[发明专利]一种全主动冷却高超声速飞行器

说明书

一种全主动冷却高超声速飞行器，包括：发汗冷却端头、发汗冷却翼前缘、发汗冷却舵前缘、再生冷却舵面、再生冷却迎风面，飞行器背风面；发汗冷却端头、发汗冷却翼前缘和发汗冷却舵前缘设有多孔结构，内部存储有液态冷却介质，液态冷却介质能够从多孔结构向外供给，流经多孔结构进行换热，液态冷却介质升温后以气态的形式流出端头外表面；再生冷却舵面和再生冷却迎风面采用再生冷却方式分别对飞行器的舵面和迎风面进行冷却，利用飞行器内部携带液态冷却工质用于阻隔、冷却、并带走飞行器在高超声速飞行过程中传入飞行器的气动加热量，满足飞行器在大气层内高速、长时间、远距离飞行的热防护需求。

技术领域

本发明涉及一种全主动冷却高超声速飞行器，尤其涉及一种新型热防护模式的高超声速飞行器结构，属于高超声速飞行器领域技术领域。

背景技术

当飞行器以高超声速在大气层中飞行时，飞行器周围的空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用，空气的温度升高并传输到飞行器表面，这种现象成为气动加热。随着飞行马赫数增加，气动加热也更趋严重，尤其是高超声速飞行器的端头、翼、舵前缘等部位是受气动加热最为严酷的部位，最高热流可达20-30MW/m2，表面温度最高可达3000℃以上。为了保护超高声速飞行器(大于5倍声速)不被气动热产生的高温破坏，并阻止热量向飞行器内部传输，目前应用最广泛的是烧蚀式热防护方法，即在高超声速飞行器的外表面采用烧蚀式防隔热材料。其原理是利用防热材料的相变吸热和质量交换来达到防热目的，所选的防热材料一般具有较高的相变热和较低的热导率，目前常用的防隔热材料有硅基复合材料、碳基复合材料、陶瓷基复合材料等。这些材料在吸收大量气动热量后，由固态变成液态或气态在相变过程中吸热，并随材料的流失而把热量带走，从而保护飞行器内部承力的金属结构的温度和舱内温度满足正常工作温度环境条件。除了烧蚀式防隔热方法还有辐射式、热沉式防隔热方法，这两种方法不适用与长时间飞行的高超声速飞行器，目前应用较少，这些防隔热方法统称为被动式防隔热方法。

被动式防隔热结构虽然在高超声速飞行器领域应用广泛但仍存在以下几方面不足和局限：

(1)由于非金属的热膨胀率与金属的热膨胀率相差很大，在飞行器受热情况下非金属防隔热层与金属舱体之间普遍存在的热变形量不一致而导致的结构不匹配问题，通称为热匹配问题，这给飞行器设计带来很多工作量，其中包括大量的热匹配考核验证试验。

(2)在超高速飞行状态下(大于10倍声速)，飞行器端头、舵、翼前缘温度(大于3000℃)将超过传统防隔热材料的许用温度，这些部位将发生烧蚀。飞行器端头、舵、翼前缘做为飞行器关键的气动外形部件发生烧蚀后退或变形，将使得飞行器飞行控制精度下降，气动外形发生烧蚀变形的飞行器也无法重复使用。

(3)由于受到防隔热材料应用热环境适应性的限制，传统被动式热防护高超声速飞行器的飞行弹道较为固定，因此其作战任务的适用范围也较窄。

(4)与金属材料相比，传统非金属防隔热产品易吸潮变形，产品不利于长时间存储，并且非金属防隔热材料的力学性能强度较低，在吊装运输过程中易发生磕碰破坏。

(5)大部分非金属复合材料在生产、试验过程中存在污染，尤其是在热试验过程中非金属材料不完全燃烧产生有害气体对环境造成较严重的污染。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种全主动冷却高超声速飞行器，利用再生冷却、发汗冷却技术设计一种全主动冷却高超声速飞行器的需冷却部位，飞行器内部携带液态冷却工质用于阻隔、冷却、并带走飞行器在高超声速飞行过程中传入飞行器的气动加热量，满足飞行器在大气层内高速、长时间、远距离飞行的热防护需求。