高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)主動(dòng)冷卻機(jī)制與效能評(píng)估.pdf

1、高超聲速飛行器是現(xiàn)代飛行器發(fā)展的主要趨勢(shì)。然而，高超聲速飛行器要實(shí)現(xiàn)跨大氣層以及在大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間、超高速、機(jī)動(dòng)飛行，將遭遇特殊和嚴(yán)酷的熱環(huán)境，這對(duì)防熱結(jié)構(gòu)災(zāi)氣動(dòng)和耐高溫性能方面提出了嚴(yán)苛的要求。選擇適合高超聲速飛行器不同部位的熱防護(hù)系統(tǒng)，并測(cè)試其各自的防-隔熱能力和冷卻能力成為亟待解決的問(wèn)題。其中，主動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)以其冷卻能力強(qiáng)、可以抵抗高熱流密度的長(zhǎng)時(shí)間加熱、實(shí)現(xiàn)溫度和熱流的開(kāi)環(huán)或者閉環(huán)控制、實(shí)現(xiàn)防熱、隔熱和熱控制的一體化設(shè)計(jì)，具有

2、可重復(fù)使用性等特點(diǎn)成為解決高超聲速飛行器防熱問(wèn)題的有效方法，是研究的熱點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。本文以高超聲速飛行器的防熱結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于在高熱流密度下長(zhǎng)時(shí)間飛行的要求，對(duì)適應(yīng)于高超聲速飛行器的主動(dòng)冷卻金屬熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　基于高超聲速飛行器熱防護(hù)的特征及需求，提出采用冷卻流密度和冷卻模式相結(jié)合作為表征和評(píng)估主動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)參數(shù)的方法，在此基礎(chǔ)上采用有限差分法建立了被動(dòng)-主動(dòng)熱防護(hù)一體化分

3、析評(píng)價(jià)模型，并采用這一模型對(duì)高超聲速飛行器的被動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)和主動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)的冷卻特性和冷卻效能進(jìn)行了定量的分析比較；結(jié)果表明，對(duì)于被動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)，增加隔熱層材料的厚度可以降低內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度，但是隨著隔熱層厚度的增加，隔熱層對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度的影響減少，增加隔熱層厚度對(duì)于短時(shí)間加熱的熱防護(hù)系統(tǒng)有效，而對(duì)長(zhǎng)時(shí)間加熱的熱防護(hù)系統(tǒng)防熱效率很低。要滿足高超聲速飛行器的工況要求，隔熱層材料的厚度至少增加2-3倍。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間加熱熱防護(hù)系統(tǒng)，主

4、動(dòng)冷卻具有很高的冷卻效率和防熱效率，可以滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度的要求。該方法和模型在論文第四章的發(fā)汗冷卻金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和冷卻能力評(píng)估中得到應(yīng)用，驗(yàn)證了其有效性和工程實(shí)踐價(jià)值。
　　針對(duì)主動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)的多孔隔熱材料，基于熱傳導(dǎo)，熱輻射和多孔隔熱材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，采用光學(xué)厚近似法，建立了高溫隔熱氈和金屬泡沫材料的有效熱導(dǎo)率的理論模型，對(duì)高溫隔熱氈和金屬泡沫的有效熱導(dǎo)率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，其結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合，驗(yàn)證了模型的有效性和適

5、用性，為主動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)和前提。
　　針對(duì)高超聲速飛行器大面積防熱區(qū)域的高熱流密度部位，基于采用冷卻流密度作為表征和評(píng)估主動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)參數(shù)的思想，采用防熱-熱控制一體化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并制造了發(fā)汗冷卻金屬熱防護(hù)系統(tǒng)，搭建了采用底部輻射加熱的高溫輻射加熱平臺(tái)，加熱溫度可以高達(dá)1500K，并持續(xù)加熱2小時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了發(fā)汗冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)的冷卻效能。根據(jù)發(fā)汗冷卻自身的冷卻特點(diǎn)和第二章的被動(dòng)-主動(dòng)熱防護(hù)一體化分析評(píng)價(jià)模型

6、，分析計(jì)算了發(fā)汗冷卻金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的冷卻能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的有效性。結(jié)果表明，發(fā)汗冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)熱載荷排散能力至少提高70％，冷卻功率為170-500kW/m2（耐高溫合金），內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度低于水的沸點(diǎn)溫度（發(fā)汗冷卻作用情況下）。
　　針對(duì)高超聲速飛行器頭錐、翼前緣部位，提出將噴霧冷卻應(yīng)用于金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的新方法，基于采用冷卻流密度作為表征和評(píng)估主動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)參數(shù)的思想，采用防熱-熱控制一體化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并制