响较小。

Description

高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统及其应用方法
技术领域
本发明涉及高超声速飞行器光学窗口的冷却领域，具体地，涉及一种高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统及其应用方法。
背景技术
在军事和民用需求的不断推动下，高超声速飞行器正朝着更高速、更精确的目标发展，而实现精确打击的一种重要技术途径就是采用光学成像探测制导。然而，当飞行器的飞行速度达到高超声速（马赫数大于5）时，气动加热引起的气流密度变化、热辐射效应等均会对探测器光学窗口的光学传输特性产生严重影响。
基于气膜冷却技术的外冷方案和基于微通道对流换热的内冷技术是两种主流的光学窗口冷却方案，然而，在热流密度不断提高的发展趋势下，气膜冷却所需的冷却剂流量不断提高，这直接降低了高超声速飞行器的有效载荷，对飞行器的续航里程和打击威力均会造成十分不利的影响；而微通道对流换热技术，循环冷却所需的冷凝器、驱动泵等设备也同样会对高超声速飞行器的有效载荷造成影响。此外，传统的水、液氮、液氨等冷却介质，均存在相变引起的密度大幅波动问题，这严重影响了光学窗口的密度均匀性，最终导致探测器接受的图像发生畸变。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种使用二氧化碳作为冷却介质的高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统及其工作方法，本发明具有密度均匀性好、冷却性能优异等显著优势。
一种高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统，包括二氧化碳高压储罐、控制阀门、驱动泵、连接管路、微通道阵列、超声速喷管；高压储罐、控制阀门、驱动泵、连接管路、超声速喷管依次相连，微通道阵列位于驱动泵和超声速喷管之间，驱动泵、微通道阵列、超声速喷管分别由连接管路连接；所述的微通道阵列加工在探测器光学窗口内部，光学窗口的上下游分别设有上游隔热层、下游隔热层，上游隔热层位于高温来流方向，并且高出光学窗口，下游隔热层和光学窗口齐平；所述的超声速喷管的出口位于上游隔热层高出光学窗口的部分，喷向光学窗口下游。
一种所述的高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统的应用方法，在高压储罐内二氧化碳为低温液态，当高超声速飞行器进入高速飞行状态时，高速气流在飞行器前部减速，其动能逐渐转化为内能，在飞行器表面形成高温激波，在热对流、热辐射的影响下，探测器光学窗口的温度将迅速升高，当光学窗口温度超过设定的临界值时，开启控制阀门与驱动泵，将液态二氧化碳泵送入光学窗口内的微通道阵列，在微通道入口段，强烈的对流换热使得二氧化碳的温度迅速升高，二氧化碳的状态从液态迅速转变至超临界态，离开微通道入口段的超临界态二氧化碳在微通道阵列内继续进行对流换热作用，带走输入微通道阵列的热量，实现了第一级冷却；随后，吸热、升温后的超临界二氧化碳流出微通道，流入超声速喷管，在超声速喷管内经历膨胀、加速、降温过程后，这部分低速、高温的超临界二氧化碳转变为高速、低温的气态二氧化碳贴壁射流充当隔绝气膜，并与外界高温高速来流产生强剪切作用，形成剪切层，从而降低探测器光学窗口的输入热流密度，达到第两级冷却的效果。
所述的高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统的应用方法，根据高温来流静压，调节驱动泵的泵送压力，使超声速喷管出口气流的静压与来流的静压相等，实现剪切层两侧的压力匹配，从而延迟转捩，减小了光学图像在穿过剪切层时的畸变。
本发明的有益效果在于：
第一，采用微通道对流换热与气膜冷却相结合的内外两级冷却方案，强化散热和减小产热同步进行，综合冷却性能十分优异。
第二，使用超临界二氧化碳作为光学窗口微通道阵列内的冷却工质，具有流动阻力小、对流换热性能好等优点，并且对流换热过程中密度波动不大，引起的光学畸变较小。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为本发明应用场景的一种二维示意图。
图3为本发明应用场景的一种三维示意图。
附图标记说明：1、高压储罐；2、控制阀门；3、驱动泵；4、连接管路；5、微通道阵列；6、超声速喷管；7、光学窗口；8、探测器；9、下游隔热层；10、上游隔热层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示，一种高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统，它由高压储罐1、控制阀门2、驱动泵3、连接管路4、微通道阵列5和超声速喷管6五部分组成。所述的微通道阵列5加工在探测器光学窗口7内部。所述的超声速喷管6位于探测器光学窗口7和上游隔热层10之间的凸起台阶上，喷管的喷射方向是从光学窗口7上游喷向光学窗口7下游。
