一种多孔材料发汗冷却前缘结构及飞行器

1.本发明涉及飞行器热防护技术领域，具体是一种多孔材料发汗冷却前缘结构及飞行器。


背景技术：

2.随着高超声速飞行器的飞行速度和巡航时间的大幅提升，面临的最重要挑战之一是极高的热负荷，特别是飞行器的鼻锥、舵前缘和机翼的前缘等部位受到周围空气强烈的压缩和剧烈的摩擦作用遭到高温热气流的冲击破坏，最高热流可达20-30mw/m2，表面温度最高可达3000℃以上。因此，发展高效稳定的主动热防护系统是解决该领域问题的关键技术之一。现有的主动热防护技术主要有：对流冷却、气膜冷却、发汗冷却以及喷雾冷却，其中发汗冷却由于其卓越的冷却效果，受到了研究者的广泛关注。
3.对于传统发汗冷却技术，由于激波干扰、曲面效应会造成飞行器的鼻锥、舵前缘、机翼的前缘等尖端区域表面与其他表面相比会遭受更多的高温热流来袭，所以会出现热、力载荷分布不均，导致了供给该尖端区域的冷却剂供应不足，而产生传热恶化现象，这大大降低了该技术的可靠性。
4.目前关于这一问题的改进方法是通过改变发汗冷却结构本身或者在多孔材料孔隙中填充可热解的炭化材料来针对性的分区调控冷却剂的流量。改变发汗冷却结构来进行改进时需要人为设计相应结构，不仅结构设计复杂，成本也高。而且使用填充材料来进行改进时，所填充的可热解的碳化材料预热消耗之后不可再生，因此不可重复适用，也无法实现对冷却剂使用量的精准调控。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种多孔材料发汗冷却前缘结构，随遭受高温热流的程度，可以自适应调节多孔材料的孔隙率，而自动调整流入不同区域的冷却剂的使用量，从而有效提高所使用的冷却剂的效率，且可进一步增强高热尖端区域部位的热防护效果，而且所述记忆合金材料还可以重复使用。
6.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种多孔材料发汗冷却前缘结构，包括多层多孔材料层和设于所述多层多孔材料层一侧的冷却腔，所述冷却腔内设有冷却剂供给通道，所述冷却剂供给通道用以向冷却腔供给冷却剂，所述多层多孔材料层包括外层、中间层以及内层，所述内层的材料为记忆合金多孔材料。例如，镍钛记忆合金多孔材料。
8.优选的，所述外层和所述中间层的材质相同，所述外层和所述中间层的材料为陶瓷或不锈钢，所述外层的多孔材料孔隙率大于所述中间层的多孔材料孔隙率，所述中间层的多孔材料孔隙率大于所述内层的多孔材料孔隙率。例如，初始状态时，所述外层的多孔材料孔隙率为0.3，所述中间层的多孔材料孔隙率为0.2，所述内层的记忆合金多孔材料孔隙率为0.01。
9.优选的，所述前缘结构还设有分流板，所述分流板位于所述冷却腔内，所述分流板的四周边缘与所述冷却腔的内壁密封连接，所述分流板将所述冷却腔分成冷却腔前腔体和冷却腔后腔体，所述分流板密布有多个冲击孔。
10.优选的，所述多个冲击孔设置为环形排布，且所述冲击孔的孔径为毫米量级。
11.优选的，所述冷却剂供给通道呈管状，所述冷却剂供给通道的管壁上设有喷射孔，且所述喷射孔的孔径为毫米量级。
12.优选的，所述喷射孔沿冷却剂在所述供给通道行进方向自内向外倾斜设置。
13.一种飞行器，包括所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
15.1、本发明的前缘结构的多孔材料层内层通过采用受热收缩、遇冷膨胀的双程型的镍钛记忆合金多孔结构材料，可以在遭受外界高温热流时，通过自适应改变材料的孔隙率而调整流入多孔材料层的冷却剂流量，能够有效精准的调控冷却剂的使用量，解决了现有技术存在的前缘结构不同部位冷却不均匀、冷却效率不高、热防护效果不佳的问题。能够进一步实现散热均匀，使热防护效果更佳且成本低。也免除了需要认为设计来改变发汗冷却结构，从而调整冷却剂流量的麻烦。而且该记忆合金材料可重复使用。
