CN220701338U - 一种热防护构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热防护构件，包括能够流通冷却剂的流体输送结构、冷却剂相变空间和空心半球形铠装结构，所述的冷却剂流体通道为多层伞骨状结构，伞骨状结构的主干的下部为冷却剂主流道且上部通过缩颈段形成为上部轴向流道。所述空心半球形铠装结构可实现流体与外部环境之间的隔离，并可实现流体和外部环境之间的高效换热，该新型热防护结构设计紧凑，发汗冷却效率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及航空航天飞行器的前缘、燃烧室等领域的热防护系统，具体为一种基于负压抽吸原理的主被动冷却技术相结合的热防护构件。
背景技术
在马赫数为15的飞行速度下，飞行器前缘等部位要承担约1200Btu/ft2sec的加热负荷，由此会造成很严重的气动加热现象，若不采用高效的热防护措施，其前缘表面温度会升至2000℃以上。高效的热防护措施可以使得飞行设备达到更快的飞行速度，同时也可以更好的保证驾驶人员的生命安全。
在航空航天等领域因发汗冷却技术的高效传热传质冷却能力，越来越被人们所重视。传统的发汗冷却技术采用烧结多孔陶瓷作为冷却主体，但是采用烧结技术制成的多孔陶瓷有孔隙结构不均匀性、强度低等缺点，导致发汗冷却技术的效果产生了不确定性，同时发汗冷却技术作为一种主动制冷技术还需要动力设备将冷却剂注入到多孔介质中，对动力设备的性能也有一定的需求。
发明内容
本实用新型的目的在于克服已有技术存在的问题，提供了提供一种具有高机械性能强度、高几何精度、易于优化且发汗冷却效率高的热防护构件。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
本实用新型的一种热防护构件，包括流体输送结构，所述的流体输送结构顶部为半球形结构，在所述的流体输送结构上开有多个冷却剂出口，在所述的流体输送结构中开有冷却剂流体通道，在所述的半球形结构外部间隔罩有一个空心半球形铠装结构，所述的空心半球形铠装结构与半球形结构之间采用多个柱状装置连接，所述的空心半球形铠装结构与半球形结构之间的环状空隙区域为冷却剂流体对流换热空间，所述的冷却剂出口与冷却剂对流换热空间连通，所述的冷却剂流体通道为多层伞骨状结构，伞骨状结构的主干的下部为冷却剂主流道且上部通过缩颈段形成为上部轴向流道，所述的冷却剂主流道和上部轴向流道沿竖直方向开在流体输送结构中间，所述的冷却剂主流道的进口贯穿流体输送结构底壁，所述的冷却剂主流道上部向上分别展开为分支流道，每个冷却剂主流道出口以及上部轴向流道出口与冷却剂出口一一对应连通；在所述的空心半球形铠装结构外部覆有烧蚀材料层，在与冷却剂出口相对应位置的空心半球形铠装结构内壁上分别设置有湍流肋片。
本实用新型结构具有以下有益效果：
1、经过机械设备加压或当高速气流掠过空心半球形铠装结构后，极高的负压会在冷却剂流体换热空间的外侧处生成，进而可以将冷却剂流体泵入(或吸入)冷却剂总入口管道，直至流至通道出口位置处。在出口位置处，通过吸收由于气动加热现象而温度升高的空心半球形铠装结构传递过来的热量，冷却剂流体吸热发生相变，从而实现降低顶部空心半球形铠装结构温度的目的。
2、通过空心半球形铠装结构的设置，阻止来流气体与冷却剂流体之间的直接接触，从而减少冷却剂流体的流出阻力，同时该装置还可有效阻挡来流方向的小颗粒物质，降低冷却剂出口管道发生阻塞的可能性，另外还可以间接保护该结构的完整性。
3、纯气态或气液混合态的制冷剂流体由冷却剂总出口流出后，覆盖在后方与本装置连接的设备处形成气膜或者液膜，将来流方向的高温流体与本装置后方所连接的设备隔离开来，减少周围环境与本装置的换热量。
附图说明
图1为本实用新型一种热防护构件的主视图；
图2为图1所示结构的仰视图；
图3为图1所示结构的剖视图；
图4为连接有柱状装置及湍流肋片的空心半球形铠装结构的仰视图；
图5为本实用新型结构的内部流道俯视图；
图6为图5所示结构的A-A剖视图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如附图所示，本实用新型的一种热防护构件，包括流体输送结构8，所述的流体输送结构顶部为半球形结构，如图3所示，在所述的半球形结构上开有多个冷却剂出口11。优选的，所述的多个冷却剂出口在半球形结构的弧形壁面上均匀分布。
在所述的流体输送结构中开有冷却剂流体通道，如图6所示所述的冷却剂流体通道为多层伞骨状结构，伞骨状结构的主干的下部为冷却剂主流道26且上部通过缩颈段形成为上部轴向流道21，所述的冷却剂主流道26和上部轴向流道21沿竖直方向开在流体输送结构中间，所述的冷却剂主流道26的进口贯穿流体输送结构底壁，所述的冷却剂主流道26上部向上分别展开为分支流道22，将冷却剂主流道26中冷却剂流体均匀分配到各分支流道中，每个冷却剂流道出口22以及上部轴向流道出口21与冷却剂出口11一一对应连通。