如图1、图2、图3所示，冷却系统工质选用二氧化碳，在高压储罐1内二氧化碳为低温液态。当高超声速飞行器进入高速飞行状态时，高速气流在飞行器前部减速，其动能逐渐转化为内能，在飞行器表面形成高温激波，在热对流、热辐射的影响下，探测器光学窗口7的温度将迅速升高。当检测的光学窗口7温度超过设定的临界值时，开启控制阀门2与驱动泵3，将液态二氧化碳泵送入光学窗口7内的微通道阵列5，在微通道入口段，强烈的对流换热使得二氧化碳的温度迅速升高，二氧化碳的状态从液态迅速转变至超临界态。离开微通道入口段的超临界态二氧化碳在微通道阵列5内继续进行对流换热作用，带走输入微通道阵列5的热量，实现了第一级冷却。随后，吸热、升温后的超临界二氧化碳流出微通道、流入超声速喷管6，在超声速喷管6内经历膨胀、加速、降温过程后，这部分低速、高温的超临界二氧化碳转变形成高速、低温的气态二氧化碳贴壁射流，并与外界高温高速来流产生强剪切作用，形成剪切层。由于膨胀降温之后的二氧化碳温度远远低于高超声速气流的恢复温度，因此，这部分二氧化碳气体可充当高温高速来流与光学窗口7之间的隔绝气膜，防止高温来流与光学窗口7的直接接触，从而降低探测器光学窗口7的输入热流密度，达到第两级冷却的效果。
如图1所示，所述的高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统使用超临界二氧化碳作为微通道阵列5内的冷却工质，相比于水、液氨、液氮等冷却工质，超临界二氧化碳兼具气体的低粘度特性和液体的高密度特性，因此在应用于微通道对流换热时具有流动阻力小、对流换热性能好的优势。并且，超临界二氧化碳在吸热前后不会发生相变，因此密度变化不大，不会对光学窗口7的光学传输特性产生显著影响，使得探测器8接收到的光学图像的畸变程度较轻。
如图1与图2所示，根据飞行器环境参数测量系统测量得到的来流静压，通过调节驱动泵3的泵送压力，使得超声速喷管6出口气流的静压与来流的静压相等，从而使得剪切层两层压力匹配。当剪切层压力匹配后，剪切层的层流长度将明显增大，转捩现象将延迟发生，由于层流状态下流场的扰动很小，因此光线在穿过剪切层时的畸变明显降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施案例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统，其特征在于：包括二氧化碳高压储罐（1）、控制阀门（2）、驱动泵（3）、连接管路（4）、微通道阵列（5）、超声速喷管（6）；高压储罐（1）、控制阀门（2）、驱动泵（3）、连接管路（4）、超声速喷管（6）依次相连，微通道阵列（5）位于驱动泵（3）和超声速喷管（6）之间，驱动泵（3）、微通道阵列（5）、超声速喷管（6）分别由连接管路（4）连接；所述的微通道阵列（5）加工在探测器光学窗口（7）内部，光学窗口（7）的上下游分别设有上游隔热层（10）、下游隔热层（9），上游隔热层（10）位于高温来流方向，并且高出光学窗口（7），下游隔热层（9）和光学窗口（7）齐平；所述的超声速喷管（6）的出口位于上游隔热层（10）高出光学窗口（7）的部分，喷向光学窗口（7）下游。
2.一种如权利要求1所述的高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统的应用方法，其特征在于：在高压储罐（1）内二氧化碳为低温液态，当高超声速飞行器进入高速飞行状态时，高速气流在飞行器前部减速，其动能逐渐转化为内能，在飞行器表面形成高温激波，在热对流、热辐射的影响下，探测器光学窗口（7）的温度将迅速升高，当光学窗口（7）温度超过设定的临界值时，开启控制阀门（2）与驱动泵（3），将液态二氧化碳泵送入光学窗口（7）内的微通道阵列（5），在微通道入口段，强烈的对流换热使得二氧化碳的温度迅速升高，二氧化碳的状态从液态迅速转变至超临界态，离开微通道入口段的超临界态二氧化碳在微通道阵列（5）内继续进行对流换热作用，带走输入微通道阵列（5）的热量，实现了第一级冷却；随后，吸热、升温后的超临界二氧化碳流出微通道，流入超声速喷管（6），在超声速喷管（6）内经历膨胀、加速、降温过程后，这部分低速、高温的超临界二氧化碳转变为高速、低温的气态二氧化碳贴壁射流充当隔绝气膜，并与外界高温高速来流产生强剪切作用，形成剪切层，从而降低探测器光学窗口（7）的输入热流密度，达到第两级冷却的效果。
3.如权利要求2所述的高超声速飞行器光学窗口两级冷却系统的应用方法，其特征在于：根据高温来流静压，调节驱动泵（3）的泵送压力，使超声速喷管（6）出口气流的静压与来流的静压相等，实现剪切层两侧的压力匹配，从而延迟转捩，减小了光学图像在穿过剪切层时的畸变。
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