【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空航天高速飞行器结构设计与热防护，具体地，涉及一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构及其应用方法。
技术介绍
1、在民用需求等不断推动下，高超声速飞行器正朝着更高马赫数、可重复使用等目标不断发展。更高马赫数意味着更为严酷的气动加热，而可重复使用又限制了烧蚀技术的应用，在这一背景下，针对高超声速飞行器迎风面大面积高热流密度区域发展能够应用极高热流密度的防隔热-承载一体化热防护结构对实现高超声速飞行器更高马赫数、可重复使用的发展目标具有重要意义。
2、防隔热-承载一体化热防护结构设计理念最早由nasa提出，该结构在可实现中等热流密度热防护的情形下兼具有较好的承载能力，因此受到了国内外工业界与学术界的关注。然而，传统防隔热-承载一体化热防护结构存在两个较大的缺陷，首先是承载腹板的热短路效应会将外部的热量传递至机体结构导致机体结构容易出现热失效风险，其次是传统防隔热-承载一体化热防护结构的散热主要依靠外面板的热辐射，散热能力十分有限。因此，如何在传统防隔热-承载一体化热防护结构的基础上以较低的代价增强结构的散热能力是亟需解决的问题。
3、cn116002041a公开了一种面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，该结构主要依靠毛细结构的发汗冷却进行热防护，由于缺乏隔热能力，因此即使在低热流密度情形下仍然需要通过供应冷却剂实现热防护，存在冷却剂消耗量过大等劣势。此外，该结构的承载-换热层与发汗冷却层均采用均一化设计，而实际高超声速飞行器表面的气动热与压力分布都是十分不均匀的，采用均一化设计很容易出
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构及其应用方法，在传统防隔热-承载一体化热防护结构内部增加了流量网络，并且通过阀门管路的压力控制能够实现冷却模式的实时切换，从而大幅提升一体化热防护结构的冷却能力并且冷却剂消耗量较少，具有较好的技术创新性与工程实用性。
2、一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构，依次包括内面板、承载腹板、隔热材料和外面板；所述的内面板内部设有冷却剂输送通道，冷却剂输送通道内设有节流阀；所述的承载腹板内部设有冷却剂换热通道；承载腹板采用具有承载能力金属材料或者复合材料加工而成；所述的隔热材料为热导率低于0.05w/m·k、密度小于50kg/m3、耐温超过1000k的材料；所述的外面板内部设有多孔结构，孔隙率不超过0.25，孔径不大于1毫米；每一段冷却剂输送通道和两段冷却剂换热通道构成一个三角形通道单元，三角形通道单元顶点与多孔结构相连通，并排的三角形通道单元之间在底边共用一个所述的节流阀。
3、所述的冷却剂输送通道的管径不小于5毫米；所述的冷却剂换热通道的管径不大于1毫米。
4、所述的一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构，所述的防护结构的进口和驱动泵相连，防护结构的出口和背压阀相连，驱动泵和背压阀之间设有冷却剂储箱。
5、所述的防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构的应用方法，当高速飞行器的气动加热量不大时，结构依靠外面板向外的热辐射和隔热材料的隔热作用实现内部机体结构的热防护；当飞行器气动加热量较大时，启动冷却剂驱动泵将冷却剂从储箱泵入位于内面板内部的冷却剂输送通道，并通过输送通道将冷却剂泵送到热防护结构的各区域进行主动对流冷却，从而弥补外面板辐射散热量不足的问题，实现热防护；当飞行器气动加热量进一步增大时，通过调节背压阀提高冷却剂输送通道的运行压力，增大冷却剂输送通道与外部大气的压力差，从而使得部分冷却剂分流进入位于承载腹板中的换热通道，冷却剂换热后形成的蒸汽经过外面板内部的多孔结构进入外部流场，可通过隔绝外界高温气体实现主动抑制气动加热的效果。
6、所述的防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构的应用方法，在冷却剂输送通道内布置了节流阀以局部节流的形式提高上游换热通道的分流流量从而实现了气动热分布与冷却剂流量的匹配，提高了冷却剂的使用效率。
7、所述的防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构的应用方法，冷却剂输送通道内冷却剂的流动方向与外面板外部气流的流动方向一致。
8、与现有技术相比，本专利技术的有益之处在于：第一，在传统防隔热-承载一体化热防护结构的基础上增强了冷却剂流量网络，实现了结构冷却的能力的大幅提升，能够有效应对极高的热流密度环境。第二，在冷却剂流量网络中布置了控制阀，通过调整压力环境可实现一体化热防护结构冷却模式的灵活切换以及冷却剂流量的精细化分配，与传统冷却增强方案相比具有更好的技术创新性与工程实用性。
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1.一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构，其特征在于：依次包括内面板（1）、承载腹板（2）、隔热材料（3）和外面板（4）；
2.如权利要求1所述的一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构，其特征在于：所述的冷却剂输送通道（5）的管径不小于5毫米；所述的冷却剂换热通道（6）的管径不大于1毫米。
3.如权利要求1所述的一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构，其特征在于：所述的防护结构的进口和驱动泵（9）相连，防护结构的出口和背压阀（10）相连，驱动泵（9）和背压阀（10）之间设有冷却剂储箱（11）。
4.一种如权利要求1所述的防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构的应用方法，其特征在于：当高速飞行器的气动加热量不大时，结构依靠外面板（4）向外的热辐射和隔热材料（3）的隔热作用实现内部机体结构的热防护；当飞行器气动加热量较大时，启动冷却剂驱动泵（9）将冷却剂从储箱（11）泵入位于内面板（1）内部的冷却剂输送通道（5），并通过输送通道（5）将冷却剂泵送到热防护结构的各区域进行主动对流冷却，从而弥补外面板（4）辐射散热量不足的问题，实现热防护
5.如权利要求4所述的防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构的应用方法，其特征在于：在冷却剂输送通道（5）内布置了节流阀（8）以局部节流的形式提高上游换热通道（6）的分流流量从而实现了气动热分布与冷却剂流量的匹配，提高了冷却剂的使用效率。
6.如权利要求4所述的防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构的应用方法，其特征在于：冷却剂输送通道（5）内冷却剂的流动方向与外面板（4）外部气流的流动方向一致。
...【技术特征摘要】
1.一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构，其特征在于：依次包括内面板（1）、承载腹板（2）、隔热材料（3）和外面板（4）；
2.如权利要求1所述的一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构，其特征在于：所述的冷却剂输送通道（5）的管径不小于5毫米；所述的冷却剂换热通道（6）的管径不大于1毫米。
3.如权利要求1所述的一种防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构，其特征在于：所述的防护结构的进口和驱动泵（9）相连，防护结构的出口和背压阀（10）相连，驱动泵（9）和背压阀（10）之间设有冷却剂储箱（11）。
4.一种如权利要求1所述的防隔热-承载-主动冷却一体化热防护结构的应用方法，其特征在于：当高速飞行器的气动加热量不大时，结构依靠外面板（4）向外的热辐射和隔热材料（3）的隔热作用实现内部机体结构的热防护；当飞行器气动加热量较大时，启动冷却剂驱动泵（9）将冷却剂从储箱（11）泵入位于内面板（1）内部的冷却剂输送通道（5），...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱云龙，佟川，陈伟芳，胡文杰，吴昌聚，
申请(专利权)人：浣江实验室，
类型：发明
国别省市：
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