在所述的半球形结构外部间隔罩有一个空心半球形铠装结构4，所述的空心半球形铠装结构4与半球形结构之间采用多个柱状装置5连接，所述的空心半球形铠装结构4与半球形之间的环状空隙区域为冷却剂流体对流换热空间3，所述的冷却剂出口与冷却剂对流换热空间3连通。
在所述的空心半球形铠装结构4外部覆有烧蚀材料层31，在与冷却剂出口相对应位置的空心半球形铠装结构4内壁上分别设置有湍流肋片9，该结构可增强换热空间内冷却流体的湍流强度，强化冷却剂流体与空心半球形铠装结构4的对流换热。
优选的，所述的多个柱状装置5采用高抗压强度低导热性能的钛合金等材料。所述流体输送结构8为高抗压强度低导热性能的耐高温金属，如钛合金或陶瓷材质。优点是重量轻、比强度高。
所述空心半球形铠装结构4为高抗压强度耐高温耐腐蚀高导热性能材料，如钛合金。
优选的，分支流道的横截面优选为圆形，圆形的截面内流体的流态优于方形截面，因此液态冷却剂在该界面的管道中的沿程损失较小。
优选的，分支流道的轴线均分别关于轴向流道的轴线中心对称设置。此结构可将由冷却剂总入口管道内进入的冷却剂均匀分配给各类别流道。
空心半球形铠装结构4可实现流体与外部环境之间的隔离，并可实现流体和外部环境之间的高效换热。
优选的，所述烧蚀材料31，可以采用如酚醛等烧蚀复合材料，优点是该材料受气动加热后会发生分解、升华等物理化学变化，吸收并带走热量。
请参阅图6，用于连接空心半球形铠装结构4与流体输送结构8的柱状装置5整体呈十字状均匀分布在半球形结构顶面上。
请参阅图5，相邻的分支流道相互接触位置采用圆角6连接。水平方向同层分支流道相互之间的轴线夹角的计算公式为其中x为同层分支流道数目。所述主流道26的管道直径为/>其中n为分支流道总数目。
本热防护结构的工作原理：空心半球形铠装结构4外壁面，在高速飞行或迎面高速流体撞击时，相对高速高压流体，如空气或液体，空心半球形铠装结构4壁面处，将流体流动过程中的动能转化为壁面热能及摩擦热能，从而在空心半球形铠装结构4外壁面形成高温和高热流密度区域。
在该热防护结构中，气动加热产生的高温和高热流密度会对空心半球形铠装结构4外壁面处覆盖的烧蚀材料层31进行加热，烧蚀材料31吸热后会发生分解、升华等一系列的物理化学变化，空心半球形铠装结构4在此变化中会被吸收并带走大量的热量。在上述烧蚀冷却过程的同时，冷却剂流体通过动力泵等设备加压后，或当高速气流掠过空心半球形铠装结构4后，极高的负压会在冷却剂对流换热空间3的外部2处生成，进而可以将冷却剂液体泵入(或吸入)冷却剂主流道26中，经过在整个流体通道系统的流动和分配，冷却剂将按照设计流量分配到冷却剂对流换热空间3内。在上述冷却剂对流换热空间3内(冷却剂会流经此区域进行换热然后流出对流换热空间)冷却剂吸收来自空心半球形铠装结构4通过导热过程传递来的高强度热流，冷却剂吸热后发生相变，相变后的气液两相流或气体单相流，通过气体流动压力或者是冷却剂对流换热空间3外部由高速气流掠过所产生的负压，将相变后的气体排出或吸出冷却剂对流换热空间，并附着在所述的流体输送结构8外壁面一定区域上，形成气膜将壁面同高温高压来流空气隔离，从而实现热防护作用。随着对流换热空间3内气态制冷剂的持续流出，新的冷却剂从冷却剂总入口管道1持续补充，可有效实现该热防护装置的持续安全运行。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种热防护构件，包括流体输送结构，所述的流体输送结构顶部为半球形结构，在所述的流体输送结构上开有多个冷却剂出口，在所述的流体输送结构中开有冷却剂流体通道，在所述的半球形结构外部间隔罩有一个空心半球形铠装结构，所述的空心半球形铠装结构与半球形结构之间采用多个柱状装置连接，所述的空心半球形铠装结构与半球形结构之间的环状空隙区域为冷却剂流体对流换热空间，所述的冷却剂出口与冷却剂对流换热空间连通，其特征在于：所述的冷却剂流体通道为多层伞骨状结构，伞骨状结构的主干的下部为冷却剂主流道且上部通过缩颈段形成为上部轴向流道，所述的冷却剂主流道和上部轴向流道沿竖直方向开在流体输送结构中间，所述的冷却剂主流道的进口贯穿流体输送结构底壁，所述的冷却剂主流道上部向上分别展开为分支流道，每个冷却剂主流道出口以及上部轴向流道出口与冷却剂出口一一对应连通；在所述的空心半球形铠装结构外部覆有烧蚀材料层，在与冷却剂出口相对应位置的空心半球形铠装结构内壁上分别设置有湍流肋片。
2.根据权利要求1所述的热防护构件，其特征在于：所述的分支流道的横截面为圆形。
3.根据权利要求2所述的热防护构件，其特征在于：所述的分支流道的轴线均分别关于轴向流道的轴线中心对称设置。
4.根据权利要求3所述的热防护构件，其特征在于：相邻的分支流道相互接触位置采用圆角连接，水平方向同层分支流道相互之间的轴线夹角的计算公式为其中x为同层分支流道数目，所述冷却剂主流道的管道直径为/>其中n为分支流道总数目。
5.根据权利要求1-4之一所述的热防护构件，其特征在于：所述的多个冷却剂出口在半球形结构的弧形壁面上均匀分布。
6.根据权利要求5所述的热防护构件，其特征在于：所述的柱状装置整体呈十字状均匀分布在半球形结构顶面上。
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