一种可长期贮存的恒温热屏蔽结构的制作方法

本发明涉及一种可长期贮存的恒温热屏蔽结构，可用于承受力热载荷的飞行器结构，属于热结构设计领域。

背景技术：

飞行器在大气层内高速飞行时，承受着气动力和气动热载荷，为了保证飞行器完整性、并为人员和设备提供合适的环境，飞行器需要设计热防护系统。

目前的热防护系统可以分为被动、半主动和主动防热：被动防热靠吸收和辐射气动热进行防热，主要采用热沉结构和隔热式结构，是最成熟的防热技术，但是结构效率较低，当热流载荷较严酷时结构重量较大；半主动和主动冷却热防护系统均利用冷却工质(固态、液态、气态)阻止或带走热流，主动冷却热防护系统一般采用推进剂作为冷却工质，需要增压系统保证冷却工质的供应和循环，系统较为复杂，如果结构本身没有增压系统就需要额外配置、会降低结构效率；而半主动热防护系统采用结构中某种材料作为冷却工质(一般为低熔点金属)，不需要额外的系统提供冷却工质或进行冷却工质的循环，结构较为简单，防热结构效率较高，但是目前还很少应用，面临的主要问题是外壁面加热不均会出现局部烧穿(称为“热点”)，且发汗孔容易被未完全相变工质、熔融物和烧蚀物堵塞，导致相变工质不能顺畅排除，影响热防护系统的可靠性。

被动热防护系统和烧蚀热防护系统已经在飞行器上大量应用，但是结构效率较低；主动热防护系统较为复杂，且专门配置辅助驱动系统会降低结构效率；结构简单且效率较高的半主动发汗冷却系统也应用较少，面临的主要问题是发汗孔容易被未完全相变工质、熔融物和烧蚀物堵塞、工质不能顺畅排除的问题。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种可长期贮存的恒温热屏蔽结构，是一种防热效率高、系统简单可靠、舱内热环境“舒适”、可长期贮存的防热承载一体化系统，解决了目前防热系统结构效率较低、系统复杂、可靠性低的问题。

本发明的技术方案是：

一种可长期贮存的恒温热屏蔽结构，包括：承力结构、高温隔热层、支撑环和密封结构；

高温隔热层套装在承力结构外部形成圆筒结构；

高温隔热层和承力结构作为气体流道固定安装有多个支撑环；

承力结构为中空结构，中空结构的内部贮存有凝胶状态的水；承力结构上设置有排气通道，承力结构中贮存凝胶状态的水汽化吸热，排气通道用于使包括水蒸气、水滴和气凝胶残渣的气态液态固态三相流物质从所述排气通道中排出；

高温隔热层用屏蔽外部热流；

多个支撑环沿圆筒结构的轴向方向上阵列；

支撑环包括：横向气流减速罩和纵向气流减速罩；

横向气流减速罩为截面为凹字型的环状结构，横向气流减速罩凹字型的环状结构的开口方向朝向承力结构的排气通道；横向气流减速罩凹字型的环状结构的一个自由端固定连接承力结构，横向气流减速罩凹字型的环状结构的另一个自由端不接触承力结构形成缝隙；

横向气流减速罩的作用是将小孔中排出的气态液态固态三相流物质减速，减少水滴和气凝胶残渣随水蒸气的飞出，将水滴和气凝胶残渣贮存、提高水的相变比率，同时减缓防热层界面受到的气流冲击；

纵向气流减速罩为截面为凹字型的环状结构，纵向气流减速罩位于横向气流减速罩的下部，纵向气流减速罩凹字型的环状结构的开口方向朝向其上部的横向气流减速罩；纵向气流减速罩的两个自由端分别固定连接承力结构和高温隔热层；

纵向气流减速罩的底部设置有向上突出的锥孔，锥孔作为水蒸气的排出通道。

承力结构中固定安装有多个隔板，所述隔板将承力结构的中空结构划分为多个互不连通的独立空强。

每个空强的内部填充有水凝胶。

每个空强朝向高温隔热层一侧的壁面均加工有小孔，小孔作为水凝胶受热汽化后的排气通道。

密封结构固定安装在气体流道的顶部。

贮存时，密封结构的出气孔通过填充材料密封处理。

工作时，密封结构出气孔中的材料在温度和压力作用下脱落，使气体流道与外界连通。

高温隔热层为高密度烧蚀材料或防隔热材料。支撑环的材料为铝合金。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明结合了高温隔热层的热屏蔽优势和水的相变潜热高的优势，提高结构防热效率，并利用水相变温度低且稳定的优势，为内部结构提供稳定的“舒适”环境；

