一种定向多孔结构发汗冷却系统及其制造方法

1.本发明属于航空航天热防护技术领域，涉及一种定向多孔结构发汗冷却系统及其制造方法。


背景技术：

2.当飞行器高速飞行时，飞行器驻点区域、翼前缘和发动机内部等会受到严重的极端热荷载作用，飞行器的飞行速度越大，热流对飞行器热端部件的加热程度就越严重，发汗冷却作为一种最有效率的主动热防护技术，具有维形与可重复使用的优点，在飞行器热防护领域有着重要的发展潜力。传统发汗冷却结构内部孔隙分布较为均匀，同时孔隙在任意方向处处连通，因此冷却剂在孔隙结构内部流动方向随机，难以被有效约束与控制。实际服役环境下飞行器表面受到的热荷载不均匀，较高热流环境下多孔结构容易产生局部过热区域，引起冷却剂流动阻力增大，在传统的均匀发汗冷却多孔结构中，迫使冷却剂流向其它阻力较小区域导致过热区域得不到有效冷却从而发生烧蚀破坏，严重影响发汗冷却热防护技术的可靠性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术中发汗冷却结构在飞行器表面受到热荷载不均匀时，冷却剂流向其它阻力较小区域导致过热区域得不到有效冷却，从而发生烧蚀破坏的问题，提供一种定向多孔结构发汗冷却系统及其制造方法。
4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一种定向多孔结构发汗冷却系统，包括定向多孔结构、烧蚀界面层和冷却剂储箱；
6.所述定向多孔结构是通过若干通道壁面间隔形成若干孔隙，孔隙的一端开口连接冷却剂储箱，另一端开口为烧蚀界面层；所述冷却剂储箱中设置有冷却剂，冷却剂在定向多孔结构的孔隙中流动，烧蚀界面层对定向多孔结构的孔隙进行密封，防止冷却剂溢出。
7.本发明的进一步改进在于：
8.所述定向多孔结构采用金属基或陶瓷基复合材料作为基体。
9.所述冷却剂储箱采用分隔式箱体结构，包括若干箱体，若干所述箱体与孔隙相对应设置。
10.相邻所述孔隙之间的通道壁面上设置有若干连通微孔。
11.所述烧蚀界面层为有机高聚物组成。
12.一种定向多孔结构发汗冷却系统的制造方法，包括以下步骤：
13.对植物茎组织进行优化筛选，选择定向微通道分布均匀的植物茎组织；
14.对所选择的植物茎组织进行物理/化学预处理；
15.将植物茎组织进行干燥，热解炭化处理形成定向多孔碳结构；
16.对定向多孔碳结构浸渍，进行原位陶瓷化处理，同时保留定向多孔碳结构的微结构特征；
17.通过控制过程参数，获得具有定向孔隙通道的定向多孔结构；
18.通过控制有机高聚物基材料参数，在定向多孔结构表面构建烧蚀界面层；
19.将定向多孔结构与冷却剂储箱连接安装。
20.所述对定向多孔碳结构浸渍是通过利用硅溶胶或熔融渗硅工艺进行。
21.所述过程参数包括溶胶或渗硅比例、浸渍压力、浸渍次数、烧结环境参数及热解炭化后的植物茎组织结构参数。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.本发明提供了一种定向多孔结构发汗冷却系统，通过设置定向多孔结构，冷却剂从冷却剂储箱中经由孔隙流向特定区域，对非均匀热流环境下多孔结构出现的局部过热区域实施定向冷却，解决了在不均匀热流环境下发汗冷却结构的局部过热问题，实现了冷却剂的高效利用，提高了发汗冷却系统的可靠性；并且通过设置烧蚀界面层，在较低热流环境下对冷却剂进行密封，在较大热流环境下烧蚀界面层烧蚀形成孔隙引导冷却剂流出实现自适应冷却，实现了主动发汗冷却与被动烧蚀冷却的协同效应，并实现了冷却剂的高效利用。
24.进一步的，通过在通道壁面上设置连通微孔，极大降低了冷却剂在多孔结构内部的流动阻力，降低了冷却剂驱动压力需求，减小了发汗冷却多孔结构内部受到的压力。通过相邻定向孔隙通道连通微孔大小及分布调节，进一步提高了发汗冷却多孔结构的可靠性。
25.进一步的，通过采用陶瓷基复合材料制作定向多孔结构时，能够提供更高的耐高温及抗氧化性能，同时减轻多孔结构质量，实现冷却剂的高效利用及冷却系统轻量化的目的。
附图说明
26.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为本发明中热流作用前定向多孔结构发汗冷却系统原理图；