16.2、本发明的多孔材料层所包括的内层、中间层以及外层，其外层的多孔材料孔隙率大于中间层的多孔材料孔隙率，中间层的多孔材料孔隙率大于内层的多孔材料孔隙率，且在初始状态下的内层孔隙率非常小，可有效防止冷却剂不必要的浪费。
17.3、通过在本发明的前缘结构中设置分流板，不仅增加了鼻锥、舵前缘、机翼的前缘等结构的强度，还弥补了采用疏松多孔隙介质带来的强度削弱。而且从分流板所密布有的多个冲击孔所喷射出的冷却剂，对冷却腔前腔体内表面进行冷却，进一步增强了高热尖端区域部位的热防护效果。
18.4、通过在本发明的前缘结构中，冷却剂供给通道设置呈一定倾斜角的喷射孔，在冷却剂未充满冷却腔之前，从喷射孔喷射出的冷却剂，射流到冷却腔后腔体内表面，达到一定的降温效果。
附图说明
19.图1为本发明中所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构的结构示意图；
20.图2为本发明中分流板的径向剖面图；
21.图3为图1中分流板部位的放大图；
22.图4为本发明结构a-a截面剖视图；
23.图5为图1中冷却剂供给通道部位的放大图；
24.图6为本发明受到高温来流时内层材料的自适应被激活状态示意图；
25.图7为本发明从初始状态到自适应被激活状态的变化过程示意图。
26.图中标号说明：
27.1、内层；2、中间层；3、外层；4、多层多孔材料层；5、分流板；6、分流板的冲击孔；7、冷却剂供给通道；8冷却剂供给通道的喷射孔、；9、冷却腔前腔体；10、冷却腔后腔体。
具体实施方式
28.下面，结合附图对发明做出进一步的描述：
29.在本发明的描述中，需要说明的是，所有方向性指示(例如前、后、左、右、内、外等)为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.如图1所示，一种多孔材料发汗冷却前缘结构，包括具有分层梯度的多层多孔材料层4和设于所述多层多孔材料层4一侧的冷却腔。所述冷却腔内设有分流板5。所述分流板5设在所述前缘结构的弧形端。所述分流板5的四周边缘与所述冷却腔的内壁密封连接，且竖向设置。以所述分流板5的竖向方向为界，可将所述前缘结构中的多层多孔材料层4，分为尖端区域和平缓区域。位于所述分流板5左侧的多层多孔材料层4为尖端区域，位于所述分流板5右侧的多层多孔材料层4为平缓区域。当高温热流来袭时，所述前缘结构中的尖端区域较比平缓区域遭受更多的高温热流。所述分流板5将所述冷却腔分成冷却腔前腔体9和冷却腔后腔体10。所述分流板5的形状可以采用多种板状形状，例如，圆形板状或者椭圆形板状。所述分流板5位置的设置能够保证冷却剂通过所述冲击孔6能够直接喷射到所述冷却腔前腔体9的内壁面，对高温壁面产生冲击冷却的效果。例如，当所述分流板5为圆形板状时，所述分流板5可以设置成，与所述前缘结构顶部内壁面的垂直距离为分流板半径的4/5。在所述冷却腔内设置所述分流板5，对所述前缘结构还能够起到一定的支撑作用，不仅增加了所述前缘结构的强度，还弥补了采用疏松多孔材料介质所带来的强度消弱。
31.所述冷却腔后腔体10内还设有冷却剂供给通道7，所述冷却剂供给通道7呈管状。所述冷却剂供给通道7用以向冷却腔内供给冷却剂。本发明的工作过程中能保证所述冷却剂在充分的压力条件下的进行维持不断的供给。冷却剂既可以在致密孔隙中与固体骨架进行充分对流换热，又对结构表面起到隔热作用。所述冷却剂可以采用能够吸收较大热量，且流动性好的液体。例如，液态水。
32.所述多孔材料层4从所述冷却腔一侧开始向外分别为内层1、中间层2和外层3。所述中间层2连接了所述内层1和所述外层3，而且所述中间层可以采用单层，也可以采用多层。所述外层3位于所述前缘结构的最外层成为了直接受热层，所述内层1构成了所述冷却腔的内壁。而且所述内层1的厚度从所述前缘结构尖端区域沿平缓区域逐步增加。这样的分层设置有效提高了冷却效率的同时又能节约成本。
