[发明专利]伸缩式气动杆与侧向喷流相结合的复合减阻降热装置

说明书

本发明公开了一种伸缩式气动杆与侧向喷流相结合的复合减阻降热装置，它包括高压储罐、连接管路、控制阀门、驱动泵、微通道换热管路、超声速喷管、侧向喷流喷口、金属杆和隔热外壳。该装置初始安装在飞行器端头内部，当飞行器达到高超声速时，该装置从飞行器头部伸出，将脱体激波转化为斜激波，并且通过侧向喷流增大了斜激波的夹角，避免了斜激波在飞行器表面的再附，实现减阻与降热。喷流工质选用二氧化碳，高压储罐内的液态二氧化碳通过驱动泵的泵送进入微通道换热管路后吸收气动加热输入的热量，从液态变为超临界态进行对流换热，随后进入超声速喷管膨胀、加速，压力与温度降低，从低速超临界态变为高速气态，最终通过侧向喷流喷口喷向外界。

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器的减阻降热领域，具体地，涉及一种伸缩式气动杆与侧向喷流相结合的复合减阻降热装置。

背景技术

减阻和降热是高超声速飞行器面临的两大难题。强烈的气动加热现象会导致机体材料热失效，而极大的激波阻力则成为了追求更高速度、更大航程的严重障碍。对于高超声速飞行器，一方面，其阻力成分以激波阻力为主，激波脱体距离越小，则激波阻力越大；而另一方面，较小的激波脱体距离同时也增大了飞行器表面的温度梯度，使得气动加热更为严重。因此，高超声速飞行器的减阻与降热均可以通过改变激波构型、增大激波脱体距离实现。

专利申请CN1994824A公开了一种气动杆与侧向脉冲爆炸喷流相结合的防热、减阻装置，该装置通过液态可燃工质的沸腾换热带走输入气动杆和飞行器端头的气动热，然后通气态可燃工质与高温来流的混合爆炸降低了飞行器头部密度场，实现减阻效果。然而，高超声速飞行时具有极高的总压和极大的气动热，受此影响，可燃液体的沸腾换热若采用较粗的换热管道就无法带走足够的热量，而采用较细的微管道则容易因为工质的快速膨胀产生堵塞，此外，由于缺少超声速喷管，该气态可燃工质无法加速到超声速状态，因此其与高速来流的混合区域仅局限在喷口附近，难以大幅改变激波结构。因此，为了满足减阻、降热需求，需要选择更为高效的换热方案并且改进射流系统，形成全新的组合式流动控制减阻降热方法，为高超声速飞行器向更高速度、更大航程发展提供新的技术途径。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种伸缩式气动杆与侧向喷流相结合的复合减阻降热装置，本发明具有调控灵活、减阻降热效果突出等显著优势。

一种伸缩式气动杆与侧向喷流相结合的复合减阻降热装置，依次包括二氧化碳高压储罐、连接管路、控制阀门、驱动泵、气动杆，其中气动杆可根据飞行状态调节伸出飞行器的长度；所述的气动杆包括内部金属杆和外部隔热外壳，金属杆的外表面设有螺纹槽，隔热外壳固定套在金属杆的外面，隔热外壳内表面与金属杆外表面上的螺纹槽形成微通道换热管路，所述的金属杆内部设有超声速喷管；所述的气动杆的自由端部的侧表面上设有侧向喷流喷口。

所述的超声速喷管包括喷管收缩段、喷管喉道和喷管扩张段。

所述的微通道换热管路采用双螺旋设计，冷却工质先通过微通道换热管路中的前进螺纹槽从金属杆根部流向金属杆端部，然后再通过回退螺纹槽从金属杆端部返回金属杆根部。

一种所述的装置的应用方法，二氧化碳在高压储罐内为液态，通过驱动泵的泵送作用进入微通道换热管路后吸收热量、升高温度，当二氧化碳温度超过临界温度时，二氧化碳将从液态变为超临界态，流出微通道换热管路后，超临界态的二氧化碳将进入超声速喷管，二氧化碳在超声速喷管内膨胀、加速、降压、降温，从低速超临界态转变为高速气态，流出超声速喷管的高速气态二氧化碳最终通过侧向喷流喷口喷向外界；气动杆初始安装在飞行器端头内部，当飞行器速度达到高超声速时，从飞行器头部伸出，将来流脱体激波转化为斜激波，并且通过侧向二氧化碳喷流增大了斜激波的夹角，避免了斜激波在飞行器表面的再附。

本发明的有益之处在于：

第一，采用伸缩式气动杆在高超声速环境下将弓形激波转变为斜激波，配合超声速侧向喷流增大激波角，极大地增加了激波到飞行器表面的距离，降低了飞行器表面的壁面压力和温度梯度，具有突出的减阻和降热效果。