一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构的制作方法

1.本发明涉及一种区域与介质独立控制的端头(前缘)主动热防护结构与设计方法，属于气动热防护技术领域。


背景技术：

2.热防护技术已经成为制约飞行器发展的瓶颈问题。以发汗冷却、发散冷却、气体主动引射、液相介质相变传热等相关物理过程为核心特征的主动冷却技术是目前最具应用前景与发展潜力的主动热防护技术。
3.现有技术的典型主动热防护技术原理及可行性验证大多针对平板几何构型。面向飞行器端头(前缘)防热的主动热防护技术，需要满足端头(前缘)防热的特殊技术要求。飞行过程中端头(前缘)的来流驻点位置出现气动加热热流的极大值、表面压力的极大值，且远离驻点位置的热流与压力值呈近似指数的规律快速衰减；同时飞行过程中随着飞行器姿态的变化驻点位置也会发生变化。因此，面向飞行器端头(前缘)的主动热防护技术核心是要满足针对实时变化的驻点位置局部热流与压力非线性大峰值的防热问题。
4.针对此问题，当前的解决方案主要有两种，分别为结构变厚度设计方案和结构变孔隙率设计方案。
5.结构变厚度方案的核心特征是将主动热防护的多孔结构设计为非均匀厚度的几何形式，在具有热流与压力峰值的驻点位置厚度最低、远离驻点的位置厚度不断增大。
6.结构变孔隙率方案的核心特征是将多孔结构设计具有非均匀的孔隙率分布，驻点位置孔隙率最高、冷却介质流动阻力最小，远离驻点位置的孔隙率逐渐降低、冷却介质流动阻力不断增大。
7.上述两种方案的核心思想均为改变冷却介质在多孔结构中的流动阻力、从而实现对其流量分布的非均匀控制。在远离驻点的位置热流与表面压力呈近似指数的规律衰减，因此在理想状态中，冷却介质出流流量的非均匀分布规律应与端头(前缘)外侧热流的近指数规律保持一致。但上述两个方案中多孔结构厚度与孔隙率的非均匀设计均无法实现理想状态中随驻点距离的近似指数规律变化，因此方案中在满足驻点位置防热的同时，总会不可避免地引起冷却介质在低热流、低表面压力区域流出，形成冷却介质的浪费、系统代偿的提升。
8.进一步地，随着飞行器的发展，端头(前缘)面临的气动热流越来越高，上述方案引起的介质浪费与代偿提升的现象就越显著、不容忽视。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，克服了现有热防护结构造成冷却介质的浪费、系统代偿较高的技术问题，本发明有效避免局部低热流区的发汗剂浪费。
10.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
11.一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，包括端头、隔板组件和流道；
12.隔板组件用于将端头内部的整体内腔隔离为n个内腔，将n个内腔分别记为第一内腔、第二内腔、第三内腔
……
第n内腔；第一内腔、第二内腔、第三内腔
……
第n内腔从前到后依次设置；n≥3；
13.远端介质源利用流道将冷却介质输送至n个内腔；
14.第一内腔覆盖全弹道、全部时刻点的最高热流点位置。
15.进一步的，内腔个数n和各内腔在轴向方向的长度采用如下方法确定：
16.s1在端头外表面热环境边界条件下，基于内腔个数n和各内腔在轴向方向的长度求解端头内部的流体-固体耦合传热过程，获得端头内部的温度场以及冷却介质在端头内部的流动分布，进而得到在端头外表面上的冷却介质出流流量密度的分布；
17.s2根据端头外表面上的冷却介质出流流量密度的分布，求解端头外表面的高速可压缩流动与传热过程，获得冷却介质出流时的端头外表面净热流与压力分布；
18.s3将端头外表面净热流与压力分布作为端头外表面热环境边界条件，调整内腔个数n或各内腔在轴向方向的长度，并返回步骤s1，直至每个内腔对应的端头外表面的最高温度与最低温度之差不高于预设温度阈值，每个内腔内部压力与该内腔对应的端头外表面压力之差不高于预设压力阈值。
19.进一步的，预设温度阈值根据端头能承受的最大热应力确定，预设压力阈值根据端头能承受的最大结构机械应力确定。
20.进一步的，当一个内腔对应的端头外表面温度差大于预设温度阈值时，减小此内腔在轴向方向的长度，当一个内腔对应的端头外表面温度差小于预设温度阈值时，增大此内腔在轴向方向的长度；当一个内腔内部压力与该内腔对应的端头外表面压力之差大于预设压力阈值时，减小此内腔在轴向方向的长度，当一个内腔内部压力与该内腔对应的端头外表面压力之差小于预设压力阈值时，增大此内腔在轴向方向的长度。