33.所述中间层2和所述外层3的材料都为材质相同的常规多孔材料。例如，耐高温的陶瓷或不锈钢。所述内层1的材料采用了经过训练具有全程记忆效应的记忆合金制成的多孔材料。例如，具有负热膨胀性质的双程型的镍钛记忆合金颗粒堆积制造而成的镍钛记忆合金多孔材料。所述镍钛记忆合金具有自适应的特征。该镍钛记忆合金多孔材料的自适应特征如下：当所处的环境温度升高时，镍钛记忆合金颗粒发生收缩，颗粒之间形成微通道，可用于冷却剂的流动换热。而且温度越高，颗粒收缩的越加剧烈。但温度达到一定程度，镍钛记忆合金停止收缩。当温度又重新降低逐步接近初始状态时，镍钛记忆合金颗粒随着温度的下降持续膨胀，直至颗粒之间完全贴合不留一丝缝隙。因此，所述镍钛记忆合金多孔材料的颗粒具有高温收缩、低温扩张的性能。
34.还有，所述外层3的多孔材料孔隙率大于所述中间层2的多孔材料孔隙率，所述中
间层2的多孔材料孔隙率大于所述内层1的多孔材料孔隙率。综合考虑冷却效率和冷却剂从冷却腔流到最外层3所受到的总流动阻力两个因素之后，可以确定所述外层3的多孔材料孔隙率为0.3，所述中间层2的多孔材料孔隙率为0.2。所述内层1，因采用了镍钛记忆合金多孔材料，其孔隙率是由外界热流所决定而调整。因此，在遭受不同外界热流情况下内层1的孔隙率是不同的。
35.在所述多层多孔材料层4与所述冷却腔内的冷却剂进行对流换热的过程中，在初始状态下，也就是当外界热流高温程度未达到使镍钛记忆合金多孔材料颗粒收缩数值时，该内层1的记忆合金多孔材料结构的孔隙率为0.01。可以看出，与外层3和中间层2的多孔材料孔隙率相比内层1的多孔材料孔隙率非常的小。因此，可以防止冷却剂在不需要冷却剂的外界环境状态下(也就是初始状态下)的外泄外流，造成不必要的浪费。
36.相反的，如图6所示，当外界热流的高温程度超过镍钛记忆合金多孔材料颗粒收缩数值时，受更多热流的高热区域(也就是尖端区域)部分的记忆合金材料颗粒高度收缩(这种状态为自适应被激活状态)，形成较大的孔隙率。但这时的内层1，即记忆合金多孔材料的孔隙率也都不会超过中间层2的多孔材料孔隙率。因此，该高热区域从所述冷却腔能够获得更多的冷却剂供应，从而该冷却剂可以依次通过内层1、中间层2、外层3而进行对流换热。最终溢出所述外层3的冷却剂包裹所述前缘结构的直接受热面而形成薄膜(例如，液膜)，起到了隔热作用。从而能够进一步使受热表面均匀换热，有利于保持前缘结构温度的恒定。与该高热区域(也就是尖端区域)相比，受较少外界高温热流的低热区域(也就是平缓区域)记忆合金多孔材料颗粒的收缩程度较缓，因此低热区域记忆合金材料的孔隙率相比与高热区域记忆合金材料的孔隙率较小，冷却剂也相应较少的流入该低热区域。但溢出的冷却剂同样能够形成薄膜。
37.当所述的前缘结构所处的外界环境温度又重新降低而逐步接近初始状态时，所述镍钛记忆合金颗粒随着温度的下降又持续膨胀，直至颗粒之间完全贴合不留一丝缝隙。所述内层1多孔材料的孔隙率也又重新回到初始状态下的0.01。这时又可以防止冷却剂的外泄，从而能够自动调整冷却剂的使用含量。图7正是示出了，本发明所述的前缘结构的尖端区域受热时，所述内层1的记忆合金多孔材料的颗粒，从初始状态转变成自适应被激活状态的过程。
38.因此，这样的发汗冷却结构对外界高温热流进行自适应的调整孔隙率，从而动态的调整冷却剂进入不同区域(高热区域和低热区域)的流量，保证了受更多热流的高温区域能够获得更多的冷却剂而得到更佳的热防护效果，提高了冷却效率。而且这样分层阶梯式的孔隙率设置，可以在一定程度上控制优化发汗冷却系统中冷却剂的使用量，避免不必要的浪费，提高冷却剂的使用效率。而且再下次高温热流来袭时，所述内层1的记忆合金材料可以再次发挥同样作用。因此，在与多孔材料孔隙中填充只能一次性使用的可热解的碳化材料来调节冷却剂流量相比，所述记忆合金材料可以重复使用，也降低了成本。
