一种高超声速飞行器热防护壁面结构及高超声速飞行器

本发明涉及高超声速飞行器热防护领域，特别是涉及一种高超声速飞行器热防护壁面结构及高超声速飞行器。

背景技术：

1、航空航天技术作为近年来世界各国重点布局和优先发展的尖端科技，对于国家的政治、军事、交通、通讯等关键领域具有重要的战略意义，也是各国综合国力竞争的焦点。随着对于未来先进飞行器需求的不断提高，现有飞行器巡航速度和推力无法满足更高需求，高超声速(飞行马赫数ma大于5)飞行器的发展日益得到更多关注。高超声速飞行器在实际热环境中飞行示意图如图1所示。由于飞行速度的进一步提高会带来气动加热和发动机燃烧室温度的提高，关键部件热防护成为飞行器发展的关键难题。在ma达到10时，飞行器面临的气流总温接近3900k。同时因为飞行器表面热流分布不均匀，尖锐前缘驻点的热流密度可能会高达500mw/m2。高超声速飞行器热防护要求已经超过常规冷却技术的冷却极限，因此有必要利用冷却效果更好的主动冷却方式，为飞行器提供更高极限冷却能力和更长时稳定的热防护。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高超声速飞行器热防护壁面结构及高超声速飞行器，利用基于金属纳米改性的自抽吸发汗冷却高温壁面，实现高效快速的冷却，可提供更高极限冷却能力和更长时稳定的热防护。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种高超声速飞行器热防护壁面结构，所述热防护壁面结构包括：自外而内依次设置的隔热层、导热层、抽吸层和储水层。导热层用于向抽吸层传导隔热层削减后的热流，并向隔热层传输抽吸层中发生相变换热的冷却流体，利用发生相变换热的冷却流体对隔热层进行冷却。抽吸层为纳米表面改性之后的金属微多孔结构；所述抽吸层用于在经纳米表面改性之后强化的毛细抽吸力下从储水层中源源不断地抽吸冷却流体，同时基于蒸发驱动流动的原理，利用所述削减后的热流使冷却流体进行相变换热。

4、一种高超声速飞行器，所述高超声速飞行器的表面布置有上述的高超声速飞行器热防护壁面结构。

5、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

6、本发明实施例的一种高超声速飞行器热防护壁面结构及高超声速飞行器，在受热壁面最外层设置隔热层，大大降低了内部结构需要冷却的热流密度，起到了保护壁面的效果；抽吸层为表面纳米改性之后的金属微多孔结构，表面纳米改性提升了微多孔介质抽吸力，使得抽吸层从储水层中源源不断地抽吸冷却流体，进而通过冷却流体利用相变换热吸收大量削减后的热流的热量，对高温高热流外环境下的壁面实现高效快速的冷却，大幅提高了热防护壁面结构的极限冷却能力，从而使得热防护壁面结构能够提供更长时稳定的热防护。

技术特征：

1.一种高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，所述热防护壁面结构包括：自外而内依次设置的隔热层、导热层、抽吸层和储水层；

2.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，所述热防护壁面结构还包括：支撑壁面；

3.根据权利要求2所述的高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，所述热防护壁面结构还包括：水箱、阀门和管路；

4.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，所述隔热层包括：碳-碳复合材料层和碳基气凝胶层；

5.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，导热层由多孔氧化铝材料或合金材料制成。

6.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，隔热层和导热层之间通过机械压紧或耐高温硅橡胶粘结的方式进行连接固定。

7.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，抽吸层的制成方法有两种；

8.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，储水层为微多孔结构，储水层由高分子纤维材料或大孔隙泡沫金属组成。

9.根据权利要求2所述的高超声速飞行器热防护壁面结构，其特征在于，支撑壁面由耐高温合金材料制成，支撑壁面通过胶黏或螺栓的方式与抽吸层和储水层连接。

10.一种高超声速飞行器，其特征在于，所述高超声速飞行器的表面布置有权利要求1-9任一项所述的高超声速飞行器热防护壁面结构。

技术总结本发明公开一种高超声速飞行器热防护壁面结构及高超声速飞行器，涉及高超声速飞行器热防护领域。该热防护壁面结构包括自外而内依次设置的隔热层、导热层、抽吸层和储水层。导热层向抽吸层传导隔热层削减后的热流，并向隔热层传输抽吸层中发生相变换热的冷却流体，利用发生相变换热的冷却流体对隔热层进行冷却。抽吸层为表面纳米改性之后的金属微多孔结构，在表面纳米改性之后强化的毛细抽吸力作用下从储水层中源源不断地抽吸冷却流体，同时利用削减后的热流使冷却流体进行相变换热。本发明利用基于金属纳米改性强化的自抽吸发汗冷却技术，对高温高热流外环境下的壁面实现高效快速的冷却，能够提供更高极限冷却能力和更长时稳定的热防护。技术研发人员：胥蕊娜,姜培学,廖致远,李晓阳,周济民受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/5/6