21.进一步的，隔板组件包括若干个阻隔板；
22.阻隔板采用多孔结构的不锈钢材料，阻隔板的渗透率低于1e-14m2；
23.端头为多孔结构，在热流或压力更大的位置具有更小的端头壁厚。
24.进一步的，远端介质源利用流道将冷却介质分别输送至n个内腔，输送至n个内腔的冷却介质种类不同，第一内腔、第二内腔、第三内腔
……
第n内腔中的冷却介质的冷却效能依次降低。
25.进一步的，n＝3，第一内腔中的冷却介质为具有相变吸热能力的液相冷却介质，第三内腔中的冷却介质为气相冷却介质。
26.进一步的，n＝3，第二内腔中的冷却介质为氢气或氦气，第三内腔中的冷却介质为氮气、空气、二氧化碳或氩气；第一内腔中的冷却介质为液态水。
27.进一步的，远端介质源利用流道将冷却介质直接输送至第一内腔，第一内腔的冷却介质透过多孔结构的阻隔板到达第二内腔，第二内腔的冷却介质透过多孔结构的阻隔板到达第三内腔
……
第n-1内腔的冷却介质透过多孔结构的阻隔板到达第n内腔。
28.进一步的，第一内腔、第二内腔、第三内腔
……
第n内腔的冷却介质供给压力依次减小；
29.端头与隔板组件采用粉末烧结或3d打印的方法实现一体化成型。
30.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
31.(1)本发明创造性的提出了一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，通过结构内侧分区、各区供给压力独立控制、各区介质类型独立控制的方案，可实现针对局部高热流区的有效热防护，同时可有效避免局部低热流区的发汗剂浪费；
32.(2)本发明针对端头外表面压力和热流的分布规律，给出了各内腔的划分方法，能够使各腔发挥精准的热防护作用；
33.(3)本发明各内腔中冷却介质可以为相同种类或不同种类，对应的冷却介质输送形式也各有差别，并给出了冷却介质的选取方法及优选种类，能够最大限度的避免局部低热流区的发汗剂浪费；
34.(4)本发明特别适用于高速、长航时飞行器热防护。
附图说明
35.图1为本发明一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构示意图。
具体实施方式
36.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
37.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
38.飞行器端头(前缘)结构的外侧热环境与气动压力具有近似指数的强非均匀分布规律，当前常用的结构变厚度、变孔隙率主动热防护方案在满足驻点位置防热的同时，总会不可避免地引起冷却介质在低热流、低表面压力区域的浪费，提升了系统代偿。
39.本发明提出一种基于“区域与介质独立控制”思想的主动热防护技术方案，满足新一代飞行器端头(前缘)外表面极端非线性热流与压力分布特征的高效、低代偿热防护。本发明通过结构内侧分区、各区供给压力独立控制、各区介质类型独立控制的方案，可实现针对局部高热流区的有效热防护，同时可有效避免局部低热流区的发汗剂浪费。
40.本发明一种面向飞行器端头(前缘)的主动热防护结构，包括多孔材料制成的端头(前缘)结构、结构内部的内空腔、与内空腔相连的流道。其中，对应结构外侧不同的热环境、防热要求，结构内侧设有独立的内腔，各个内腔具有不同的压力、且压力值可实现分别的控制，不同的内腔满足不同区域的冷却介质供给要求；流道联接内腔与远端的冷却介质源。
41.在一种具体的实施方式中，多孔结构采用粉末烧结或3d打印的方法实现一体化成型，或者实现主要结构的一体化成型、进一步焊接形成总体结构；
42.在一种具体的实施方式中，多孔结构采用不锈钢材料，通过粉末烧结或3d打印的技术途径实现多孔不锈钢结构的成型；
43.在一种具体的实施方式中，根据端头结构外侧面气动热环境的分布特征，在端头结构内侧设计多个独立的内腔，结构内侧的多个内腔之间采用致密的结构、或者渗透率低于1e-14m2的多孔结构形成阻隔，各内腔可保持不同的腔内流场压力；结构内侧独立内腔的设计规则为，最前端第一内腔对应的端头(前缘)结构外表面，应覆盖全弹道全部时刻点的