28.图2为本发明中热流作用时定向多孔结构发汗冷却系统原理图；
29.图3为定向多孔结构与传统均匀多孔结构发汗冷却系统在外部温度相同时的冷却剂流量对比图；
30.图4为堵塞处孔隙率为0.05时定向多孔结构与传统均匀多孔结构发汗冷却系统上表面温度对比图。
31.其中：1-冷却剂，2-通道壁面，3-连通微孔，4-烧蚀界面层，5-定向孔隙通道，6-高温热流，7-冷却剂储箱，8-多孔结构局部过热区域。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
35.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
37.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
39.参见图1，为本发明定向多孔结构发汗冷却系统原理图，包括定向多孔结构、烧蚀界面层4和冷却剂储箱7；所述定向多孔结构是通过若干通道壁面2间隔形成若干孔隙，定向多孔结构采用耐高温抗氧化的金属基或陶瓷基复合材料作为基体，定向多孔结构采用陶瓷基复合材料时，能够进一步提供更高的耐高温及抗氧化性能，同时减轻多孔结构质量，实现冷却剂的高效利用及冷却系统轻量化的目的。相邻孔隙之间的通道壁面2上设置有若干连通微孔3，孔隙的一端开口连接冷却剂储箱7，另一端开口为烧蚀界面层4，烧蚀界面薄层由高温烧蚀固体产物较少的有机高聚物组成；冷却剂储箱7采用分隔式箱体，可在不同小箱体中对冷却剂施加不同驱动力，冷却剂储箱7中设置有冷却剂，冷却剂压力通过压力泵提供，在冷却剂储箱7中的不同位置施加不同的压力，使冷却剂在定向多孔结构的孔隙中流动，烧蚀界面层4对定向多孔结构的孔隙进行密封，防止冷却剂溢出。
40.参见图2，为本发明中热流作用时定向多孔结构发汗冷却系统图，图中冷却剂箭头的大小表示流量的大小，高温热流箭头的大小表示热流密度的大小。在定向多孔结构发汗冷却系统中，烧蚀界面薄层4用来密封多孔结构内部的冷却剂，避免在热流作用前或者较小热流环境下溢出造成浪费，同时薄层可避免高热流条件下产生迟滞冷却或烧蚀后固体产物堵塞孔隙通道而发生烧蚀破。在外界极端不均匀热荷载作用下，烧蚀界面层在高热流环境下首先发生热解烧蚀产生孔隙引导冷却剂流出，实现主动发汗冷却与被动烧蚀的协同冷却效果。由于定向多孔结构冷却剂流阻小，需要在多孔结构外表面构建烧蚀界面薄层，在较低热流环境下对冷却剂进行密封，在较大热流环境下烧蚀界面层烧蚀形成孔隙引导冷却剂流出实现自适应冷却，实现了主动发汗冷却与被动烧蚀冷却的协同效应，并实现了冷却剂的
高效利用。
41.定向孔隙通道5主要用来约束与控制冷却剂1的定向流动，实现对冷却剂的定向调节；定向孔隙通道能够减小冷却剂的流阻，同时提高冷却剂的驱动压力传递效率，进而能够在通道内给冷却剂施加更高及传递速度更快的驱动压力，提高冷却系统的时效性；定向孔隙通道内部可通过先进工艺手段实现相邻通道的互通调节，即控制相邻孔隙通道的连通微孔3大小及分布，在不明显影响冷却剂流动方向条件下，能够适当调节通道内部压力及相邻通道流量；在外部高温热流6分布不均匀情况下，可通过冷却剂储箱7中小箱体调控冷却剂增大流量流向多孔结构局部过热区域8，实现过热区域的定向冷却。本发明可以明显改善发汗冷却过程中热流分布不均匀引起的局部过热问题，实现冷却剂流向及流量的可控调节，有效提高冷却系统的冷却效果及可靠性。
42.本发明一实施例提出了一种定向多孔结构发汗冷却系统的制造方法，具体包括：
43.首先，在服役热环境下满足定向多孔结构调控冷却剂使用要求的基础上，对植物茎组织进行优化筛选，选择定向微通道分布均匀的组织；再对所选择的植物茎组织进行物理/化学预处理，获得后期易设计调控的微结构；随后，在高温气氛环境中对植物茎组织进行干燥，热解炭化处理形成定向多孔碳结构，然后利用硅溶胶或熔融渗硅工艺浸渍多孔碳结构，在高温气氛环境中进行原位陶瓷化，同时保留多孔碳结构的微结构特征。通过控制溶胶或渗硅比例、浸渍压力、浸渍次数、烧结环境及热解炭化后的植物茎组织结构参数等工艺，获得具有定向孔隙通道的多孔结构。然后，采用高温烧蚀固体产物较少的有机高聚物，通过控制有机高聚物基材料热物性参数、力学及厚度等参数，在定向多孔结构表面构建烧蚀界面薄层。最后，定向多孔结构与冷却剂储箱连接安装，可通过储箱中分隔式小箱体独立调控冷却剂压力，储箱小箱体数量、大小及形式可根据定向多孔结构大小及形状进行调节，最终实现定向多孔结构发汗冷却系统设计。
