本發(fā)明涉及一種高超飛行器高溫部件的熱防護(hù)裝置及防護(hù)方法,特別是關(guān)于一種在高溫超聲速氣流中存在激波入射時壁面超聲速氣膜冷卻的熱防護(hù)裝置及防護(hù)方法。

背景技術(shù)：

氣膜冷卻的基本原理是指沿壁面切線方向或以一定的入射角射入冷卻氣體，形成一層貼近受保護(hù)壁面的緩沖冷卻氣膜，用以將壁面與高溫氣體環(huán)境隔離，從而對壁面進(jìn)行有效地?zé)岱雷o(hù)和化學(xué)防護(hù)。目前已成為很多場合高溫部件的冷卻措施，如高溫透平葉片、燃燒室等。

氣膜冷卻分為亞聲速氣膜冷卻和超聲速氣膜冷卻。其中，超聲速氣膜冷卻由于其結(jié)構(gòu)簡單、冷卻效果好等特點(diǎn)，被納入火箭高溫部件冷卻、未來高超聲速飛行器熱端部件冷卻的考慮范圍。

然而，在超聲速流場中，常常伴隨著激波的出現(xiàn)，激波入射氣膜邊界層往往對超聲速氣膜冷卻造成影響。研究激波作用對冷卻效果的影響成了超聲速氣膜冷卻研究一個不可缺少的組成部分。已有對于超聲速氣膜冷卻受激波影響的研究表明激波入射會削弱氣膜冷卻的保護(hù)效果。

由于激波對超聲速氣膜冷卻的破壞作用，將影響使其工程實際應(yīng)用。因而研究和發(fā)展有效抑制激波破壞超聲速氣膜冷卻的方法和裝置對于超聲速氣膜冷卻的工程實際應(yīng)用具有重要的意義。

對于高速飛行器高溫部件的熱防護(hù)而言，一方面希望其冷卻效果好能保護(hù)部件，另外一方面又希望用于熱防護(hù)的冷卻流體使用量盡量少。而超聲速流場中，激波的出現(xiàn)很多時候和主流和冷卻流流體壓力的不均勻不匹配、通道中流動參數(shù)的改變、結(jié)構(gòu)的變化、局部流場中燃爆等因素的密切相關(guān)，因此激波可能并不是一直出現(xiàn)和發(fā)生。如果能開發(fā)出一種能夠?qū)崟r監(jiān)測激波的出現(xiàn)，自適應(yīng)地通過局部增強(qiáng)冷卻方式來抵御激波的入射的結(jié)構(gòu)和裝置對于最優(yōu)化的使用冷卻流體具有重要意義。

本發(fā)明提出一種采取局部發(fā)汗冷卻輔助的超聲速氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，通過自適應(yīng)監(jiān)測激波引起的壓力變化，局部打開發(fā)汗冷卻降低激波對超聲速氣膜冷卻的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能用于高超飛行器中高溫部件在出現(xiàn)激波作用時，可以根據(jù)激波的出現(xiàn)自適應(yīng)的啟動局部發(fā)汗冷卻方法來實現(xiàn)抑制激波的破壞效果的超聲速氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)熱防護(hù)的目的，超聲速氣膜冷卻結(jié)構(gòu)通過從壁面冷卻流噴嘴中平行于高溫主流以超聲速噴出冷卻流體覆蓋在受保護(hù)壁面上，將壁面與高溫主流隔開。然而，在超聲速流場中，當(dāng)主流和冷卻流流體壓力的不均勻不匹配、通道中流動參數(shù)的改變、結(jié)構(gòu)的變化、局部流場中燃爆時，將引發(fā)激波的產(chǎn)生，激波將入射冷卻氣體邊界層，對氣膜冷卻進(jìn)行破壞，此時原有設(shè)計的超聲速氣膜冷卻結(jié)構(gòu)將不能抵御激波的破壞效果，受保護(hù)壁面的溫度將升高，直至局部損壞失效。

為抑制激波對超聲速氣膜冷卻的這種破壞作用，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種可以實時監(jiān)測激波的出現(xiàn)，自適應(yīng)地打開局部發(fā)汗冷卻結(jié)構(gòu)，通過局部發(fā)汗冷卻的增強(qiáng)冷卻方式，達(dá)到抑制激波的破壞效果。

