一種自適應激波作用的超聲速氣膜冷卻結構的制作方法

本發明涉及一種高超飛行器高溫部件的熱防護方法,特別是關于一種在高溫超聲速氣流中存在激波入射時壁面超聲速氣膜冷卻的熱防護方法。

背景技術：

氣膜冷卻的基本原理是指沿壁面切線方向或以一定的入射角射入冷卻氣體，形成一層貼近受保護壁面的緩沖冷卻氣膜，用以將壁面與高溫氣體環境隔離，從而對壁面進行有效地熱防護和化學防護。目前已成為很多場合高溫部件的冷卻措施，如高溫透平葉片、燃燒室等，也被納入高超聲速飛行器熱端部件的有效冷卻技術之一。

然而在超聲速條件下，常常伴隨著激波的出現，激波入射氣膜邊界層往往對超聲速氣膜冷卻造成影響。已有研究表明，激波的入射將大大破壞超聲速氣膜冷卻的效果。

在超聲速流場中，由于主流和冷卻流流體壓力的不均勻不匹配、通道中流動參數的改變、結構的變化、局部流場中燃爆等因素的影響，都可以誘發激波的產生，從而對壁面的超聲速氣膜冷卻造成危害。對于激波的入射，一種有效的應對其破壞的作用的方法是可以通過增大冷卻氣體流量來抑制激波的作用。然而對于高超飛行器而言，怎樣用最少的冷卻氣體流量實現其熱防護目標是其設計的一個重要指標。因此，發展和開發出能夠自適應抑制流場中激波破壞的超聲速氣膜冷卻結構對于其實用性具有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能用于高超飛行器中高溫部件在出現激波作用時，可以根據激波的出現自適應的改變冷卻流體的噴射方法來實現抑制激波的破壞效果的超聲速氣膜冷卻結構。

超聲速流場中，當主流和冷卻流的流動參數發生改變，或者燃料在流場中局部產生燃爆時，都可能會誘發激波的產生，此時原有設計的超聲速氣膜冷卻結構有可能不能完全抑制住激波的破壞效果，從而將導致受保護壁面受損失效。為抑制激波的這種破壞作用，本發明的技術方案提供一種可以跟隨激波的出現，自適應改變冷卻流噴射方式，達到抑制激波的破壞效果。

一種自適應激波作用的超聲速氣膜冷卻結構，包括壓力監測管道、壓力啟閉閥門以及冷卻氣體超聲速噴嘴。

該裝置具體包括：壓力監測管道、壓力啟閉閥門以及冷卻氣體超聲速噴嘴；所述壓力監測管道包括多個分支，每個壓力監測管道分支均由金屬管道以及微型逆止閥連接組成，每個壓力監測管道分支的一端布置在受保護壁面監測點處，另一端布置在壓力啟閉閥門上，即在受保護壁面處布置多個壓力監測點，每個監測點均設置壓力監測管道分支，并且在每個壓力監測管道分支上均設置微型逆止閥，上述多個壓力監測管道分支最終匯集成一個壓力監測管道，所述壓力監測管道與壓力啟閉閥門連接，所述冷卻氣體超聲速噴嘴設置在高溫主流流入側的下方，其由兩部分組成，通過隔板分開，上部為常用冷卻流通道，下部為應急冷卻流通道，在常用冷卻流通道和應急冷卻流通道的流出端部分別設置有常用流噴嘴和應急冷卻流噴嘴，壓力啟閉閥門設置在應急冷卻流通道的上游，常用冷卻流通道用于維持基本熱負荷，應急冷卻流通道用于當受保護壁面處收到了激波的作用時，冷卻流從下部噴嘴中噴出保護受保護壁面。

壓力監測管道為數個普通的金屬管道以及數個微型逆止閥組成，根據實際結構選擇合適的管道直徑，其一端布置在受保護壁面監測點處，另一端布置在壓力啟閉閥門上。其功能在通過和受保護壁面直接接觸，當局部受到激波的作用時，流體壓力升高，通過壓力監測管道可以將激波的高壓傳遞至壓力啟閉閥門處，從而達到開啟閥門的作用。設置微型逆止閥用來防止數個監測點之間流體出現從激波的高壓區域直接旁通的現象。

壓力啟閉閥門通過合適的計算和設計，當流場中出現激波的情況下，激波作用的壓力超過某一值后，證明激波達到了一定的強度，此時該強度下激波引起的高壓剛好能打開壓力啟閉閥門，從而在此情況下打開應急冷卻流通道，增大冷卻流的流量。