39.如图2和3所示，所述分流板5密布有多个冲击孔6，且所述冲击孔6贯穿所述分流板5的板面。而且多个冲击孔6的孔径是相同的。所述冲击孔6可以设置成环形排布，即制作成环形冲击孔6。所述环形排布的冲击孔6是以分流板5的中心为圆心，在不同半径的圆周上均匀分布。而且所述分流板5的中心还设有一个孔。所述多个冲击孔6的孔径为毫米量级。这种设计可以使冷却剂在压力作用下，从所述冷却腔后腔体10经过所述分流板5上的冲击孔6射
出，而喷射在所述冷却腔前腔体9的内表面上，达到一定的降温效果。这可以在所述冷却腔前腔体9未填满之前，可进一步增强所述前缘体尖端区域部位的热防护效果。
40.如图4所示，在所述冷却剂供给通道7的管壁上设有定向的喷射孔8，且所述喷射孔8的孔径为毫米量级。所述冷却剂供给通道7的管壁上排布有喷射孔8，所述喷射孔8在所述管壁上环形排布。例如，在所述管壁面上沿着管的轴向分布有多组喷射孔8，每一组具有多个喷射孔8，每一组的多个喷射孔8在管上沿周向环形分布的。当具有一定压力的冷却剂流经所述冷却剂供给通道7时，会因所述喷射孔8的孔径非常的细，所以通过所述喷射孔8向所述冷却腔后腔体10的内表面上喷射冷却剂。在流经所述冷却剂供给通道7的冷却剂还未填满所述冷却腔后腔体10之前，冷却剂从喷射孔8射流到所述内层1的记忆合金多孔材料上，使所述平缓区域达到一定的降温效果。这种设计可以在冷却剂供给的初始阶段，可均匀的向四周所述冷却腔后腔体10的内表面上喷射冷却剂，形成短时间内的冲击冷却效果。
41.如图5所示，所述冷却剂供给通道7的管壁上排布的喷射孔8，沿冷却剂在所述供给通道7行进方向自内向外倾斜设置。该倾斜设置可以保证冷却剂从冲击孔8喷出而垂直喷射到所述冷却腔后腔体10的内表面上。而且所述冷却剂供给通道7在冷却腔内的一端靠近分流板，与分流板具有一定距离，以保证通过所述冷却剂供给通道7上的喷射孔8所喷射出的冷却剂，可均匀的到达靠近所述分流板5的冷却腔后腔体10的内表面上。而且也可以保证通过所述冷却剂供给通道7喷射出的冷却剂，可以到达并通过所述分流板5的冲击孔6而喷射在所述冷却腔前腔体9的内壁面上。
42.所述冷却剂的工作原理如下：
43.所述冷却剂通过冷却剂供给通道7喷射之后，在冷却剂来流时的压力作用下，部分冷却剂可直接通过所述分流板5的冲击孔6而喷射到所述冷却腔前墙体9的内壁面，增强所述前缘体尖端区域的冷却能力。而未能通过所述冲击孔6的剩余部分冷却剂持续流入到冷却腔后腔体10后，逐渐填满所述冷却腔后腔体10，使所述冷却腔后腔体10内的压力逐渐增大，造成冷却腔后腔体10的压力大于冷却腔前腔体9的压力。因此而产生的压力作用下，所述冷却腔后腔体10中的冷却剂通过所述分流板5上的冲击孔6喷出后，部分冷却剂喷射到所述冷却腔前腔体9的内壁面，剩余部分冷却剂最终会流入到所述冷却腔前腔体9内。
44.待所述冷却剂充满所述冷却腔之后，冷却腔中的冷却剂在冷却腔内压力的作用下，依次通过所述内层1、中间层2以及外层3而进行充分的流固换热，射流扰动增强冷却剂与所述多层多孔材料层4的换热强度。
45.而且冷却剂如同汗液一样，从受热的多孔材料孔隙中持续不断的溢出，在所述外层3外表面(也就是在飞行器表面)形成一层较为均匀的隔热膜(例如，液膜)而包裹所述前缘体的受热面，可以增加边界层厚度。从而不仅起到了隔热作用，同时也减小了壁面的摩擦阻力，进一步克服了多孔材料发汗冷却局部过热容易出现传热恶化的缺陷，进一步实现了散热均匀、热防护效果佳等效果。
46.通常在飞行器中，鼻锥、舵前缘以及机翼的前缘等前缘体顶部所处的热环境更加恶劣，承受更加剧烈的热、力载荷，所以可采用上述多孔材料发汗冷却前缘结构。
47.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限定本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在
