本發(fā)明涉及飛行器的主動熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)及方法，具體涉及可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、高超聲速飛行器一般指飛行速度高于5ma、飛行海拔在20-100km范圍內(nèi)的飛行器，具有飛行速度快、預(yù)警難度大、突防成功率高等特點(diǎn)，軍事價值顯著。

2、高超聲速飛行器在飛行過程中，由于速度極快，與大氣層中的空氣劇烈摩擦，會產(chǎn)生極高的溫度，為了保護(hù)飛行器的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備，必須進(jìn)行熱防護(hù)。隨著高超聲速飛行器速度和機(jī)動性提升，其所面臨的氣動熱力環(huán)境更加惡劣，飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在受氣動熱力沖擊而失穩(wěn)的風(fēng)險。同時，由于對飛行器可重復(fù)使用要求提高，傳統(tǒng)的被動熱防護(hù)技術(shù)(如吸熱、隔熱技術(shù))和半主動熱防護(hù)技術(shù)(如燒蝕、熱管技術(shù))在應(yīng)對更為復(fù)雜多變的飛行環(huán)境時，面臨客觀困難。

3、發(fā)散冷卻作為一種高效的主動熱防護(hù)技術(shù)，它通過在飛行器結(jié)構(gòu)內(nèi)部使用多孔介質(zhì)，并利用冷卻劑在這些介質(zhì)中流動來實現(xiàn)高效的熱管理。其核心原理是利用多孔介質(zhì)內(nèi)部密集分布的微孔道提高比表面積，提升換熱效率，流出微孔的冷卻劑還會在結(jié)構(gòu)外表面形成一層均勻的氣膜保護(hù)層，進(jìn)一步阻熱，被視為高超聲速飛行器前緣主動熱防護(hù)的主要技術(shù)方案之一。

4、然而，對于高超聲速飛行器前緣結(jié)構(gòu)，發(fā)散冷卻存在以下缺點(diǎn)：(1)空間上，從高超聲速飛行器頭部駐點(diǎn)位置向后，氣動熱和氣動力變化劇烈，分布極不均勻，在氣動熱最高、最需要冷卻的滯止區(qū)，氣動力最大，冷卻劑最難流出。如果發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)使用整體的連續(xù)、均勻多孔介質(zhì)作為發(fā)散面，很容易出現(xiàn)頭部冷卻不足、下游冷卻過量的情況。進(jìn)行大面積熱防護(hù)時，這種空間冷卻不均的情況還將進(jìn)一步惡化。(2)時間上，當(dāng)飛行器沿飛行剖面飛行或快速機(jī)動時，海拔高度、飛行速度、俯仰角等飛行特征參數(shù)隨時間變化，使得表面氣動熱力分布具有顯著的時間依賴性，各時段的熱防護(hù)要求隨之不同，而現(xiàn)有主動熱防護(hù)技術(shù)在時間上難以動態(tài)調(diào)整冷卻效果，導(dǎo)致某些時段冷卻不足或過量。(3)對于可重復(fù)使用要求高的高超聲速飛行器，采用整體的多孔介質(zhì)發(fā)散面，會給熱防護(hù)系統(tǒng)的檢查、維修帶來不便。

5、綜上，發(fā)展一種輕質(zhì)高效的、能應(yīng)對時空非均勻分布?xì)鈩訜崃Νh(huán)境的、適合大面積使用的、便于相鄰兩次飛行之間快速檢修的主動熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，變得十分必要且迫切。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有主動熱防護(hù)技術(shù)在空間上容易出現(xiàn)頭部冷卻不足、下游冷卻過量、在時間上難以動態(tài)調(diào)整冷卻效果，導(dǎo)致某些時段冷卻不足或過量，以及整體的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)檢查和維修不便的技術(shù)問題，提出可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)及方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)解決方案如下：

3、一種可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻結(jié)構(gòu)，其特殊之處在于：包括殼體、后蓋板和n個分流芯；