冷卻氣體超聲速噴嘴由兩部分組成，通過隔板分開，上部為常用冷卻流通道，用于維持正常工況的熱負荷，下部為應急冷卻流通道，即當受保護壁面處受到了激波的作用，此時壓力啟閉閥門開啟，冷卻流從下部噴嘴中噴出保護受保護壁面。其中，常用冷卻通道設計在上部的原因還在于，冷卻流通道的上表面和高溫主流相接觸，由于常用冷卻通道中流體一直維持噴入狀態，因此其可以維持住對上表面的冷卻作用。

由于本發明設計中，所涉及到的部件基本為機械結構的部件，所應用的原理基本為機械、流體本身的特性，不涉及到電動控制、電子信號等設備，因此本發明設計方案具有很好的可靠性和實用性。

附圖說明

圖1為本發明實施例的方案示意圖；

其中：1-高溫主流；2-常用冷卻流通道；3-常用冷卻流噴嘴；4-應急冷卻流通道；5-應急冷卻流噴嘴；6-壓力啟閉閥門；7-壓力監測管道；8-微型逆止閥；9-受保護壁面；10-激波；11-高壓區域。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

一種可以根據激波的出現自適應的改變冷卻流體的噴射方法來實現抑制激波的破壞效果的超聲速氣膜冷卻裝裝置，該裝置包括：壓力監測管道7、壓力啟閉閥門6以及冷卻氣體超聲速噴嘴；所述壓力監測管道7包括多個分支，每個壓力監測管道分支均由金屬管道以及微型逆止閥8連接組成，每個壓力監測管道分支的一端布置在受保護壁面監測點處，另一端布置在壓力啟閉閥門6上，即在受保護壁面9處布置多個壓力監測點，每個監測點均設置壓力監測管道分支，并且在每個壓力監測管道分支上均設置微型逆止閥8，上述多個壓力監測管道分支最終匯集成一個壓力監測管道7，所述壓力監測管道7與壓力啟閉閥門6連接，所述冷卻氣體超聲速噴嘴設置在高溫主流(1)流入側的下方，其由兩部分組成，通過隔板分開，上部為常用冷卻流通道2，下部為應急冷卻流通道4，在常用冷卻流通道2和應急冷卻流通道4的流出端部分別設置有常用流噴嘴3和應急冷卻流噴嘴5，壓力啟閉閥門6設置在應急冷卻流通道4的上游，常用冷卻流通道2用于維持基本熱負荷，應急冷卻流通道4用于當受保護壁面處收到了激波的作用時，冷卻流從下部噴嘴中噴出保護受保護壁面。

本發明裝置實際應用中，其運行原理過程如下步驟：

1)超聲速流場中，正常情況下，當高溫主流1流入通道后，通過常用冷卻流通道2引入冷卻流體經常用冷卻流噴嘴3噴入冷卻氣體對受保護壁面9進行熱保護；

2)由于局部流動參數或者結構的變化，誘發激波10的入射，導致冷卻氣體邊界層內壓力升高，形成高壓區域11，激波的入射將破壞冷卻氣體邊界層，從而導致冷卻效果下降；此時，受保護壁面的壓力監測管道7中流體由于和激波作用區域相連，其流體壓力急劇升高；由于產生激波的位置不是固定的，所以在受保護壁面處布置多個壓力監測點，相互之間通過在管道上面設置微型逆止閥8防止激波作用的高壓流體從檢測管道中旁通流出；

3)壓力監測管道7中的流體壓力升高后，高壓流體將頂開壓力啟閉閥門6；

4)壓力啟閉閥門6開啟后，冷卻流體進入應急冷卻流通道4中，通過引入新的一路冷卻流流體經應急冷卻流噴嘴5噴入流場中，對受保護壁面9進行增強冷卻，從而能減少激波的破壞作用；

5)當流場中參數發生改變后，激波強度變弱或者消失，此時壓力監測區域9的流體壓力下降，壓力監測管道7中流體壓力下降，不足以維持打開壓力啟閉閥門6，此時壓力啟閉閥門6關閉，應急冷卻流通道4中冷卻流體關閉。受保護壁面9通過常用冷卻流通道2的流體足可維持其冷卻效果。從而達到節省冷卻流流量的目的。

由以上實施例可以看出，本發明實施例可以方便實現對高超飛行器高溫部件中，當出現激波作用時，可以通過監測激波引起的流體壓力變化而自適應的增加冷卻氣體流量來保護壁面的結構。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護范圍。