一種局部發汗冷卻抑制激波的超聲速氣膜冷卻裝置及其防護方法與流程

本發明涉及一種高超飛行器高溫部件的熱防護裝置及防護方法,特別是關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裝置及防護方法。

背景技術：

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壁面的緩沖冷卻氣膜，用以將壁面與高溫氣體環境隔離，從而對壁面進行有效地熱防護和化學防護。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構簡單、冷卻效果好等特點，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，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用。因而研究和發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用具有重要的意義。

對于高速飛行器高溫部件的熱防護而言，一方面希望其冷卻效果好能保護部件，另外一方面又希望用于熱防護的冷卻流體使用量盡量少。而超聲速流場中，激波的出現很多時候和主流和冷卻流流體壓力的不均勻不匹配、通道中流動參數的改變、結構的變化、局部流場中燃爆等因素的密切相關，因此激波可能并不是一直出現和發生。如果能開發出一種能夠實時監測激波的出現，自適應地通過局部增強冷卻方式來抵御激波的入射的結構和裝置對于最優化的使用冷卻流體具有重要意義。

本發明提出一種采取局部發汗冷卻輔助的超聲速氣膜冷卻結構，通過自適應監測激波引起的壓力變化，局部打開發汗冷卻降低激波對超聲速氣膜冷卻的作用。

技術實現要素：

本發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激波作用時，可以根據激波的出現自適應的啟動局部發汗冷卻方法來實現抑制激波的破壞效果的超聲速氣膜冷卻結構。

為了能夠實現熱防護的目的，超聲速氣膜冷卻結構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壁面上，將壁面與高溫主流隔開。然而，在超聲速流場中，當主流和冷卻流流體壓力的不均勻不匹配、通道中流動參數的改變、結構的變化、局部流場中燃爆時，將引發激波的產生，激波將入射冷卻氣體邊界層，對氣膜冷卻進行破壞，此時原有設計的超聲速氣膜冷卻結構將不能抵御激波的破壞效果，受保護壁面的溫度將升高，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，本發明的技術方案提供一種可以實時監測激波的出現，自適應地打開局部發汗冷卻結構，通過局部發汗冷卻的增強冷卻方式，達到抑制激波的破壞效果。

一種局部發汗冷卻自適應激波作用的超聲速氣膜冷卻裝置，壓力監測管道、壓力啟閉閥門、發汗冷卻冷卻流體供給通道、發汗冷卻儲氣腔室、設置在受保護壁壓力檢測區域的壁面發汗冷卻多孔介質以及超聲速氣膜冷卻通道，所述壓力監測管道為金屬管道結構，其一端布置在受保護壁面的監測點處，另一端布置在壓力啟閉閥門上，所述受保護壁面監測點設置在壁面發汗冷卻多孔介質內，發汗冷卻冷卻流體供給通道一端壓力啟閉閥門連接，另一端與與發汗冷卻儲氣腔室連接，發汗冷卻儲氣腔室設置為在外部環繞受保護壁面監測點，壓力監測管道穿過該發汗冷卻儲氣腔室后設置在在受保護壁面監測點處；通過壓力監測管道中的流體壓力來實現閥門啟閉，當激波的強度大于一定值后，由此引起的壓力可以頂開閥門，當激波減弱或者消失時，壓力監測管道中流體的壓力不足以頂開閥門，閥門關閉，通過所述壓力啟閉閥來控制發汗冷卻流體的供給通道，當該閥門打開時，冷卻流體將通過該閥門流入發汗冷卻儲氣腔室，當該閥門關閉時，將切斷發汗冷卻流體的供給。。

壓力監測管道為金屬管道結構，根據實際結構設計合適的管道直徑，其一端布置在受保護壁面監測點處，另一端布置在壓力啟閉閥門上。其功能在通過監測受保護壁面的流體壓力，當局部受到激波的作用時，壁面處流體壓力升高，通過壓力監測管道可以將激波的高壓傳遞至壓力啟閉閥門處，從而達到開啟閥門的作用。

壓力啟閉閥門通過合適的計算和設計，當流場中出現激波的情況下，當激波強度達到一定值后，邊界層內流體壓力將超過某一值，此時該強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汗冷卻流體供給通道，冷卻流體進入發汗冷卻儲氣腔室，隨后再通過壁面的多孔介質滲透到受保護壁面上方進行冷卻，達到抵御激波破壞的作用。

超聲速氣膜冷卻通道主要承擔正常工況的熱負荷。其設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，覆蓋在受保護壁面上進行熱防護。最終達到可以根據激波的出現自適應打開和關閉局部發汗冷卻結構來達到熱防護效果，實現最優化利用冷卻流體。

由于本發明設計中，所涉及到的部件均為機械結構的部件，所應用的原理基本為機械、流體本身的特性，不涉及到電動控制、電子信號等設備，因此本發明設計方案具有很好的可靠性和實用性。

附圖說明

圖1為本發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-壓力監測管道；5-壓力啟閉閥門；6-發汗冷卻流體供給通道；7-發汗冷卻儲氣腔室；8-多孔介質；9-受保護壁面；10-激波；11-高壓區域。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

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

本發明裝置實際應用中，其運行原理過程如下步驟：

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

2)由于局部流動參數或者結構的變化，誘發激波10的入射，導致冷卻氣體邊界層內壓力升高，形成高壓區域11，激波的入射將破壞冷卻氣體邊界層，從而導致冷卻效果下降；此時，受保護壁面的壓力監測管道4中流體由于和激波作用區域相連，其流體壓力急劇升高；壓力監測管道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，發汗冷卻供給通道6被打開，冷卻流體將引入至發汗冷卻儲氣腔室7中，隨后再通過多孔介質8滲透到上表面上，對受保護壁面9進行局部增強冷卻，從而能減少激波的破壞作用；

4)當超聲速流場中參數發生改變后，激波強度變弱或者消失，此時壓力監測區域11中的流體壓力下降，壓力監測管道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關閉，發汗冷卻流體供給通道6關閉，局部發汗冷卻不再起作用。此時工況進入正常工況，受保護壁面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。從而達到節省冷卻流流量的目的。

由以上實施例可以看出，本發明實施例可以方便實現對高超飛行器高溫部件中，當出現激波作用時，可以通過監測激波引起的流體壓力變化而局部打開發汗冷卻結構，自適應的增強局部的冷卻效果達到抑制激波破壞作用。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護范圍。