[發明專利]基于磁流體流動控制的軸對稱再入飛行器熱防護方法

在審

• 申請號: 202011403472.3
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112498659A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 王江峰;王丁;李龍飛;楊天鵬;康明;張棱尹
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64C1/38
• 分類號: B64C1/38;B64C30/00;H01F7/20
• 代理公司: 蘇州潤桐嘉業知識產權代理有限公司 32261
• 代理人: 徐鳴

本發明公開了一種基于磁流體流動控制的軸對稱再入飛行器熱防護方法。本發明利用通電多邊形線圈組合成的線圈網絡生成軸對稱再入飛行器近壁面區域的磁場。線圈網絡覆蓋再入飛行器外殼的內表面，局部磁場的拓撲結構由該區域的線圈數量、幾何形狀共同決定，局部磁場的強度可通過改變線圈的電流強度進行調節。設計的磁場產生的洛倫茲力改變了再入飛行器激波后電離氣體的運動，減小了再入飛行器表面的熱流，從而提高了飛行器的熱防護能力。本發明可以根據再入飛行器的幾何形狀靈活設計對應的線圈網絡，并在再入飛行器的全表面生成所需的磁場，通過改變局部線圈的電流強度可以實現對局部磁場強度的精細調節，從而實現對飛行器壁面熱流分布的調節。通過改變飛行器表面不同區域線圈的開關狀態可以改變飛行器所受的氣動力，進而對飛行器的姿態和飛行軌跡進行調節。此外，由于線圈網絡布置于再入飛行器的內表面，因此具有空間占用率低、不破壞飛行器原有幾何外形等優勢。

技術領域：

本發明為一種基于磁流體流動控制的軸對稱再入飛行器熱防護方法，屬于高超聲速飛行器熱防護技術領域。

背景技術：

再入飛行器在高超聲速飛行過程中將經受嚴重的氣動加熱，此時防熱系統的性能直接決定再入飛行器的可靠性及可重復使用性。因此設計和發展高效的熱防護系統是該領域的關鍵技術。

當前高超聲速飛行器的所用的熱防護技術可分為：被動熱防護、半被動熱防護及主動熱防護。其中被動熱防護方法最為常用包括在飛行器表面包裹隔熱瓦、在飛行器表面包裹高輻射率涂層等方法，半被動熱防護法主要包括在飛行器表面包裹燒蝕材料及疏導式熱防護等方法，主動式熱防護則包括諸多方式，如對流冷卻、膜冷卻、迎風凹腔等。受限于材料特性，被動式熱防護和半被動式熱防護方法均難以滿足惡劣氣動熱環境下的長時間、高熱流的熱防護需求，因此主動熱防護方法成為熱防護系統設計時的優先選擇。

基于磁流體流動控制的熱防護技術作為一種新概念主動熱防護方法，擁有不破壞飛行器外表面形狀，無復雜機械機構、無工質消耗等優點。該技術在熱防護過程中一方面使激波遠離物面降低溫度邊界層外緣的溫度，另一方面對邊界層內的流體進行減速，降低對流熱流，從而降低了熱防護的難度。高效的磁場是此類熱防護技術的核心，然而目前常規的永磁鐵、及大尺寸通電螺線管產生的磁場均有不足。永磁鐵的磁性在高溫環境下將逐漸衰減，大尺寸通電螺線管僅對沿軸線方向的來流具有較好的熱防護效果且具有較大的空間占用率。因此發展一種低空間占用率、能夠根據來流條件進行靈活調整的磁場生成方法及相應的熱防護方法十分必要。

發明內容：

本發明公開了一種基于磁流體流動控制的軸對稱再入飛行器熱防護方法。本發明利用通電多邊形線圈組合成的線圈網絡生成軸對稱再入飛行器近壁面區域的磁場。線圈網絡覆蓋再入飛行器外殼的內表面，局部磁場的拓撲結構由該區域的線圈數量、幾何形狀共同決定，局部磁場的強度可通過改變線圈的電流強度進行調節。設計的磁場產生的洛倫茲力改變了再入飛行器激波后電離氣體的運動，減小了再入飛行器表面的熱流，從而提高了飛行器的熱防護能力。本發明可以根據再入飛行器的幾何形狀靈活設計對應的線圈網絡，并在再入飛行器的全表面生成所需的磁場，通過改變局部線圈的電流強度可以實現對局部磁場強度的精細調節，從而實現對飛行器壁面熱流分布的調節。通過改變飛行器表面不同區域線圈的開關狀態可以改變飛行器所受的氣動力，進而對飛行器的姿態和飛行軌跡進行調節。此外，由于線圈網絡布置于再入飛行器的內表面，因此具有空間占用率低、不破壞飛行器原有幾何外形等優勢。

本發明提供的基于磁流體流動控制的軸對稱再入飛行器熱防護方法，包括以下步驟：

步驟一：根據再入飛行器的再入彈道確定氣動熱最嚴重的飛行工況，根據該飛行工況下飛行器表面的熱流分布及隔熱材料所能承受的最大熱流確定熱防護方案的設計指標；

步驟二：根據氣動熱最嚴重的工況下再入飛行器表面的熱流分布、飛行器內部空間限制及熱防護設計指標等條件，在飛行器外殼內側根據外殼的幾何特征布置線圈，形成線圈網絡，使得線圈在壁面處產生的磁場方向盡可能與壁面垂直。初始設計的線圈網絡應含有盡量少的線圈，且相鄰線圈中的電流方向相反，以獲得最大的磁場強度；