本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：包括多层多孔材料层(4)和设于所述多层多孔材料层(4)一侧的冷却腔，所述冷却腔内设有冷却剂供给通道(7)，所述冷却剂供给通道(7)用以向冷却腔供给冷却剂，所述多层多孔材料层(4)，包括外层(3)、中间层(2)以及内层(1)，所述内层(1)的材料为记忆合金多孔材料。2.根据权利要求1所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：所述记忆合金多孔材料采用镍钛记忆合金多孔材料。3.根据权利要求1所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：所述外层(3)和所述中间层(2)的材质相同，所述外层(3)和所述中间层(2)的材料为陶瓷或不锈钢，所述外层(3)的多孔材料孔隙率大于所述中间层(2)的多孔材料孔隙率，所述中间层(2)的多孔材料孔隙率大于所述内层(1)的多孔材料孔隙率。4.根据权利要求3所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：所述外层(3)的多孔材料孔隙率为0.3，所述中间层(2)的多孔材料孔隙率为0.2。5.根据权利要求4所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：初始状态时，所述内层(1)的记忆合金多孔材料孔隙率为0.01。6.根据权利要求1所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：所述前缘结构还设有分流板(5)，所述分流板(5)位于所述冷却腔内，所述分流板(5)的四周边缘与所述冷却腔的内壁密封连接，所述分流板(5)将所述冷却腔分成冷却腔前腔体(9)和冷却腔后腔体(10)，所述分流板(5)密布有多个冲击孔(6)。7.根据权利要求6所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：所述多个冲击孔(6)设置为环形排布，且所述冲击孔(6)的孔径为毫米量级。8.根据权利要求1所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：所述冷却剂供给通道(7)呈管状，所述冷却剂供给通道(7)的管壁上设有喷射孔(8)，且所述喷射孔(8)的孔径为毫米量级。9.根据权利要求8所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构，其特征在于：所述喷射孔(8)沿冷却剂在所述供给通道(8)行进方向自内向外倾斜设置。10.一种飞行器，其特征在于：包括权利要求1至9任一项所述的一种多孔材料发汗冷却前缘结构。

技术总结
本发明公开了一种多孔材料发汗冷却前缘结构，包括多层多孔材料层和设于所述多层多孔材料层一侧的冷却腔，所述冷却腔内设有冷却剂供给通道，所述冷却剂供给通道用以向冷却腔供给冷却剂，所述多层多孔材料层，包括外层、中间层以及内层，所述内层的材料为记忆合金多孔材料。本发明可自适应调整多孔材料的孔隙率，可自动调节冷却剂的使用量，有效提高冷却剂的使用效率，且可进一步增强高热尖端区域部位的热防护效果，而且所述记忆合金材料还可以重复使用。所述多孔材料发汗冷却前缘结构，可用于飞行器的鼻锥、舵前缘以及机翼的前缘等遭受更多高温热流部位的结构。高温热流部位的结构。高温热流部位的结构。


技术研发人员：周伟星 张明旭 刘学
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/6/26