最高热流点位置，确保第一内腔满足全部弹道时刻中峰值热流位置的防热需求；第二内腔紧邻第一内腔，第三内腔紧邻第二内腔，以此类推。内腔的总数量、各个内腔在轴向方向的长度，可以基于主动冷却多孔结构内外流耦合计算方法，针对结构外侧面气动热环境边界条件(包括热流、气流焓值、表面压力的分布)，通过数值计算来实现定量地确定。
44.所采用的主动冷却多孔结构内外流耦合计算方法可以陈述为，通过顺序迭代地方式，依次、交替地求解多孔结构内部的流体-固体耦合传热过程、多孔结构外侧的高速可压缩流动与传热过程。在给定结构外侧热环境边界条件时，求解多孔结构内部的流体-固体耦合传热过程(控制方程为流动传热的navier-stokes方程和结构等效导热能量守恒方程)，可以获得多孔结构的温度场、冷却介质在多孔结构内的流动分布，进而得到在结构外侧面上的冷却介质出流流量密度的分布；给定结构外侧面上冷却介质出流流量密度的分布，求解多孔结构外侧的高速可压缩流动与传热过程(控制方程为考虑高焓空气非平衡效应的可压缩navier-stokes方程)，可以获得冷却介质出流时的外侧面净热流与压力分布，进而为新一轮的多孔结构内部流体-固体耦合传热过程提供边界条件。通过依次、交替求解上述内、外侧物理过程，最终获得耦合意义上的主动冷却多孔结构内外流物理场。
45.在主动冷却多孔结构内外流耦合物理场中，结构外侧面热流边界较大、压力边界较大的位置，冷却介质出流流量相对较低、冷却效果相对较弱。这是由于热流边界较大会导致当地的结构与冷却介质温度较高，而高温增大了冷却介质的黏度与膨胀速度，最终增大了冷却介质在多孔结构内的流动阻力；压力边界较大时高背压会直接降低当地的冷却介质流量。因此，针对每个内腔，其对应的多孔结构在热流、压力较高的位置，冷却介质流量较低、冷却效果较差、结构温度较高，而在热流、压力较低的位置，冷却介质流量较高、冷却效果也较高、结构温度较低，因此在不需要冷却的位置形成冷却介质的浪费。
46.内腔分区的理想设计目标为，尽可能设置数量更多的内腔，各内腔中的压力独立可控，这样在结构外侧热流、压力边界较低的位置，将其对应内腔的腔内压力直接设置为较低的水平，从而达到节约冷却介质的目的。但在实际工程应用中，受到几何空间、材料性能、成型工艺、控制复杂性等实际工程约束与限制，内腔的实际设计数量一定是少于理想数量。因此，实际工程应用中，内腔的数量、各内腔在轴向的长度应按照如下方法确定：在满足工程约束的前提下，通过前述主动冷却多孔结构内外流耦合计算方法，计算确定最佳的内腔数量与内腔轴向长度，使之满足这样的限制条件，即在主动冷却多孔结构内外流耦合场计算结果中，每个内腔对应多孔结构的最高温度(对应外侧热流边界较高的位置)与最低温度(对应外侧热流边界较低的位置)之差不高于某个数值，而一旦高于此数值，多孔结构自身将承受过大的热应力，产生结构失效、防热方案失效的风险。
47.在设计过程中，从第二内腔开始逐一进行上述的耦合场计算，当一个内腔对应的多孔结构温度差较大时，应减小此内腔在轴向方向的长度，直至满足结构温度与热应力的要求，而当一个内腔对应的多孔结构温度差过小时，可以适当增大此内腔在轴向方向的长度，以降低设计方案复杂性、结构成型难度，提高防热可靠性；之后以相同的方法开展第三内腔的计算与设计工作，直至确定内腔的总数量以及每个内腔轴向方向的长度，从而完成整个主动冷却热防护结构的设计方案。
48.在一种具体的实施方式中，记第二内腔对应的端头外表面中最低热流、最高热流、最低压力、最高压力分别为h1、h2、p1、p2，h1≤50％h2，p1≤50％p2。
49.在一种具体的实施方式中，对应外侧高热流区域的内腔可以具有相对较高的冷却介质供给压力；供给压力的确定规则为，基于主动冷却多孔结构内外流耦合计算方法，计算给定供给压力条件下的多孔结构温度场，使之满足结构防热与结构力学性能的要求。
50.在一种具体的实施方式中，端头多孔结构的厚度是非均匀的，且在外表面气动高热流、高表面压力位置具有最小的厚度。外侧高热流、高压力区域设计更小的壁厚，可以降低当地冷却介质流出多孔结构的流动阻力，从而提高当地的冷却介质出流流量，以提升高热流区域的防热效果。
