[发明专利]高超声速飞行器及其热防护结构与冷却剂循环系统

说明书

本发明提供一种高超声速飞行器气动舵前缘一体化的防热结构，所述热防护结构为一体化设计，包括：防热蒙皮、热管、吸热装置和隔热层，所述防热蒙皮设置于气动舵前缘外表面，吸热装置设置于防热蒙皮的内表面，热管与吸热装置固定连接，且所述热管设于吸热装置的内表面，且隔热层固定设置于热管的内表面。本发明还提供一种冷却剂循环系统及高超声速飞行器。本发明可以使飞行器气动舵前缘的变形小和热流密度小，保持飞行器高升阻比的气动特性和气动舵的操作性，解决了飞行器气动舵前缘热流大带来的材料失效问题和飞行速度快导致承受气动载荷能力差的问题，避免了气动舵前缘温度的极端分布，实现了飞行器长时间的隔热。

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器热防护领域，具体涉及一种飞行器气动舵前缘的热防护结构及冷却剂循环系统。

背景技术

经典意义上的高超声速飞行器是指以吸气式发动机及其组合发动机为动力，在大气层内或跨大气层以马赫数5以上的速度远程巡航飞行的飞行器。此处Ma＝5并不是严格的界限，而是一个区域，即在该范围内高超声速气流的流动特性会发生明显的变化。与传统飞行器相比，高超声速飞行器具有极大的优势，极高的飞行速度能够确保其在2-3小时内到达全球任何位置，有效地缩短目标反应时间，提升飞行器的突防能力与生存能力。

在大气层内进行长距离机动飞行的高超声速飞行器，一般都采用气动控制舵来控制飞行的轨迹和飞行器的姿态，如目前被广泛采用的体襟翼、襟副翼、方向升降舵等(统称气动控制舵)。这些气动控制舵的共同特征是翼前缘尖、翼厚度薄、展弦比小。它们需经受高马赫气流下的严酷气动加热环境，同时要承受极大的气动力载荷和操纵机构的机械载荷，还要在极高的温度下保持其外形和刚度。气动控制舵的前缘和两侧的面板都具有特殊的气动热环境。

在高超声速飞行器外形设计上，低阻力的尖锐前缘取代钝化前缘将成为必然趋势。飞行器在高超声速飞行时，由于空气粘性作用，物面边界层内的气流产生了强烈的摩擦，其结果使气体的动能不可逆的转变为热能，加之前缘半径很小，在前缘部位产生非常强的气动加热。尖锐前缘外形飞行器在气动性能上有着较大优势，但会带来热流密度大、防热困难的难题。翼前缘的半径对热流的影响很大，半径增大时，热流减小；半径减小，热流显著增加。

飞行器前缘钝化和烧蚀热防护是高超声速飞行器常用的热防护方法，但前缘钝化是以牺牲飞行器的气动性能来减小气动热，这样会减少飞行器的升阻比和增加飞行器的阻力，从而对高超声速飞行器发动机的推力提出来更高的要求；烧蚀热防护造成大外形变化也将会严重影响飞行器气动特性，由于高超声速飞行器气动舵具有“保形”的特殊要求，对气动舵的变化量有着较小的要求，当气动舵的变形量过大，会导致高超声速飞行器的控制系统失效。高超声速飞行器气动舵前缘不仅要考虑热防护还要考虑气动舵的承载能力，因为高超声速飞行器在飞行的过程中会承受极大的气动载荷，并且气动舵前缘的变形量应该较小，需要保持气动舵结构完整不变形。现阶段大部分高超声速飞行器的设计都是冷结构设计，将承载结构设计在防热结构的里面，这样极大地增加了飞行器气动舵的质量，给舵机的设计增加了难度。

高超声速飞行器为提高升阻比，气动舵需具有尖锐前缘，并要求气动舵前缘拥有一定的承载能力和保持良好的气动外形，这对飞行器的防热提出更为苛刻的要求，传统防热和承载方式已无法满足尖化前缘防热需求，所以亟需一种高超声速飞行器气动舵前缘的一体化热防护结构，用来解决气动舵前缘热流密度大、变形大和承载能力小的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞行器气动舵前缘的热防护结构，尤其是提供一种高超声速飞行器气动舵前缘的一体化防热结构，可以使飞行器气动舵前缘的变形小和热流密度小，保持飞行器高升阻比的气动特性和气动舵的操作性，解决了飞行器气动舵前缘热流大带来的材料失效问题和飞行速度快导致承受气动载荷能力差的问题，避免了气动舵前缘温度的极端分布，实现了飞行器长时间的隔热。