4、所述殼體包括n個發(fā)散部和n個結(jié)構(gòu)部，其中n≥3；n個發(fā)散部與n個結(jié)構(gòu)部交替連接設(shè)置；其中一個發(fā)散部設(shè)置在殼體頭部，其為一端閉口一端開口的中空結(jié)構(gòu)，且開口一端朝向殼體內(nèi)側(cè)；其余n-1個發(fā)散部和n個結(jié)構(gòu)部分別為兩端開口的中空結(jié)構(gòu)；

5、所述發(fā)散部的側(cè)壁為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，n個發(fā)散部的孔隙率自殼體頭部至尾部依次減小；

6、所述后蓋板設(shè)置在位于殼體尾部的結(jié)構(gòu)部后端，與n個所述發(fā)散部、n個結(jié)構(gòu)部合圍組成冷卻腔；后蓋板中心軸向開設(shè)有冷卻劑入口；

7、n個所述分流芯依次同軸間隔設(shè)置在冷卻腔內(nèi)，相鄰兩個分流芯之間形成徑向的冷卻劑分流通道；n-1個冷卻劑分流通道分別與前n-1個結(jié)構(gòu)部一一對應(yīng)；

8、n個分流芯上分別設(shè)置有軸向貫通的冷卻劑主通道，靠近后蓋板一側(cè)的分流芯冷卻劑主通道的入口與所述冷卻劑入口連通，用于輸入冷卻劑；

9、所述分流芯的外側(cè)壁與發(fā)散部、結(jié)構(gòu)部的內(nèi)側(cè)壁之間形成冷卻劑輸送通道；位于殼體頭部的冷卻劑輸送通道流通面積大于冷卻劑分流通道的流通面積，冷卻劑分流通道的流通面積自殼體頭部至尾部依次減小。

10、進(jìn)一步地，還包括套設(shè)在分流芯靠近后蓋板一端的彈性密封圈，且彈性密封圈與后蓋板連接，用于在分流芯沿軸向移動時配合伸縮以進(jìn)行密封連接。

11、進(jìn)一步地，n＝3，三個結(jié)構(gòu)部分別為第一結(jié)構(gòu)部、第二結(jié)構(gòu)部和第三結(jié)構(gòu)部；所述第三結(jié)構(gòu)部與后蓋板連接；

12、三個所述分流芯分別為第一分流芯、第二分流芯和第三分流芯；第一分流芯與第二分流芯之間、第二分流芯與第三分流芯之間分別形成一個冷卻劑分流通道。

13、進(jìn)一步地，所述發(fā)散部與結(jié)構(gòu)部之間為可拆卸連接。

14、進(jìn)一步地，所述發(fā)散部與結(jié)構(gòu)部為耐高溫密封膠粘接或螺栓連接。

15、進(jìn)一步地，所述發(fā)散部通過耐高溫材料顆粒燒結(jié)或3d打印制成。

16、本發(fā)明還提高一種可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻系統(tǒng)，包括組合冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻劑單元、傳感器和傳動單元；其特殊之處在于：

17、所述組合冷卻結(jié)構(gòu)采用上述的可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻結(jié)構(gòu)；

18、所述傳感器安裝在所述冷卻腔內(nèi)部，用于探測冷卻腔內(nèi)部的熱流增減數(shù)據(jù)；

19、所述冷卻劑單元包括冷卻劑儲存室和冷卻劑驅(qū)動泵；

20、所述冷卻劑儲存室內(nèi)儲存有冷卻劑；

21、所述冷卻劑驅(qū)動泵的輸入端與傳感器連接，冷卻劑驅(qū)動泵的輸出端與冷卻劑儲存室的輸入端連接，用于驅(qū)動冷卻劑儲存室輸送冷卻劑，并根據(jù)熱流增減數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)冷卻劑儲存室供應(yīng)冷卻劑的供應(yīng)量；

22、所述冷卻劑儲存室的輸出端與后蓋板上的冷卻劑入口連接，用于向所述冷卻腔內(nèi)輸送冷卻劑；

23、所述傳動單元的輸入端與傳感器連接，用于接收并處理熱流增減數(shù)據(jù)，傳動單元的輸出端與分流芯連接，用于驅(qū)動分流芯沿軸向移動，并根據(jù)熱流增減數(shù)據(jù)主動調(diào)節(jié)分流芯沿軸向移動的方向。

