一种多孔网络发汗冷却热防护装置

本发明涉及热防护，具体涉及的是一种多孔网络发汗冷却热防护装置。

背景技术：

1、长航时高速输运系统是我国重大的发展需求，然而飞行器面临着极端气动加热热流、显著表面温度梯度、冷却资源受限等特殊热防护挑战，特别是飞行器头锥面临的挑战最为严峻。因此亟需一种可重复使用的高效热防护系统来保障飞行器安全高效的飞行。

2、常规热防护技术冷却效率低，无法满足长航时高速输运系统热防护的需要，而相变发汗冷却技术冷却能力强、冷却效率高，已成为新一代长航时飞行器头锥热防护技术的重要发展方向。

3、对于传统以多孔介质发汗结构和冷却工质供液管网为主体的相变发汗冷却热防护系统，由于激波干扰、曲面效应，会造成飞行器头锥等尖端区域表面遭受更多的高温热流来袭，导致热载荷分布不均，飞行器头锥表面出现显著的温度梯度；飞行器头锥部分力载荷分布不均，导致冷却工质供应阻力大，使得冷却剂供应不足，产生传热恶化现象，给飞行器带来严重的安全隐患；长航时飞行器飞行过程中存在外界环境温度、压力波动以及内部冷却工质输送压力、温度等扰动，影响发汗冷却装置冷却工质流量的调控。因此亟需一种可实现冷却工质的精准供给，保障飞行器头锥部分高效均温冷却的热防护装置以及自抗扰的控制方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提出的一种实现均温冷却的多孔网络发汗冷却热防护装置。

2、为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：

3、一种多孔网络发汗冷却热防护装置，包括发汗冷却器和增压输送管网，所述发汗冷却器包括多孔层、金属层和分液层，在所述金属层上设置有连通所述多孔层和分液层的离散微槽，所述分液层与所述增压输送管网连接，所述发汗冷却器根据热流等级不同分为至少两个热流区域；根据所述发汗冷却器不同的热流区域，所述多孔层的孔隙呈梯级分布；在所述分液层内设置有与每个所述热流区域对应的分液腔，所述增压输送管使每个分液腔内冷却工质的供给随对应的热流区域的热流等级的降低而减小。

4、优选的，所述多孔层由规则的垂直流道和贯通流道组成，所述垂直流道和所述贯通流道的耦合设计强化了冷却工质在所述多孔层复杂网络内的渗透流动，达到降低所述多孔层温度梯度和减少冷却工质消耗的目的。

5、优选的，在不同热流区域，所述贯通流道孔隙直径相同，保障冷却工质充分的渗透流动。

6、优选的，所述垂直流道孔隙呈梯级分布，在高热流区域配置大孔隙网络流道，在中热流区域配置中孔隙网络流道，在低热流区域配置低孔隙网络流道，所述发汗冷却器在高、中、低热流区域供给的冷却工质呈梯级减小，实现飞行器头锥高效均温冷却。

7、优选的，所述金属层离散微槽数量呈梯级分布来匹配冷却工质疏导需求，在高热流区域多布置所述金属层离散微槽，来提升冷却工质疏导能力，而低热流区域少布置所述金属层离散微槽，来减弱冷却工质疏导能力，进而强化冷却工质的分段精准供给。

8、优选的，所述离散微槽在深度上也呈梯级分布，驻点附近高热流区域近乎被所述离散微槽贯穿以减小冷却工质在所述多孔层中的流动阻力，增加高热流区域所述多孔层的冷却工质供给，达到消除局部热点的目的，而对于低热流区域，离散微槽则不贯穿多孔层。

9、优选的，所述多孔层和所述金属层均由3d打印微加工金属一体化增材制造，所述3d打印微加工技术基于选区激光烧结方法利用eos290型金属3d打印机(包括但不限于此打印机)，通过逐层铺粉与烧结，实现三维孔隙结构所述多孔层和所述金属层的制造。

10、优选的，所述增材制造材料为耐高温、耐腐蚀的镍基合金(包括但不限于镍基合金)。

11、优选的，所述发汗冷却器分液腔采用分段增压设计，达到与高、中、低热流区域的对应匹配，允许主动调控冷却工质的供给压力，实现冷却工质的分段精准供给。

12、优选的，所述增压输送管网由增压气腔、储液腔、管道、增压活塞、调节阀组成，所述增压活塞将整个腔体分隔为增压气腔和储液腔，所述增压活塞的移动将使所述增压气腔和所述储液腔体积发生相应变化，同时驱动所述储液腔内的冷却工质通过所述管道注入到所述分液腔，实现冷却工质的供给。

13、优选的，所述增压活塞和整个腔体均采用耐高温的低导热材料制成，保障所述增压气腔内惰性气体的电加热膨胀功效，以减少所述增压气腔的漏热。

14、优选的，所述增压输送管网的一阶自抗扰控制方法以所述发汗冷却器各区域温度的算术平均测量值为反馈信号，通过调节所述调节阀开度实现所述各分液腔冷却工质流量供应的目的。

