[发明专利]一种小尺度强化换热结构

说明书

本发明提供一种小尺度强化换热结构，可作为高超声速飞行器尖端前缘或进气道溢流口部位使用，包括蒙皮、高导热结构、强化换热微结构以及进出口结构，通过高导热结构将局部热斑区域热流进行三维均匀扩散，同时通过强化换热微结构控制冷却介质的流动、换热和裂解过程，在溢流口区域或尖端前缘区域完成充分热交换。本发明提供的强化换热结构，其结构简单，工作可靠，成本低廉，能够完成传统主动冷却技术无法完成的任务，并拓宽传统主动冷却技术的工作边界。

技术领域

本发明属于高超声速进气道溢流口部位及尖端前缘部位主动热防护领域，涉及一种小尺度强化换热结构，尤其涉及一种作为高超声速飞行器尖端前缘或进气道溢流口部位使用的的小尺度强化换热结构。

背景技术

对于高超声速飞行器来说，进入飞行器各个部位内部的热量由于外部气动加热的巨大差异而呈现出巨大的差别，尖端前缘、溢流口以及燃烧室部位承受着巨大的气动加热或化学反应，热流密度可高达40MW/m²，成为热防护需解决的主要问题。对于溢流口来说，考虑到进气道型面及波系配置，要求溢流口处防热实现非烧蚀。同时，溢流口处结构温度梯度大，热应力问题突出，对防热材料的抗氧化性能以及抗应力破坏性能提出了很高的要求。

目前，满足溢流口热防护需求可选择的方式可能有：1、热沉式热防护，即采用耐高温的复合材料或难熔金属等材料直接成型溢流口型面，然而在高超声速来流情况下，该类材料易产生烧蚀、冲刷从而导致溢流口区域型线改变，影响发动机进气特性及性能。2、采用热管冷却等方式，热管内主要材料为钾、钠等金属，高温条件下溶解，并通过热管内毛细现象完成热疏导任务。但该方法金属融化的响应时间较长，无法满足溢流口热环境突发变化的工作需求。3、采用传统主动冷却方式完成溢流口小尺度高热流密度区域的换热任务，传统主动冷却方法为在小尺度管道内通入冷却介质超临界煤油，利用壁面导热及燃油的对流换热达到冷却溢流口的目的。然而传统主动冷却装置主要针对发动机燃烧室热环境设计的，燃烧室区域主动冷却为大面积热防护，热流密度为1MW/m²，而溢流口区域热环境的主要特点是局部区域尺度小，冷壁热流密度分布不规律，最高处可达40MW/m²，壁面导热与对流换热热阻过大，会出现几十兆瓦的热斑，若采用主动冷却方法，需要用极大量的冷却介质，然而大量的冷却介质仍然无法降低溢流口温度到高温合金的安全温度(1200K)以下，因此传统主动冷却设计无法满足溢流口热防护需求。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为解决上述问题，本发明提供一种小尺度强化换热结构。

本发明的技术解决方案：

一种小尺度强化换热结构，包括蒙皮、变厚度的高导热结构、强化换热微结构以及进出口结构，其中：

所述蒙皮的外形与需要热防护的部件形状保持一致；

所述变厚度的高导热结构的外形与蒙皮的外形保持一致，前端具有热流扩散区域，所述热流扩散区域的厚度大于变厚度的高导热结构的其他部位厚度；

所述进出口结构的两端分别设有冷却介质的进口和出口，且两端与所述变厚度的高导热结构过盈配合连接，两者之间形成一密闭流道腔体；

所述强化换热微结构置于变厚度的高导热结构与进出口结构形成的流道腔体中，其大小由流道腔体大小决定，且强化换热微结构上均匀分布m排×n列矩阵排列的若干微换热体；

所述变厚度的高导热结构、强化换热微结构以及进出口结构组成的结构被所述蒙皮包裹。