一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法

本发明涉及一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法，属于高速飞行器表面气膜冷却领域。

背景技术：

1、扫频射流发生器由入口、出口、混合室和反馈通道组成。工作流程为：流体从入口进入混合室，由于科恩达效应流体倾向于贴壁流动，从而流动偏向一侧。这时候一侧反馈通道中压力上升导致在混合室入口产生贴壁气泡，使流体偏向另一侧壁面。在一个震荡周期内，出口射流会左右偏转如图1所示。扫频射流发生器以其固定结构就可以在出口形成震荡射流的特性获得了学者广泛研究。由于其结构简单、扫频频率高、相比稳定射流具有更强大的掺混冷却能力等特点，可以用来为高速飞行器高温表面进行冷却。

2、当红外成像制导飞行器在大气层中以高速(通常指马赫数大于3)飞行时，通常需要利用自身携带的冷却气体喷射到表面形成气膜隔离外部高温主流对侧面光学窗口的加热，以避免飞行器侧面光学窗口承受的严重热载荷造成窗口过热淹没目标红外信号，更严重的将会造成成像窗口由于高温导致烧蚀。高超声速条件下气动加热作用更加强烈，光学窗口需要承受更大的气动加热量。为了实现光学窗口的可靠冷却，通常会使用气膜冷却的方式在光学视窗表面形成一层气膜隔绝开高温气体，保护光学视窗不被破坏如图3所示。大量实验和计算结果也证明了外部喷流冷却技术不仅可以实现可靠冷却，相比内冷式冷却，结构也更加简单。高超声速飞行器冷却气体通常由自身携带的气源供气，如何使用更少的气体实现更好的隔热冷却效果是研究关注的重点。目前大部分窗口外部冷却方式如斜向喷流冷却、外部离散缝喷流冷却等均为稳定射流冷却，扫频射流式喷流冷却方式具有换热能力强、冷却效率高等特点。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有飞行器侧面光学窗口承受严重热载荷的问题，提供一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法。该装置用于高速飞行器高温光学窗口前方气膜冷却孔内，通过特殊几何结构将定常冷却气体射流转变为周期性震荡的非定常射流，增强气膜冷却换热能力。通过获得设计工况马赫数、待冷却视窗尺寸等参数并根据设计方法确定了扫频射流热防护装置的关键参数。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法，包括如下步骤：

4、步骤一、

5、根据待冷却区域大小，所述扫频射流发生器口的数量为1个或多个；当时使用1个扫频射流发生器，时使用2个并排排列的扫频射流发生器，b为窗口宽度，l为扫频射流发生器出口宽度；

6、步骤二、搭建装置

7、包括扫频射流发生器和窗口。扫频射流发生器包括入口、进口喉部、混合室、一侧反馈通道、出口喉部、出口和另一侧反馈通道；其中反馈通道为对称的两组通道组成。扫频射流发生器与窗口成一定夹角，夹角大小根据流量和窗口延流向尺寸结合对应设计方法确定。确定夹角后扫频射流发生器与窗口相对角度和相对位置固定，几何结构不会在工作过程中发生变化。扫频射流发生器并排使用个数通过步骤一中的设计方法确定。

8、步骤三、工作过程

9、气体通过入口进入混合室，然后部分气体经过出口进入窗口；另一部分流经反馈通道再次进入混合室，一方面与此时新进入混合室的气体掺混，另一方面经过反馈通道气体流动方向与新进入混合室气体流动方向近乎垂直，将改变新进入混合室气体的方向；改变方向后的气体部分经过出口进入窗口，另一部分进入另一侧反馈通道中。气体经过反馈通道后再次进入混合室，并改变由入口处进入混合室的主流气体，将主流气体推向另一侧混合室壁面。在上述过程中气体的方向不断发生周期性变化，导致经过出口进入窗口的气流也发生周期性震荡，形成扫频射流冷却窗口。

10、所述扫频射流发生器和窗口不处于同一平面，即扫频射流发生器与窗口的延长线成一定角度α，通过下述方法得到：

11、

12、其中：α为扫频射流发生器的喷流角度,q为扫频射流发生器的入口质量流量(kg/s),为待冷却平面沿流向长度与扫频射流发生器出口宽度的比值,的选择范围为10-40之间。

13、所述q通过下述方法得到：根据飞行器工作马赫数(ma)确定冷却剂的质量流量，当2≤ma<3时，冷却剂的质量流量选择0.02kg/s-0.025kg/s；当3≤ma<5时，冷却剂的质量流量选择为0.025kg/s-0.04kg/s；当5≤ma<8时，冷却剂的质量流量选择为0.04kg/s-0.06kg/s。

14、有益效果：

15、1、针对扫频射流这种特殊的冷却方式，给出了在飞行器不同工作马赫数下对应的冷却剂质量流量的控制方法，通过这种方法能够保证冷却效果的同时提高冷却剂利用率。

16、2、针对不同待冷却平面尺寸，给出了扫频射流发生器与待冷却平面相对倾角以及扫频射流发生器使用数量的设计方法，有效提高了扫频射流发生器的冷却效率。

17、3、本发明提到的结构设计方法能够针对此类扫频射流发生器在不同工况下以较少的冷却空气流量实现良好的气膜冷却效果，提高冷气利用率从而能够间接的提高飞行器性能。

技术特征：

1.一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法，其特征在于：

2.如权利要求1所述一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法，其特征在于：所述扫频射流发生器和窗口不处于同一平面，即扫频射流发生器与窗口的延长线成一定角度α，通过下述方法得到：

3.如权利要求2所述一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法，其特征在于：所述q通过下述方法得到：根据飞行器工作马赫数ma确定冷却剂的质量流量，当2≤ma<3时，冷却剂的质量流量选择0.02kg/s-0.025kg/s；当3≤ma<5时，冷却剂的质量流量选择为0.025kg/s-0.04kg/s；当5≤ma<8时，冷却剂的质量流量选择为0.04kg/s-0.06kg/s。

技术总结本发明涉及一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法，属于高速飞行器表面气膜冷却领域。本发明的目的是为了解决现有飞行器侧面光学窗口承受严重热载荷的问题，提供一种面向高速飞行器高温光学视窗的扫频射流热防护方法。该装置用于高速飞行器高温光学窗口前方气膜冷却孔内，通过特殊几何结构将定常冷却气体射流转变为周期性震荡的非定常射流，增强气膜冷却换热能力。通过获得设计工况马赫数、待冷却视窗尺寸等参数并根据设计方法确定了扫频射流热防护装置的关键参数。技术研发人员：孙士珺,李梓轩受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10