[发明专利]主动冷却隔热罩系统以及包括其的载具

说明书

一种主动冷却隔热罩系统包括隔热罩、罐、泵、换热器，以及涡轮。隔热罩限定载具的迎风侧。罐储存冷却剂。泵接收来自罐的冷却剂并且输出加压冷却剂。换热器与隔热罩一体连接。换热器接收来自泵的加压冷却剂，将热从隔热罩传递至加压冷却剂以生成加热流体并输出该加热流体。涡轮包括入口、轴，以及出口。入口接收从换热器输出的加热流体。轴联接到泵并且包括涡轮叶片。轴在从换热器接收的加热流体作用在涡轮叶片上时旋转并向泵供能。出口输出加热流体。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年12月3日提交的美国临时专利申请No.62/942,886的优先权，其内容通过引用以其整体并入在本文中。

技术领域

本公开大体上涉及用于经受高水平加热的载具的冷却系统。本公开更具体地涉及用于在火箭和其他载具中使用的主动冷却隔热罩系统，所述火箭和其他载具以高超音速或以高于高超音速行进，诸如太空再入载具、飞行器以及导弹。

背景技术

用于火箭的类似于飞行器的可重复使用性长期以来一直是火箭技术的“圣杯”，这是由于巨大成本效益的潜力。回收和重复使用多级火箭系统的上级火箭(例如，两级火箭系统的第二级火箭)的能力仍然是行业尚未解决的重大技术差距。由于恶劣的再入环境以及与稳健的重复使用所需的增加的结构质量相关联的性能损失，重复使用多级火箭的上级具有挑战性。上级火箭典型地以最小的结构和复杂性建造，因为第二级的任何质量增加是有效载荷容量中的1:1减少。因此，重新使用上级火箭在增加最少的质量的情况下需要大量的附加功能。

以高超音速或以高于高超音速行进的火箭和其他载具(例如，太空再入载具、飞行器、导弹等)需要一种器件，该器件用以保护它们自身免受在如此高的速度下发生的加热。用于减轻此类加热的常规解决方案包括使用下者中的一者或多者：(i)烧蚀材料，其遭受热解并生成在边界层中向下游移动以形成保护膜层的气体；(ii)高温材料(例如，陶瓷、碳-碳等)；(iii)复合材料，其使基部材料绝缘并且辐射热远离该基部材料；以及(iv)蒸发冷却，其涉及使用由穿过半多孔壁的气体提供的薄保护膜。

现有的热管理解决方案具有成本、操作和/或质量影响，它们可能不能有利地在某些应用(诸如可重复使用的载具)中互相妥协。例如，烧蚀材料和易碎陶瓷与高度可重复使用的系统不兼容。隔热罩的蒸发冷却成本高且难以控制。所需要的是一种高度稳健、高度可控且非常适合长期可重复使用的冷却系统。

本发明的方面涉及这些及其他问题。

发明内容

根据本发明的方面，一种主动冷却隔热罩系统包括隔热罩、罐、泵、换热器以及涡轮。隔热罩限定载具的迎风侧。罐搭载在载具上并且被构造成储存冷却剂。泵搭载在载具上并且被构造成接收来自罐的冷却剂并输出加压冷却剂。换热器搭载在载具上并与隔热罩一体连接。换热器被构造成接收来自泵的加压冷却剂，将热从隔热罩传递至加压冷却剂以生成加热流体并输出该加热流体。涡轮搭载在载具上，并且包括入口、轴以及出口。入口被构造成接收从换热器输出的加热流体。轴联接到泵并且包括安装在该轴上的涡轮叶片。轴被构造成在从换热器接收的加热流体作用在涡轮叶片上时旋转并由此向泵供能。出口被构造成输出加热流体。

根据本发明的另一方面，一种载具包括主动冷却隔热罩系统。隔热罩系统包括隔热罩、罐、泵、换热器以及涡轮。隔热罩限定载具的迎风侧。罐搭载在载具上并且被构造成储存冷却剂。泵搭载在载具上，并且被构造成接收来自罐的冷却剂并输出加压冷却剂。换热器搭载在载具上并与隔热罩一体连接。换热器被构造成接收来自泵的加压冷却剂，将热从隔热罩传递至加压冷却剂以生成加热流体并输出该加热流体。涡轮搭载在载具上，并且包括入口、轴以及出口。入口被构造成接收从换热器输出的加热流体。轴联接到泵并且包括安装在该轴上的涡轮叶片。轴被构造成在从换热器接收的加热流体作用在涡轮叶片上时旋转并由此向泵供能。出口被构造成输出加热流体。

根据本发明的另一方面，一种多级火箭系统的可重复使用的上级火箭包括主动冷却隔热罩系统，其将来自高马赫数流动环境的热转换成用以驱动液体冷却剂泵的能量。