一種局部發(fā)汗冷卻自適應(yīng)激波作用的超聲速氣膜冷卻裝置，壓力監(jiān)測管道、壓力啟閉閥門、發(fā)汗冷卻冷卻流體供給通道、發(fā)汗冷卻儲氣腔室、設(shè)置在受保護(hù)壁壓力檢測區(qū)域的壁面發(fā)汗冷卻多孔介質(zhì)以及超聲速氣膜冷卻通道，所述壓力監(jiān)測管道為金屬管道結(jié)構(gòu)，其一端布置在受保護(hù)壁面的監(jiān)測點(diǎn)處，另一端布置在壓力啟閉閥門上，所述受保護(hù)壁面監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在壁面發(fā)汗冷卻多孔介質(zhì)內(nèi)，發(fā)汗冷卻冷卻流體供給通道一端壓力啟閉閥門連接，另一端與與發(fā)汗冷卻儲氣腔室連接，發(fā)汗冷卻儲氣腔室設(shè)置為在外部環(huán)繞受保護(hù)壁面監(jiān)測點(diǎn)，壓力監(jiān)測管道穿過該發(fā)汗冷卻儲氣腔室后設(shè)置在在受保護(hù)壁面監(jiān)測點(diǎn)處；通過壓力監(jiān)測管道中的流體壓力來實現(xiàn)閥門啟閉，當(dāng)激波的強(qiáng)度大于一定值后，由此引起的壓力可以頂開閥門，當(dāng)激波減弱或者消失時，壓力監(jiān)測管道中流體的壓力不足以頂開閥門，閥門關(guān)閉，通過所述壓力啟閉閥來控制發(fā)汗冷卻流體的供給通道，當(dāng)該閥門打開時，冷卻流體將通過該閥門流入發(fā)汗冷卻儲氣腔室，當(dāng)該閥門關(guān)閉時，將切斷發(fā)汗冷卻流體的供給。。

壓力監(jiān)測管道為金屬管道結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)設(shè)計合適的管道直徑，其一端布置在受保護(hù)壁面監(jiān)測點(diǎn)處，另一端布置在壓力啟閉閥門上。其功能在通過監(jiān)測受保護(hù)壁面的流體壓力，當(dāng)局部受到激波的作用時，壁面處流體壓力升高，通過壓力監(jiān)測管道可以將激波的高壓傳遞至壓力啟閉閥門處，從而達(dá)到開啟閥門的作用。

壓力啟閉閥門通過合適的計算和設(shè)計，當(dāng)流場中出現(xiàn)激波的情況下，當(dāng)激波強(qiáng)度達(dá)到一定值后，邊界層內(nèi)流體壓力將超過某一值，此時該強(qiáng)度下激波引起的高壓剛好能打開壓力啟閉閥門，從而在此情況下打開發(fā)汗冷卻流體供給通道，冷卻流體進(jìn)入發(fā)汗冷卻儲氣腔室，隨后再通過壁面的多孔介質(zhì)滲透到受保護(hù)壁面上方進(jìn)行冷卻，達(dá)到抵御激波破壞的作用。

超聲速氣膜冷卻通道主要承擔(dān)正常工況的熱負(fù)荷。其設(shè)計工況主要為無激波或者弱激波的情況下，冷卻流體通過超聲速氣膜冷卻通道的噴嘴平行噴出，覆蓋在受保護(hù)壁面上進(jìn)行熱防護(hù)。最終達(dá)到可以根據(jù)激波的出現(xiàn)自適應(yīng)打開和關(guān)閉局部發(fā)汗冷卻結(jié)構(gòu)來達(dá)到熱防護(hù)效果，實現(xiàn)最優(yōu)化利用冷卻流體。

由于本發(fā)明設(shè)計中，所涉及到的部件均為機(jī)械結(jié)構(gòu)的部件，所應(yīng)用的原理基本為機(jī)械、流體本身的特性，不涉及到電動控制、電子信號等設(shè)備，因此本發(fā)明設(shè)計方案具有很好的可靠性和實用性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的方案示意圖；

其中：1-高溫主流；2-超聲速氣膜冷卻流通道；3-冷卻流噴嘴；4-壓力監(jiān)測管道；5-壓力啟閉閥門；6-發(fā)汗冷卻流體供給通道；7-發(fā)汗冷卻儲氣腔室；8-多孔介質(zhì)；9-受保護(hù)壁面；10-激波；11-高壓區(qū)域。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

