一种基于复合通道结构的主动热防护系统的制作方法

本发明涉及高速飞行器热防护，具体而言，涉及一种基于复合通道结构的主动热防护系统。

背景技术：

1、当飞行器以高超声速在稠密大气层内长时间飞行时，受气动加热影响，飞行器外表面的温度可达到或接近3000摄氏度。为保证飞行器机身及其内部环境在允许的温度范围内正常工作，需进行有效的结构热防护设计。飞行器关键部位的热防护需求在整个飞行过程中随着高度、速度等参数的改变而不断变化。因此，设计一套高效、合理的主动热防护方案对于高超声速飞行器的发展具有重要意义。

2、cn107150810a公开了一种飞行器热部件的防护系统，该系统利用冷却水对飞行器热部件进行单相对流冷却，升温后的冷却水闪蒸分离得到液态水和水蒸气，液态水回到循环管路，水蒸气用于对其他热部件进行气膜冷却。该方案的内部冷却和外部气膜冷却针对不同飞行器热部件进行，而缺乏针对极端气动加热部件热防护以及跨域飞行过程中同一热部件的热防护需求变化大的考量。在极端气动加热条件下，需要内部冷却和外部喷流降热作用相结合以保证热部件的安全，同时跨域飞行时，同一热部件在不同热环境下，需要采用不同的热防护技术，实现热防护的同时，降低冷却工质的消耗。因此，需要针对上述问题，设计一套冷却模式可按需调节的热防护系统方案及防热结构。

3、在中低气动加热条件下，对流冷却是一种合适的主动热防护技术方案。其利用冷却工质在热防护结构内部管路中的对流传热作用，实现对热防护结构的冷却。在低热流条件下，冷却工质的单相对流传热能够满足热防护需求，在中高热流条件下，冷却工质在通道内流动沸腾，冷却工质的相变吸热能进一步提升热防护性能。

4、在高热流条件下，只依靠对流冷却难以应对热防护需求，需要利用更高效的发汗冷却，实现对高热流区的有效热防护。发汗冷却利用冷却工质从壁面微孔引射注入外流场的近壁区，形成冷却气膜的形式改变近壁流场，从而减小气动热的输入，在一定程度上提高冷却工质流动沸腾的稳定性，实现更高效热防护。然而，发汗冷却与内部对流冷却的另一不同在于，发汗冷却是开式系统，冷却工质进入外流场，造成冷却工质消耗。

5、针对飞行器不同飞行阶段的热防护需求，结合对流冷却和发汗冷却的特点及热防护性能，通过将两种热防护技术进行组合，形成一套高效、合理的高速飞行器主动热防护系统具有重要的工程意义。

技术实现思路

1、本发明针对高速飞行器的热防护需求，设计了一套同时具有相变换热和可控喷流降热的主动热防护系统。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于复合通道结构的主动热防护系统，包括储液罐、流量泵、过滤器、复合通道热防护结构、气液分离器、储气罐；其中，储液罐、流量泵、过滤器、复合通道热防护结构、气液分离器顺次相连成环路，气液分离器的另一路通过储气罐与复合通道热防护结构相连；储气罐与复合通道热防护结构之间设有调节阀；储液罐、流量泵之间设有截止阀；复合通道热防护结构与气液分离器之间设有背压阀；气液分离器与储气罐之间设有单向阀；储液罐与气液分离器之间设有单向阀；调节阀、保温管路和截止阀顺次相连，在背压阀和储气罐之间连成旁路；储气罐设有保温管路和控温加热带。

4、所述的复合通道热防护结构包含相变换热通道阵列和气体输送通道阵列两部分，相变换热通道阵列由液体入口、一级液体分配腔、液体分配孔、二级液体分配腔、相变换热微通道、收集腔和出口顺次相连构成；气体输送通道阵列由气体入口、一级气体分配腔、气体分配孔、二级气体分配腔、气体输送微通道和微孔阵列顺次相连构成。

5、所述的复合通道热防护结构的液体入口和过滤器连通，出口和背压阀连通，气体入口和调节阀连通。

6、所述的保温管路和控温加热带缠绕在储气罐外表面。

7、所述复合通道热防护结构布置于高速飞行器需要热防护的壁面处，其外表面作为飞行器壁面的一部分。

8、所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，工作过程为：系统包括主环路和气体支路两部分，主环路的储液罐液态冷却工质经由截止阀，通过流量泵输送和过滤器过滤微细杂质后，进入复合通道热防护结构中的相变换热微通道内通过相变沸腾换热对防热结构进行冷却，换热后的气液两相混合工质经过背压阀，一部分直接进入气液分离器，一部分通过调节阀进入保温管路后通过截止阀回到主环路进入气液分离器，气液分离器分离得到液态冷却工质经由单向阀流回储液罐；

9、所述气体支路输送的气态工质由气液分离器分离气液两相混合工质得到，气态工质通过单向阀进入储气罐，调节阀调节进入复合通道热防护结构的气态工质流量，气态工质在复合通道热防护结构中的气体输送微通道进行输送，并通过通道壁面的微孔阵列以微喷流的形式注入飞行器外流场的近壁流场，改变近壁区速度和温度边界层分布，降低壁面热流。

