[发明专利]一种疏导相变复合柔性热防护结构及其在可变形飞行器中的应用

说明书

本发明公开了一种疏导相变复合柔性热防护结构及其在可变形飞行器中的应用，柔性热防护结构由外侧至内侧依次为防热层、疏导层和相变层；其中，防热层由柔性防热材料基体及其表面的纤维增韧高发射率隔热涂层构成；疏导层由多层金属箔和/或多层导热石墨片叠加构成；相变层由若干个独立的相变封装单元组成，各相变封装单元均匀分布在疏导层内侧；该柔性热防护结构能够灵活适应飞行器外形变化、提高热流调控能力，具有防隔热、导热和吸热的综合防护效果，满足可变形飞行器热防护的应用要求，解决了飞行器表面温度分布不均匀、高温区域动态变化的问题。

技术领域

本发明涉及一种热防护结构，特别是涉及一种疏导相变柔性热防护结构，还涉及其在可变形飞行器中的应用，属于空天飞行器热防护技术领域。

背景技术

空天飞行器的飞行高度和速度变化范围大，传统的固定外形难以始终保持最佳的气动性能。可变形飞行器能够根据不同的工况和任务灵活改变气动构型，以适应更宽的速域和空域，达到全阶段性能优化。可变形飞行器在改变气动构型过程中，周围流场将随之发生改变，不同的构型导致激波位置和驻点区域发生移动。热防护结构不仅需要匹配可变的外形，还面临温度分布极不均匀、高温区域随构型改变而转移等复杂挑战。

因此，需要对热防护结构进行柔性化设计以适应飞行器外形的改变，在结构内部调控不同区域的热流流向使温度分布趋于均匀化，减小显著高温区域的范围，同时增强结构的温度控制能力以满足现有材料的性能要求。

疏导结构利用高导热材料的物理特性将高温区热流快速传导到大面积低温区，降低高热流区的表面温度，使整个疏导层趋于等温体，减轻材料与结构抵抗驻点超高温的负担，疏导结构适用于局部加热严重且温度分布不均匀的区域。相变材料在工作温度下发生相变，以潜热形式吸收热量，而自身温度基本保持不变。相变材料可以不受表面温度变化的影响，有效控制温度范围，维持承载结构和仪器载荷正常的工作状态，如果能够将疏导结构进行柔性设计并将相变材料经过柔性封装设计有利于改善可变形飞行器的热防护性能。

发明内容

针对现有技术中热防护结构变形能力差、难以应对非均匀热流等问题，使其难以满足可变形飞行器热防护的应用要求，本发明的第一个目的是在于提供了一种能够灵活适应飞行器外形变化、提高热流调控能力的柔性热防护结构，其具有防隔热、导热、吸热的综合防护效果，满足可变形飞行器热防护的应用要求。

本发明的第二个目的是在于提供了一种疏导相变柔性热防护结构的应用，将柔性热防护结构在用于可变形空天飞行器外表面热控时，固定于热流区域表面，柔性热防护结构可以在各个方向上进行变形，且由于其具有较高的柔性和热防护能力，能有效地保护内部结构的热安全。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种疏导相变复合柔性热防护结构，由外侧至内侧依次为防热层、疏导层和相变层；所述防热层由柔性防热材料基体及其表面的纤维增韧高发射率隔热涂层构成；所述疏导层由多层金属箔和/或多层导热石墨片叠加构成；所述相变层由若干个独立的相变封装单元组成，各相变封装单元均匀分布在疏导层内侧；所述相变封装单元包括封装壳体，所述封装壳体内部具有空腔，所述空腔内部设有导热骨架和填充有相变基体。

为解决空天飞行器温度分布不均匀、高温区域动态变化导致局部温度超过结构承受极限的问题，本发明设计的柔性热防护结构在用于可变形空天飞行器外表面热控时，固定于热流区域表面，柔性热防护结构可以在各个方向上进行变形，且由于其具有较高的柔性和热防护能力，能有效地保护内部结构的热安全。本发明设计的疏导相变复合柔性热防护结构，通过疏导式热传递方式，将高热流密度区的热量传输到机身大面积低温区，利用相变吸热、辐射散热的组合方式将热量吸收或释放。制定高效热传导方案和相变吸热方案的材料选择、结构方式以及各部件之间的连接组合形式，利用热传导方程理论解析和数值仿真模拟的方法，通过结构优化设计，最终获得完善高效的轻质柔性热防护结构。