15、优选的，所述一阶自抗扰控制方法通过扩张状态观测器(eso)对飞行器长航时飞行过程中外界环境温度、压力波动以及内部冷却工质输送压力、温度等扰动进行实时估计和补偿，提升增压输送发汗冷却热防护装置的鲁棒性。

16、优选的，所述扩张状态观测器如式(1)所示：

17、

18、z1为控制系统输出值y的估计值，控制系统输出值y代表每个热流区域的平均温度；z2为总扰动的估计值；为z1的导数；为z2的导数；b0为bn的估计，pn为对象开环增益，tn为时间常数；u为控制变量，代表每个调节阀的开度信号；l1和l2为观测器参数。l＝[l1 l2]为观测器参数，所述l1和l2的值通过式(2)整定得到：

19、

20、式(2)中，ω0为扩张状态观测器带宽。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、(1)根据不同的热流区域，通过金属层离散微槽数量和深度上梯级设计多孔层孔隙梯级设计和分液腔分段增压设计，确保发汗冷却器冷却工质的精准输送，以实现整个发汗冷却热防护装置均温冷却；

23、(2)通过引入电加热式增压输送管网，克服了现有高压气瓶增压存在的额外重负载、泵驱增压空间状态下可靠性难保障等难题，大幅减轻飞行器的载荷；

24、(3)通过引入分液腔流量自抗扰控制方法，实时预测补充控制过程中的不可测扰动，进一步保证发汗冷却器冷却工质的精准分区输送，最终实现对所述发汗冷却器各区域温度的控制。

技术特征：

1.一种多孔网络发汗冷却热防护装置，包括发汗冷却器和增压输送管网，所述发汗冷却器包括多孔层、金属层和分液层，在所述金属层上设置有连通所述多孔层和分液层的离散微槽，所述分液层与所述增压输送管网连接，其特征在于：所述发汗冷却器根据热流等级不同分为至少两个热流区域；根据所述发汗冷却器不同的热流区域，所述多孔层的孔隙呈梯级分布；在所述分液层内设置有与每个所述热流区域对应的分液腔，所述增压输送管使每个分液腔内冷却工质的供给随对应的热流区域的热流等级的降低而减小。

2.根据权利要求1所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述多孔层由规则的垂直流道和贯通流道组成；在不同的热流区域所述贯通流道孔隙直径相同，所述垂直流道孔隙呈梯级分布，在高热流区域配置大孔隙网络流道，在低热流区域配置低孔隙网络流道。

3.根据权利要求2所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述垂直流道的横截面为圆形、方形或三角形；贯通流道所述的横截面为圆形、方形或三角形。

4.根据权利要求1所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述金属层的离散微槽在数量上呈梯级分布。

5.根据权利要求4所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述离散微槽在深度上也呈梯级分布；在高热流区域，所述离散微槽贯穿所述多孔层；在低热流区域，所述离散微槽则不贯穿所述多孔层。

6.根据权利要求5所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述离散微槽的横截面为圆形、方形或三角形。

7.根据权利要求1所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述发汗冷却器根据热流等级不同分为三个热流区域，分别为高热流区域、中等热流区域和低热流区域。

8.根据权利要求1-7任一所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述增压输送管网包括增压气腔、储液腔、管道、活塞、调节阀和控制器；所述活塞位于所述增压气腔和储液腔之间；在所述增压气腔内设置有受热后膨胀的气体以及用于加热所述气体的电加热元件；在连接每个分液腔的管道上设置有调节阀，所述控制器用于控制所述调节阀的开度调节每个分液腔的供给。

9.根据权利要求8所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：所述控制器以所述发汗冷却器各区域温度的算术平均测量值为反馈信号，通过调节所述调节阀开度实现所述各分液腔冷却工质流量供应的目的；所述控制器包含一个式(1)的扩张状态观测器：

10.根据权利要求9所述的多孔网络发汗冷却热防护装置，其特征在于：观测器参数l1和l2的值通过式(2)整定得到：

技术总结本发明公开了一种多孔网络发汗冷却热防护装置，包括发汗冷却器和增压输送管网，发汗冷却器包括多孔层、金属层和分液层，在金属层上设置有连通多孔层和分液层的离散微槽，分液层与所述增压输送管网连接，所述发汗冷却器根据热流等级不同分为至少两个热流区域；根据所述发汗冷却器不同的热流区域，所述多孔层的孔隙呈梯级分布；在所述分液层内设置有与每个所述热流区域对应的分液腔，所述增压输送管使每个分液腔内冷却工质的供给随对应的热流区域的热流等级的降低而减小。发汗冷却器通过金属层离散微槽数量和深度的梯级设计、多孔层孔隙梯级设计和分液腔分段增压设计，确保飞行器头锥冷却工质的精准输送，实现飞行器头锥部分的均温冷却。技术研发人员：张程宾,黎德明,季善涛,陈永平,盛江,邓梓龙,高崴受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18