51.在一种具体的实施方式中，各个内腔可以通过流道供给不同种类的冷却介质，对应外侧更高热流区域的内腔可以供给具有更高冷却效能的冷却介质。通过内腔分区、独立控压的设计方案来解决非均匀分布热流的热防护问题时，在热流峰值极高时会遇到防热失效的风险，这是由于极高的热流峰值需要对应内腔具有极高的冷却介质供给压力，此时不同内腔中压力差异过高，存在引起内腔多孔结构、组隔板结构强度失效的风险。因而面对极高的热流峰值时，在高热流区对应的内腔供给不同种类的冷却介质来满足防热需求，从而避免单纯提高压力所带来的结构强度失效风险。更换冷却介质种类来改善主动冷却防热性能，主要指更换为比热值更高的气体介质，或者更换为具有相变潜热的液体介质。
52.在一种具体的实施方式中，对应外侧高热流区域的内腔可以供给具有相变吸热能力的冷却介质，用于纯气相冷却介质无法满足防热要求的情形。
53.在一种具体的实施方式中，对应外侧高热流区域的内腔可以供给液态水，在针对液态水作为冷却介质的主动冷却多孔结构内外流耦合计算过程中，在考虑出流流量、蒸汽降热流的同时，还要考虑水相变过程的吸热效应。
54.在一种具体的实施方式中，基于“具有高比热值的纯气相冷却介质具有更高的冷却功效”这一事实，对应外侧高热流区域的内腔可以供给具有高比热值的纯气相冷却介质。
55.在一种具体的实施方式中，对应外侧最高热流区域的内腔可以供给氢气、氦气等高比热值的气相介质，而其他内腔可供给氮气、空气、二氧化碳、氩气等较低比热值的气相介质；结合“氢气、氦气等高比热值的气体具有易泄漏、不易密封贮存”这一事实，可进一步考虑不同比热值气体的混合物来兼顾防热能力与供给压力的设计要求。
56.在一种具体的实施方式中，流道可以为特定的内腔直接相联、供给冷却介质，也可以同时与特定的内腔间接相联、透过多孔结构供给冷却介质。
57.在一种具体的实施方式中，流道与对应外侧高热流区域的内腔直接相联，实现较高压力、较高流量的冷却介质直接供给，同时，流道与对应外侧低热流区域的内腔通过多孔结构层相联，通过多孔结构内的流动阻力实现较低压力、较低流量的冷却介质供给。
58.实施例：
59.如图1，本发明头主动热防护结构，包括多孔材料制成的端头(前缘)1、端头内部的内腔(包括第一内腔6、第二内腔7、第三内腔8)与内腔相连的流道9。其中，端头内部的内腔与端头外侧的防热区域对应，不同的内腔满足不同防热区域的冷却介质供给要求；流道连接内腔与远端的气源。
60.多孔结构的端头(1、2、3)采用不锈钢材料，采用粉末烧结的技术途径实现一体化成型，得到低成本的多孔不锈钢结构。
61.结构内部的3个内腔之间的阻隔板(第一阻隔板4、第二阻隔板5)采用致密的不锈
钢结构形成，使得各内腔可保持不同的腔内流场压力。其中，第一阻隔板4与端头的第一部分1之间围成第一内腔6，第一阻隔板4、第二阻隔板5、第三阻隔板与端头的第二部分2之间围成第二内腔7，第二阻隔板5、第三阻隔板与端头的第三部分3之间围成第三内腔8，第一阻隔板4与端头轴线垂直，第二阻隔板5与端头的第三部分3的端头壁平行，且其范围能够覆盖端头的第二部分2和端头的第三部分3，第三阻隔板设于端头的第二部分2和端头的第三部分3的交界处，且垂直于交界处端头壁。
62.对应外侧高热流区域的内腔6具有相对较高的冷却介质供给压力。
63.端头壁为具有一定厚度的结构壁，端头壁的壁厚是非均匀的，且在外表面气动高热流、高表面压力位置具有最小的壁厚；
64.本实施例中，流道与特定的内腔直接相联，供给冷却介质。
65.各个内腔可以通过流道9供给不同种类的冷却介质，对应外侧高热流区域的内腔可以供给相对高效的冷却介质；
66.比如，对应外侧高热流区域的内腔(第一内腔6)可以供给具有相变吸热能力的冷却介质；所述具有相变吸热能力的冷却介质为液态水；
67.第二内腔7可以供给具有高比热值的冷却介质，比如氦气。
68.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
69.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，包括端头、隔板组件和流道；隔板组件用于将端头内部的整体内腔隔离为n个内腔，将n个内腔分别记为第一内腔、第二内腔、第三内腔
……
第n内腔；第一内腔、第二内腔、第三内腔
……