44.本发明的定向多孔结构发汗冷却系统是基于植物茎组织微结构具有定向孔隙通道的特点，通过特殊的设计制备工艺，将植物茎组织转化为耐高温抗氧化的陶瓷基复合材料，如碳化硅基复合材，同时保留茎组织定向孔隙通道微结构特征，经过优化后应用于发汗冷却热防护系统中。
45.参见图3-图4，为定向多孔结构与传统均匀多孔结构的参数对比图，定向孔隙结构与传统均匀结构在达到相同的冷却效果时，所消耗的冷却剂量远远小于传统均匀孔隙发汗冷却结构的冷却剂使用，显著提高冷却效果及实现发汗冷却系统的轻量化。当多孔结构出现部分堵塞时，定向孔隙结构相较于传统均匀结构能够在堵塞区域实现冷却剂的稳定调控进而进一步提高发汗冷却系统的可靠性。
46.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种定向多孔结构发汗冷却系统，其特征在于，包括定向多孔结构、烧蚀界面层(4)和冷却剂储箱(7)；所述定向多孔结构是通过若干通道壁面(2)间隔形成若干孔隙，孔隙的一端开口连接冷却剂储箱(7)，另一端开口为烧蚀界面层(4)；所述冷却剂储箱(7)中设置有冷却剂，冷却剂在定向多孔结构的孔隙中流动，烧蚀界面层(4)对定向多孔结构的孔隙进行密封，防止冷却剂溢出。2.如权利要求1所述的一种定向多孔结构发汗冷却系统，其特征在于，所述定向多孔结构采用金属基或陶瓷基复合材料作为基体。3.如权利要求1所述的一种定向多孔结构发汗冷却系统，其特征在于，所述冷却剂储箱(7)采用分隔式箱体结构，包括若干箱体，若干所述箱体与孔隙相对应设置。4.如权利要求1所述的一种定向多孔结构发汗冷却系统，其特征在于，相邻所述孔隙之间的通道壁面(2)上设置有若干连通微孔(3)。5.如权利要求1所述的一种定向多孔结构发汗冷却系统，其特征在于，所述烧蚀界面层(4)为有机高聚物组成。6.一种定向多孔结构发汗冷却系统的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：对植物茎组织进行优化筛选，选择定向微通道分布均匀的植物茎组织；对所选择的植物茎组织进行物理/化学预处理；将植物茎组织进行干燥，热解炭化处理形成定向多孔碳结构；对定向多孔碳结构浸渍，进行原位陶瓷化处理，同时保留定向多孔碳结构的微结构特征；通过控制过程参数，获得具有定向孔隙通道的定向多孔结构；通过控制有机高聚物基材料参数，在定向多孔结构表面构建烧蚀界面层；将定向多孔结构与冷却剂储箱连接安装。7.如权利要求6所述的一种定向多孔结构发汗冷却系统的制造方法，其特征在于，所述对定向多孔碳结构浸渍是通过利用硅溶胶或熔融渗硅工艺进行。8.如权利要求6所述的一种定向多孔结构发汗冷却系统的制造方法，其特征在于，所述过程参数包括溶胶或渗硅比例、浸渍压力、浸渍次数、烧结环境参数及热解炭化后的植物茎组织结构参数。

技术总结
本发明公开了一种定向多孔结构发汗冷却系统及其制造方法，系统中的定向多孔结构是通过若干通道壁面间隔形成若干孔隙，孔隙的一端开口连接冷却剂储箱，另一端开口为烧蚀界面层；冷却剂储箱中设置有冷却剂，冷却剂在定向多孔结构的孔隙中流动，烧蚀界面层对孔隙进行密封，防止冷却剂溢出。通过设置定向多孔结构，冷却剂从冷却剂储箱中经由孔隙流向特定区域，对多孔结构出现的局部过热区域实施定向冷却，解决了局部过热问题，提高了发汗冷却系统的可靠性；并通过设置烧蚀界面层，在较低热流环境下对冷却剂进行密封，在较大热流环境下烧蚀界面层烧蚀形成孔隙引导冷却剂流出，实现了主动发汗冷却与被动烧蚀冷却的协同效应，并实现了冷却剂的高效利用。冷却剂的高效利用。冷却剂的高效利用。


技术研发人员：张博 范学领 杨洋
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/4