[发明专利]自适应抵御激波的超声速气膜冷却装置及使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高超音速飞行器高温部件的热防护装置及方法,特别是关于一种在高温超声速气流中存在强激波入射时壁面超声速气膜冷却的热防护装置及方法。

背景技术

气膜冷却自上世纪70年代开始作为航空燃气轮机的一种冷却方法使用以来，目前已成为了现代燃气轮机高温部件的主要冷却措施。在其他领域，气膜冷却作为一种有效的主动冷却方式也被广泛应用。由于气膜冷却结构简单、冷却效果好等特点，冷却气体切向喷入还能起到降低壁面摩擦的作用，气膜冷却还被纳入火箭高温部件冷却、高超声速飞行器热端部件冷却的考虑范围。

超声速气膜冷却与亚声速情况下的气膜冷却存在差别，原因主要在于一方面超声速情况下气体可压缩的影响表现得更加明显；另一方面在超声速流场中，常常伴随着激波的出现，激波入射气膜边界层往往对超声速气膜冷却造成影响。

已有研究表明，在强激波的入射情况下，激波将引起气膜冷却边界层分离，冷却流体和主流掺混增强，从而破坏超声速气膜冷却效率，有研究表明在强激波入射后，由于边界层的分离导致激波入射点后超声速气膜冷却不再起作用。

在发生激波入射的情况下，通过改变壁面结构或者流场结构等，削弱激波对超声速气膜冷却的破坏作用对于超声速气膜冷却的实际应用具有重要意义。因此，发展和开发出能够自适应抑制流场中激波破坏的超声速气膜冷却结构对于其实用性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能用于高超飞行器中热防护部件在出现激波作用时，可以根据激波的出现以及激波的强度自适应的产生等离子体注入气膜冷却边界层内，从而能有效的抵御激波对于超声速气膜冷却边界层破坏的超声速气膜冷却结构及其使用方法。

超声速流场中，当局部流动参数或者结构的改变可能诱发产生激波，对于采用超声速气膜冷却的壁面而言，如果强激波入射到气膜冷却边界层上，此时原有设计的超声速气膜冷却结构有可能不能完全抑制住激波的破坏效果，冷却效果将降低甚至失效。为抑制激波的这种破坏作用，本发明的技术方案提供一种可以根据激波的出现以及激波强度的大小，自适应对激波作用区域气膜边界层注入一定量的等离子体，达到抑制激波的破坏效果。

一种等离子体激励自适应激波作用的超声速气膜冷却装置，包括超声速气膜冷却流通道、喷嘴、受保护壁面、压力监测管道、压力开关组、电源、电介质、电极A、电极B以及连接电路。

该装置包括：超声速气膜冷却流通道、喷嘴、受保护壁面、压力监测管道、压力开关组、电源、电介质、电极A、电极B以及连接电路；超声速气膜冷却流通道位于高温主流的流入侧下方，超声速气膜冷却流通道的端部设置有喷嘴，喷嘴用于喷入冷却气体对受保护壁面进行热保护，在受保护壁面易受到诱发的激波影响的区域设置电介质和电极B，电介质设置在受保护壁面中，电极B植入电介质下，电极A设置在电极B一侧，并靠近喷嘴，电极A贴附在受保护壁面上，电极A与电极B均与电源连接，压力监测管道为金属管道组成，其一端布置在受保护壁面监测点处，另一端布置在压力开关组上，压力开关组包括多个压力开关，每个压力开关都与电源连接，根据不同的激波强度，可以连通不同的电路，不同的电路对应不同的电压值，从而产生不同量的等离子体，电源的电压输出值为多档，根据压力开关组连通的不同电路输出对应的电压值。

冷却气体超声速气膜冷却流通道和喷嘴用于维持正常工况的热负荷，在实际运行过程中，冷却流体通过超声速气膜冷却流通道后经喷嘴平行于高温主流喷入，覆盖在受保护壁面上，从而对受保护壁面进行有效的热防护。

压力监测管道为金属管道组成，根据实际结构选择合适的管道直径，其一端布置在受保护壁面监测点处，另一端布置在压力开关上。其功能在通过和受保护壁面直接接触，当局部受到激波的作用时，流体压力升高，通过压力监测管道可以将激波的高压传递至压力开关处，从而达到打开压力开关的作用。

压力开关组通过合适的计算和设计，当流场中出现激波的情况下，根据不同的激波强度，可以连通不同的电路，不同的电路对应不同的电压值，从而可以最终产生不同量的等离子体。

电源可以为交流电源或者直流电源，其电压输出值可以为多档，根据压力开关组连通的不同电路输出对应的电压值。

电极A贴附在受保护壁面上，厚度不大于0.2毫米，电极B植入电介质下，电介质材料安装在受保护壁面中。

本发明设计中，可以根据不同的激波强度产生不同量的等离子体，可以实现对多种强度激波的抵御作用。

附图说明

图1为本发明实施例的方案示意图；

图2为本发明实施例的方案中受保护壁面监测点处示意图；