10、所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，为维持微喷流所需的气体压力，首先通过缠绕于储气罐表面的保温管路对储气罐保温，维持一定的气源压力，当气罐温度难以达到气体的压力要求时，通过控温加热带电加热实现加热控温，调控喷气气源压力。

11、所述复合通道热防护结构中的相变换热微通道和气体输送微通道互不连通，两者呈现交叉排布。

12、本发明具有冷却性能优异和冷却模式灵活可调的优势，可满足高速飞行器的长时间跨域航行热防护需求。

技术特征：

1.一种基于复合通道结构的主动热防护系统，其特征在于：包括储液罐（1）、流量泵（2）、过滤器（3）、复合通道热防护结构（4）、气液分离器（5）、储气罐（6）；其中，储液罐（1）、流量泵（2）、过滤器（3）、复合通道热防护结构（4）、气液分离器（5）顺次相连成环路，气液分离器（5）的另一路通过储气罐（6）与复合通道热防护结构（4）相连；储气罐（6）与复合通道热防护结构（4）之间设有调节阀（27）；储液罐（1）、流量泵（2）之间设有截止阀（21）；复合通道热防护结构（4）与气液分离器（5）之间设有背压阀（22）；气液分离器（5）与储气罐（6）之间设有单向阀（25）；储液罐（1）与气液分离器（5）之间设有单向阀（26）；调节阀（23）、保温管路（7）和截止阀（24）顺次相连，在背压阀（22）和储气罐（6）之间连成旁路；储气罐（6）设有保温管路（7）和控温加热带（8）。

2.如权利要求1所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，其特征在于：复合通道热防护结构（4）包含相变换热通道阵列和气体输送通道阵列两部分，相变换热通道阵列由液体入口（4.1）、一级液体分配腔（4.2）、液体分配孔（4.3）、二级液体分配腔（4.12）、相变换热微通道（4.4）、收集腔（4.10）和出口（4.5）顺次相连构成；气体输送通道阵列由气体入口（4.6）、一级气体分配腔（4.11）、气体分配孔（4.7）、二级气体分配腔（4.13）、气体输送微通道（4.8）和微孔阵列（4.9）顺次相连构成。

3.如权利要求1所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，其特征在于：所述的复合通道热防护结构（4）的液体入口（4.1）和过滤器（3）连通，出口（4.5）和背压阀（22）连通，气体入口（4.6）和调节阀（27）连通。

4.如权利要求1所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，其特征在于：所述的保温管路（7）和控温加热带（8）缠绕在储气罐（6）外表面。

5.如权利要求1所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，其特征在于：所述复合通道热防护结构（4）布置于高速飞行器需要热防护的壁面处，其外表面作为飞行器壁面的一部分。

6.如权利要求1所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，其特征在于：工作过程为：系统包括主环路和气体支路两部分，主环路的储液罐（1）液态冷却工质经由截止阀（21），通过流量泵（2）输送和过滤器（3）过滤微细杂质后，进入复合通道热防护结构（4）中的相变换热微通道（4.4）内通过相变沸腾换热对防热结构进行冷却，换热后的气液两相混合工质经过背压阀（22），一部分直接进入气液分离器（5），一部分通过调节阀（23）进入保温管路（7）后通过截止阀（24）回到主环路进入气液分离器（5），气液分离器（5）分离得到液态冷却工质经由单向阀（26）流回储液罐（1）；

7.如权利要求6所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，其特征在于：为维持微喷流所需的气体压力，首先通过缠绕于储气罐（6）表面的保温管路（7）对储气罐（6）保温，维持一定的气源压力，当气罐温度难以达到气体的压力要求时，通过控温加热带（8）电加热实现加热控温，调控喷气气源压力。

8.如权利要求2所述的基于复合通道结构的主动热防护系统，其特征在于：所述复合通道热防护结构（4）中的相变换热微通道（4.4）和气体输送微通道（4.8）互不连通，两者呈现交叉排布。

技术总结本发明公开了一种基于复合通道结构的主动热防护系统，属于飞行器热防护技术领域。针对高速飞行器飞行过程中不同阶段对热防护系统性能的不同需求，设计了一套完整的飞行器热防护系统，其可实现对流冷却、发汗冷却以及组合冷却方式并具有独立调节功能，具体包括用于提供冷却工质的介质输送系统和复合通道热防护结构；所述介质输送系统包括主环路和气体支路两部分。主环路包括储液罐、截止阀、流量泵、过滤器、复合通道热防护结构、背压阀、调节阀、保温管路、截止阀、气液分离器、单向阀；气体支路包括单向阀、储气罐、调节阀。本发明具有冷却性能优异和冷却模式灵活可调的优势，可满足高速飞行器的长时间跨域航行热防护需求。技术研发人员：胡文杰,邱云龙,陈伟芳,赵文文,荣臻受保护的技术使用者：浣江实验室技术研发日：技术公布日：2024/5/29