[發明專利]飛行器熱部件的防護系統

有效

• 申請號: 201710221666.3
• 申請日: 2017-04-06
• 公開（公告）號: CN107150810B
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發明（設計）人: 姜培學;王超;胥蕊娜;祝銀海;歐陽小龍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B64D13/00
• 分類號: B64D13/00;B64C1/38
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張潤

本發明公開了一種飛行器熱部件的防護系統，包括：水泵，用于將冷卻水加壓進飛行器熱部件的冷卻通道；第一電子背壓閥；閃蒸腔，用于對經過電子背壓閥的升溫后的冷卻水進行閃蒸；第二電子背壓閥，用于將閃蒸后的水蒸氣排出至外界低壓環境，其中，當水蒸氣的壓力超過第一預設壓力值時，將水蒸氣引導入預留在其它熱部件內部的氣膜孔；水囊，用于接收閃蒸后剩余在閃蒸腔內在重力和腔內壓力作用下流回的液體。該防護系統利用水閃蒸的方式對熱部件進行熱防護，不僅可以有效冷卻熱部件表面，而且能顯著減少冷卻工質的攜帶量，進而降低高超聲速飛行器機身重量，增強其執行任務的能力，提高系統的適用性和實用性，簡單易實現。

技術領域

本發明涉及熱防護技術領域，特別涉及一種飛行器熱部件的防護系統。

背景技術

在高超聲速飛行器的飛行過程中，熱部件如頭部、進氣道唇口、發動機壁面、身部等需要承受到很高的熱流密度，并且由于飛行任務的需要，對高超聲速飛行器的飛行速度和飛行時間提出了更高的要求，而單純采用被動和半被動的冷卻方式已經不能滿足飛行器執行任務過程中的冷卻需求，需要采用主動熱防護技術。

相關技術中，主動熱防護方式主要是利用發動機燃料單相的溫升顯熱，以對熱部件表面進行對流冷卻。但是由于燃料的顯熱熱沉低，導致要求飛行器在起飛前攜帶大大超過發動機燃燒所需要的燃料用量，從而將大幅增加飛行器自身重量，不利于高超聲速飛行器寬速域、長時間飛行。

另外，液體工質的汽化潛熱能夠提供比顯熱大的多的熱沉，若能安全有效的利用冷卻介質的汽化潛熱，則可以大大降低冷卻介質的攜帶量，但如果使冷卻介質在冷卻通道內直接過熱汽化，則很可能會造成傳熱惡化，帶來不可估量的損失。

發明內容

本發明是基于發明人對以下問題的認識和發現作出的：

在高熱流密度表面的主動冷卻方案中，水是一種常用的冷卻工質，這是因為水的綜合換熱性能優于其它換熱工質，如物性穩定、比熱容、對流換熱系數和汽化潛熱量級都比較大。為了充分利用水的汽化潛熱吸收高超聲速飛行器熱部件表面熱流，可使水在冷卻通道內直接沸騰汽化，所使用的循環水量相對較小，但這種溫控方式難于控制，因為過熱蒸汽的產生容易引起換熱惡化，導致熱部件燒毀的嚴重后果。

讓水在流出冷卻通道后發生過熱沸騰或閃蒸是直接將熱部件表面熱流完全轉化為水的汽化潛熱的重要方式。閃蒸就是溫度相對較高的液體快速暴露于某低壓環境中，液體溫度對應的飽和壓力高于環境壓力，導致液體處于短暫的、整體“過熱”的不穩定狀態，液體依靠快速汽化釋放多余的熱，即發生閃蒸現象。閃蒸后剩余的液體在不與外界進行熱交換的條件下處于飽和狀態，而飽和溫度與環境壓力相對應。

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的目的在于提出一種飛行器熱部件的防護系統，該系統可以利用水閃蒸的方式對熱部件進行熱防護，提高系統的適用性和實用性，簡單易實現。

為達到上述目的，本發明實施例提出了一種飛行器熱部件的防護系統，包括：水泵，用于將冷卻水加壓進飛行器熱部件的冷卻通道，以吸收部件表面熱流接近或達到飽和狀態；第一電子背壓閥；閃蒸腔，用于對經過所述第一電子背壓閥的升溫后的所述冷卻水進行閃蒸，以將吸收的所述表面熱流轉化為汽化潛熱對外界釋放，并進行氣液分離，使得所述冷卻水溫度降至所述閃蒸腔壓力所對應的飽和溫度；第二電子背壓閥，用于將閃蒸后的水蒸氣排出至外界低壓環境，以維持所述閃蒸腔的腔體內的低壓環境，其中，當所述水蒸氣的壓力超過第一預設壓力值時，將所述水蒸氣引導入預留在其它熱部件內部的氣膜孔；水囊，用于接收閃蒸后剩余在所述閃蒸腔內在重力和腔內壓力作用下流回的液體，其中，完成循環的所述冷卻水返回所述冷卻通道。

本發明實施例的飛行器熱部件的防護系統，利用閃蒸將水從熱部件吸收的熱量間接且安全的全部轉化為水的汽化潛熱，不僅可以有效冷卻熱部件表面，而且能顯著減少冷卻工質的攜帶量，進而降低高超聲速飛行器機身重量，增強其執行任務的能力，提高系統的適用性和實用性，簡單易實現。