一種可以根據(jù)激波的出現(xiàn)自適應(yīng)的打開局部發(fā)汗冷卻的方法來實現(xiàn)抑制激波的破壞效果的超聲速氣膜冷卻裝置，該裝置包括：壓力監(jiān)測管道4、壓力啟閉閥門5、發(fā)汗冷卻冷卻流體供給通道6、發(fā)汗冷卻儲氣腔室7、設(shè)置在受保護(hù)壁壓力檢測區(qū)域的壁面發(fā)汗冷卻多孔介質(zhì)8以及超聲速氣膜冷卻通道2，所述壓力監(jiān)測管道為金屬管道結(jié)構(gòu)，其一端布置在受保護(hù)壁面9的監(jiān)測點(diǎn)處，另一端布置在壓力啟閉閥門上，所述受保護(hù)壁面監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在壁面發(fā)汗冷卻多孔介質(zhì)內(nèi)，發(fā)汗冷卻冷卻流體供給通道一端壓力啟閉閥門連接，另一端與與發(fā)汗冷卻儲氣腔室連接，發(fā)汗冷卻儲氣腔室設(shè)置為在外部環(huán)繞受保護(hù)壁面監(jiān)測點(diǎn)，壓力監(jiān)測管道穿過該發(fā)汗冷卻儲氣腔室后設(shè)置在在受保護(hù)壁面監(jiān)測點(diǎn)處；通過壓力監(jiān)測管道中的流體壓力來實現(xiàn)閥門啟閉，當(dāng)激波的強(qiáng)度大于一定值后，由此引起的壓力可以頂開閥門，當(dāng)激波減弱或者消失時，壓力監(jiān)測管道中流體的壓力不足以頂開閥門，閥門關(guān)閉，通過所述壓力啟閉閥來控制發(fā)汗冷卻流體的供給通道，當(dāng)該閥門打開時，冷卻流體將通過該閥門流入發(fā)汗冷卻儲氣腔室，當(dāng)該閥門關(guān)閉時，將切斷發(fā)汗冷卻流體的供給。

本發(fā)明裝置實際應(yīng)用中，其運(yùn)行原理過程如下步驟：

1)超聲速流場中，正常情況下，當(dāng)高溫主流1流入通道后，通過超聲速氣膜冷卻流通道2引入冷卻流體經(jīng)常用冷卻流噴嘴3噴入冷卻氣體對受保護(hù)壁面9進(jìn)行熱保護(hù)；

2)由于局部流動參數(shù)或者結(jié)構(gòu)的變化，誘發(fā)激波10的入射，導(dǎo)致冷卻氣體邊界層內(nèi)壓力升高，形成高壓區(qū)域11，激波的入射將破壞冷卻氣體邊界層，從而導(dǎo)致冷卻效果下降；此時，受保護(hù)壁面的壓力監(jiān)測管道4中流體由于和激波作用區(qū)域相連，其流體壓力急劇升高；壓力監(jiān)測管道4中的流體壓力升高后，高壓流體將打開壓力啟閉閥門5；

3)壓力啟閉閥門5開啟后，發(fā)汗冷卻供給通道6被打開，冷卻流體將引入至發(fā)汗冷卻儲氣腔室7中，隨后再通過多孔介質(zhì)8滲透到上表面上，對受保護(hù)壁面9進(jìn)行局部增強(qiáng)冷卻，從而能減少激波的破壞作用；

4)當(dāng)超聲速流場中參數(shù)發(fā)生改變后，激波強(qiáng)度變?nèi)趸蛘呦В藭r壓力監(jiān)測區(qū)域11中的流體壓力下降，壓力監(jiān)測管道4中流體壓力下降，不足以維持打開壓力啟閉閥門5，此時壓力啟閉閥門5關(guān)閉，發(fā)汗冷卻流體供給通道6關(guān)閉，局部發(fā)汗冷卻不再起作用。此時工況進(jìn)入正常工況，受保護(hù)壁面9通過超聲速氣膜冷卻流通道2的流體足可維持其冷卻效果。從而達(dá)到節(jié)省冷卻流流量的目的。

由以上實施例可以看出，本發(fā)明實施例可以方便實現(xiàn)對高超飛行器高溫部件中，當(dāng)出現(xiàn)激波作用時，可以通過監(jiān)測激波引起的流體壓力變化而局部打開發(fā)汗冷卻結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)的增強(qiáng)局部的冷卻效果達(dá)到抑制激波破壞作用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。