2)本发明水以水凝胶的方式贮存在中空承力结构中，实现了防热承载一体化，工质受热气化排除，不需要额外驱动装置，提高了结构效率；

3)本发明气流通道中设计了横向流动通道，工质具有很强的横向流动性，解决了局部严重加热时的“热点”问题，提高了结构可靠性；

4)本发明气流排出通道与防热层分离，不在最外层、温度较低，解决了熔融物或烧蚀物堵塞发汗孔的问题。

附图说明

图1为本发明恒温热屏蔽结构的整体图；

图2为本发明恒温热屏蔽结构的剖面图；

图3为本发明气流通道顶部的密封结构图；

图4为本发明支撑环剖面局部放大图；

图5为本发明支撑环的结构图；

图6为两种防热结构的重量和防热效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

本发明一种可长期贮存的恒温热屏蔽结构如图1、2所示，包括：承力结构1、高温隔热层3、支撑环4。高温隔热层3套装在承力结构1外部形成圆筒结构；高温隔热层3和承力结构1作为气体流道2固定安装有多个支撑环4；承力结构1为中空结构，中空结构的内部贮存有凝胶状态的水；承力结构1上设置有排气通道，承力结构1中贮存凝胶状态的水汽化吸热，排气通道用于使包括水蒸气、水滴和气凝胶残渣的气态液态固态三相流物质从所述排气通道中排出。

高温隔热层3用屏蔽外部热流。

多个支撑环4沿圆筒结构的轴向方向上阵列。支撑环4包括：横向气流减速罩7和纵向气流减速罩8，如图4、5所示。

横向气流减速罩7为截面为凹字型的环状结构，横向气流减速罩7凹字型的环状结构的开口方向朝向承力结构1的排气通道；横向气流减速罩7凹字型的环状结构的一个自由端固定连接承力结构1，横向气流减速罩7凹字型的环状结构的另一个自由端不接触承力结构1形成缝隙。

横向气流减速罩7的作用是将小孔12中排出的气态液态固态三相流物质减速，减少水滴和气凝胶残渣随水蒸气的飞出，将水滴和气凝胶残渣贮存、提高水的相变比率，同时减缓防热层界面受到的气流冲击。

纵向气流减速罩8为截面为凹字型的环状结构，纵向气流减速罩8位于横向气流减速罩7的下部，纵向气流减速罩8凹字型的环状结构的开口方向朝向其上部的横向气流减速罩7；纵向气流减速罩8的两个自由端分别固定连接承力结构1和高温隔热层3。

纵向气流减速罩8的底部设置有向上突出的锥孔9，锥孔9周向均布。锥孔9作为水蒸气的排出通道。

纵向气流减速罩8进一步对气流减速，减少气流中的水滴和气凝胶残渣，并作为液态水贮存器。

承力结构1中固定安装有多个隔板11，所述隔板11将承力结构1的中空结构划分为多个互不连通的独立空腔6。每个空腔6的内部填充有水凝胶，利用水凝胶受热汽化成水蒸汽，汽化吸热；保证内部结构温度不超过水的汽化温度。

每个空腔6朝向高温隔热层3一侧的壁面均加工有周向均布的小孔12，小孔12作为水凝胶受热汽化后的排气通道。水凝胶受热排出物为气液固三相流，包括：水蒸气、水滴、气凝胶残渣。高温隔热层3为高密度烧蚀材料或防隔热材料，利用表面高温阻挡气动热流并利用其辐射散热能力。

本发明一种可长期贮存的恒温热屏蔽结构如图3所示，还包括：密封结构5。密封结构5固定安装在气体流道2的顶部。贮存时，密封结构5的出气孔10通过填充材料石蜡密封处理。工作时，密封结构5出气孔10中的材料在温度和压力作用下脱落，使气体流道2与外界连通。

本发明实施例中支撑环4的材料为铝合金。

实施例

以圆柱壳段为例，气动热流条件如表1所示，设计目标是将承力结构1的内壁温度控制在120℃以内。

本发明的热防护结构参数为：

1)圆柱壳的外径为1m，高度为尺寸为500mm；承力结构1的总厚度为7mm，气流通道2的宽度为5mm，高温隔热层3材料为高硅氧/酚醛、厚度为5mm。

2)承力结构1的材料为铝合金，壁厚为1mm；隔板11的间距为20mm，空腔内填充水凝胶；出气孔12的直径为1mm；

3)气流通道2中支撑环4为铝合金，纵向分布间距为20mm、壁厚为1mm；横向气流减速罩7的宽度为4mm、高度为4mm、上端翻边宽度为2mm；纵向气流减速罩8与横向气流减速罩7的间距为4.5mm，与承力结构1的连接面宽度为4mm，与高温隔热层3的连接面宽度为4mm；锥孔9的底部直径为3mm，顶部直径为1mm、高度为2mm；密封结构5的宽度为5mm、高度为5mm，壁厚1mm，出气孔10的直径为1mm；

与之相对照，传统防热套结构参数为：

1)圆柱壳的外径为1m，高度为尺寸为500mm，分为内部铝合金承力壳体和外部防热层；

2)内部铝合金壳体与本发明中铝合金结构按等重量设计，模拟热沉，厚度为2.5mm；

防热层材料为高硅氧/酚醛，与本发明中防热层和水凝胶的重量相同，厚度为12.3mm。

两种防热结构的重量和防热效果如表3和图6所示，使用时间内结构温度基本相同的情况下，本发明防热结构要比传统防热套结构减重25.6％。本发明相对于传统防热套结构的结构效率有显著提高。

表1冷壁热流条件

表2材料性能

表3本发明结构与传统防热套结构对比

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除