第n内腔从前到后依次设置；n≥3；远端介质源利用流道将冷却介质输送至n个内腔；第一内腔覆盖全弹道、全部时刻点的最高热流点位置。2.根据权利要求1所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，内腔个数n和各内腔在轴向方向的长度采用如下方法确定：s1在端头外表面热环境边界条件下，基于内腔个数n和各内腔在轴向方向的长度求解端头内部的流体-固体耦合传热过程，获得端头内部的温度场以及冷却介质在端头内部的流动分布，进而得到在端头外表面上的冷却介质出流流量密度的分布；s2根据端头外表面上的冷却介质出流流量密度的分布，求解端头外表面的高速可压缩流动与传热过程，获得冷却介质出流时的端头外表面净热流与压力分布；s3将端头外表面净热流与压力分布作为端头外表面热环境边界条件，调整内腔个数n或各内腔在轴向方向的长度，并返回步骤s1，直至每个内腔对应的端头外表面的最高温度与最低温度之差不高于预设温度阈值，每个内腔内部压力与该内腔对应的端头外表面压力之差不高于预设压力阈值。3.根据权利要求2所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，预设温度阈值根据端头能承受的最大热应力确定，预设压力阈值根据端头能承受的最大结构机械应力确定。4.根据权利要求2所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，当一个内腔对应的端头外表面温度差大于预设温度阈值时，减小此内腔在轴向方向的长度，当一个内腔对应的端头外表面温度差小于预设温度阈值时，增大此内腔在轴向方向的长度；当一个内腔内部压力与该内腔对应的端头外表面压力之差大于预设压力阈值时，减小此内腔在轴向方向的长度，当一个内腔内部压力与该内腔对应的端头外表面压力之差小于预设压力阈值时，增大此内腔在轴向方向的长度。5.根据权利要求1所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，隔板组件包括若干个阻隔板；阻隔板采用多孔结构的不锈钢材料，阻隔板的渗透率低于1e-14m2；端头为多孔结构，在热流或压力更大的位置具有更小的端头壁厚。6.根据权利要求1所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，远端介质源利用流道将冷却介质分别输送至n个内腔，输送至n个内腔的冷却介质种类不同，第一内腔、第二内腔、第三内腔
……
第n内腔中的冷却介质的冷却效能依次降低。7.根据权利要求6所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，n＝3，第一内腔中的冷却介质为具有相变吸热能力的液相冷却介质，第三内腔中的冷却介质为气相冷却介质。8.根据权利要求6所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，n＝3，第二内腔中的冷却介质为氢气或氦气，第三内腔中的冷却介质为氮气、空气、二氧
化碳或氩气；第一内腔中的冷却介质为液态水。9.根据权利要求1所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，远端介质源利用流道将冷却介质直接输送至第一内腔，第一内腔的冷却介质透过多孔结构的阻隔板到达第二内腔，第二内腔的冷却介质透过多孔结构的阻隔板到达第三内腔
……
第n-1内腔的冷却介质透过多孔结构的阻隔板到达第n内腔。10.根据权利要求1所述的一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，其特征在于，第一内腔、第二内腔、第三内腔
……
第n内腔的冷却介质供给压力依次减小；端头与隔板组件采用粉末烧结或3d打印的方法实现一体化成型。

技术总结
本发明公开了一种区域与介质独立控制的端头主动热防护结构，包括隔板组件和流道；隔板组件用于将端头内部的整体内腔隔离为三个内腔，将三个内腔分别记为第一内腔、第二内腔和第三内腔；第一内腔、第二内腔和第三内腔从前到后依次设置；远端介质源利用流道将冷却介质输送至三个内腔；第一内腔覆盖全弹道、全部时刻点的最高热流点位置。本发明可实现针对局部高热流区的有效热防护，同时可有效避免局部低热流区的发汗剂浪费。低热流区的发汗剂浪费。低热流区的发汗剂浪费。


技术研发人员：罗晓光 宋立业 聂榕序 俞继军 艾邦成
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/6/27