24、進(jìn)一步地，所述冷卻劑為氣體冷卻劑或液體冷卻劑。

25、本發(fā)明還提高一種可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻方法，基于上述的可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻系統(tǒng)，其特殊之處在于，包括以下步驟：

26、s1、沖擊冷卻：冷卻劑驅(qū)動泵驅(qū)動冷卻劑儲存室輸送冷卻劑，冷卻劑通過冷卻劑入口流入冷卻腔內(nèi)的冷卻劑主通道；

27、冷卻劑沿冷卻劑主通道流動，部分冷卻劑從冷卻劑主通道的出口流出，對位于殼體頭部的發(fā)散部形成沖擊冷卻；剩余部分冷卻劑經(jīng)冷卻劑分流通道分流至冷卻劑輸送通道中，對發(fā)散部和結(jié)構(gòu)部的內(nèi)表面形成沖擊冷卻；

28、s2、發(fā)散冷卻：冷卻劑通過n個發(fā)散部進(jìn)行發(fā)散冷卻；

29、s3、氣膜冷卻：冷卻劑流出發(fā)散部后，在殼體外表面形成一層均勻氣膜，將高溫?zé)崃骱蜌んw隔開，進(jìn)行氣膜冷卻；

30、s4、傳感器探測冷卻腔內(nèi)部的熱流增減數(shù)據(jù)，并分別傳輸至冷卻劑驅(qū)動泵和傳動單元；

31、熱流增加，則冷卻劑驅(qū)動泵驅(qū)動冷卻劑儲存室增加冷卻劑的供應(yīng)量，傳動單元驅(qū)動分流芯向頭部方向移動，提高殼體頭部的沖擊冷卻強(qiáng)度；熱流減小，則冷卻劑驅(qū)動泵驅(qū)動冷卻劑儲存室減少冷卻劑的供應(yīng)量，傳動單元驅(qū)動分流芯向尾部方向移動，降低殼體頭部的沖擊冷卻強(qiáng)度。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

33、1、本發(fā)明可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻結(jié)構(gòu)，包括發(fā)散部、結(jié)構(gòu)部、后蓋板以及分流芯。通過發(fā)散部的離散布置以及為不同位置發(fā)散部設(shè)置不同孔隙率，可在大面積范圍內(nèi)實現(xiàn)與高超聲速前緣氣動熱力分布相匹配的合理非均勻冷卻劑分配。本發(fā)明中n個發(fā)散部自頭部至尾部的孔隙率依次減小，孔隙率越大，冷卻劑分配量越多，從而解決空間上容易出現(xiàn)頭部冷卻不足、下游冷卻過量的技術(shù)問題。

34、2、本發(fā)明可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻系統(tǒng)，包括組合冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻劑單元、傳感器和傳動單元；通過傳動系統(tǒng)控制分流芯沿軸向的移動方向、通過冷卻劑驅(qū)動泵控制冷卻劑儲存室供應(yīng)冷卻劑的供應(yīng)量，可隨時調(diào)節(jié)內(nèi)表面沖擊冷卻強(qiáng)度，動態(tài)調(diào)整冷卻效果，實現(xiàn)時間上的非均勻冷卻，滿足不同飛行狀態(tài)下的即時、主動冷卻。

35、3、本發(fā)明可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻方法，通過殼體內(nèi)表面的沖擊冷卻、發(fā)散部的發(fā)散冷卻以及殼體外表面的氣膜冷卻等多種冷卻機(jī)制組合作用，冷卻效率高、冷卻劑消耗量小：實現(xiàn)冷卻劑熱沉的充分利用，節(jié)省冷卻劑消耗量，減輕熱防護(hù)系統(tǒng)重量。

36、4、本發(fā)明可應(yīng)對時空非均勻熱流的高超聲速前緣組合冷卻結(jié)構(gòu)，其中發(fā)散部和結(jié)構(gòu)部為可拆卸連接，可在重復(fù)執(zhí)行任務(wù)時，對組合冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速掃描檢測，發(fā)現(xiàn)存在燒蝕、裂紋的發(fā)散部，及時進(jìn)行拆卸、換裝。可重復(fù)使用性強(qiáng)，檢修周期短。