复杂构型前缘疏导热防护技术

针对前缘驻点区热流密度高、热流梯度大的特点，基于疏导式热防护思想，研制了一体化疏导式热防护前缘结构.根据力热承载要求，设计了一体化薄壁结构方案，内部充装碱金属工质，在气动加热条件下形成工质相变及输运的热管式闭式循环，实现驻点区热量的快速疏散.通过结构封装、热管充装等工艺流程，实现结构样件，最终通过了飞行试验验证.结果表明，疏导结构启动时间约为94.5 s，疏导效率达到23.4%.      

内嵌定向高导热层疏导式结构热防护机理分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境, 提出内嵌定向高导热层的疏导式热防护系统. 运用数值方法分析了特定条件下内嵌定向高导热层的疏导式系统的防热效果, 外壁面最高温度下降了9.1%, 内壁面最高温度下降了31.5%, 高温区和低温区都被封闭在外层区域, 内层温度更加均匀, 实现了热流由高温区向低温区的转移, 削弱了高温区的热载荷, 强化了整体结构的热防护能力. 研究表明, 随着气动热流密度比与辐射散热面积比的增大, 疏导结构的冷却效果增强. 本文还对疏导防热系统的结构参数和材料参数对冷却效果的影响进行了分析, 为结构的设计和材料的选取提供一定的依据.     

高超声速飞行器热管冷却前缘结构一体化建模分析

针对高超声速飞行器工作时前缘恶劣的气动加热环境, 为了保证飞行器前缘的尖锐外形, 提出内嵌高温热管前缘结构. 针对热管内部复杂流动与换热情况, 对内嵌高温热管前缘结构进行一体化建模, 将模型的核心部件液态金属热管工作状况的计算与实验进行对比以验证模型的可靠性. 本文还分析了给定工况下内嵌高温热管前缘结构的热防护效果, 其中壁面最高温度下降了11.6%, 最低温度上升了8%, 高温区和低温区均被封闭在前缘外层区域, 内层温度更加均匀, 实现了热流由高温区向低温区的转移, 削弱了高温区的热负荷. 本文还分析了接触热阻对热管冷却前缘结构效果的影响. 关键词： 热管 前缘 疏导式热防护 气动热     

疏导式结构在头锥热防护中的应用

针对高超声速飞行器工作时头锥恶劣的热环境,为了保证飞行器头锥的尖锐外形, 提出疏导式热防护结构,利用内置高导热碳材料结构为飞行器头锥提供热防护. 采用流固耦合方法对头锥疏导式防热结构进行了分析,验证了头锥内置高导热碳材料具有较好防热效果, 其中来流马赫数(Ma)为9时头锥前缘壁面最高温度下降了21.9%,尾部最低温度升高了15.2%, 实现了热流由高温区向低温区的转移,削弱了头锥的热载荷,强化了头锥的热防护能力. 本文对外蒙皮结构参数、材料参数以及内部高导热碳材料导热率对头锥热防护性能的影响进行了分析, 其中头锥最高温度随着蒙皮材料导热系数的增加而降低到一个稳定值; 随着蒙皮材料表面黑度的增加而降低;随着蒙皮厚度的增加而升高;随着高导热碳材料导热系数的 增加而呈抛物线下降.     

前缘一体化高温热管结构防热效果的实验研究

为了研究复杂构型前缘一体化高温热管结构在高热流密度状态下的防热效果, 设计了飞行器气动加热轨道, 实现了高温热管低状态完全启动、高状态极限考核。然后采用超声速电弧风洞驻点自由射流结合轨道模拟技术, 模拟乘波体飞行器的前缘疏导构件的气动加热环境, 开展了前缘一体化高温热管结构防热效果研究。实验结果表明, 一体化高温热管结构能够多次使用, 低状态下高温热管的启动时间约为115 s, 在高状态下结构依然有效, 降温系数达到24.5%, 验证了前缘疏导式防热结构的防热效果, 可为未来新型高超声速飞行器非烧蚀热防护系统的设计提供指导。      

基于腔体热管的高超声速翼前缘热防护

针对高超声速飞行翼的气动加热现象,提出了一种基于热管的半主动式热防护方案。该热管为一种楔形腔体热管,工质为碱金属锂。为简化计算,将整个过程解耦为对流区、导热区和气动加热区三个部分。对于对流区,本文采用了文献中提出的"热短路"处理方法,即假设壳体内壁面温度处处相等。对于气动加热区,简化为两段:均匀加热段和均匀散热段,并求出了壳体的温度分布。计算结果表明,温度梯度主要集中在前缘,而在6 MW/m~2的热流下,整个结构的最大温差仅为500 K。热管的存在极大地改变了热流通路,使热流由平行于壁面变成垂直于壁面,从而使热阻大为降低。由于高温区域非常集中,腔体式热管可以大幅节省耐高温材料。     

平板热管均热器与热沉的一体化设计

提出了平板热管均热器与热沉一体化设计的新思路,加工了交叉孔道式一体化平板热管并进行了实验研究。这种与热沉一体化设计的新型平板热管能有效降低导热热阻,完全消除了均热器与热沉间的接触热阻。对不同热流密度下热管工作时的稳态温度进行测试,比较了一体化平板热管和其他传统结构热管的热阻值,验证了该热管良好的性能。     

各向异性导热率对前缘结构热防护性能的影响

高超声速飞行器在高马赫数飞行时,前缘结构要经历严酷的气动加热。炭/炭复合材料是用于前缘结构的理想材料,由于炭/炭复合材料具有各向异性和高导热率,因此本文研究了材料热导率和各向异性结构,以及涂层的热导率对驻点温度的影响。数值模拟的结果表明,基体材料沿热传导方向的热导率对驻点温度有显著的影响,其它方向的热导率对驻点温度影响不大。在基体材料热导率较低的情况下,涂层对驻点温度的影响明显,当基体材料的热导率较高时,涂层对驻点温度的影响较小。     

新型交叉孔道式平板热管的性能研究

提出了一种设计交叉孔道式平板热管的新思路,按照这种方法设计加工的新型结构的平板热管均热器具有较强的轴向和径向导热能力,能明显减小导热热阻;特殊的孔道结构增强了毛细作用力,能有效强化相变换热。实验测试了不同热流密度和不同充液率下该热管正常工作时的稳态温度分布,给出了不同充液率和不同热流下的热阻,得到了热管的最佳充液率,证...     

高超声速飞行器磁控热防护系统建模分析

针对高超声速飞行器防热, 搭建了螺线管磁控热防护系统的物理模型. 采用低磁雷诺数磁流体数学模型, 分析了外加磁场强度及磁场形态对磁控热防护效果的影响. 对比了三种磁场类型(磁偶极子、螺线管、均布磁场)下磁控热防护效果的差异, 分析了螺线管几何参数对磁控热防护效果的影响. 研究表明, 磁场降低表面热流作用存在“饱和现象”; 三种磁场形态的磁控热防护能力从小到大依次为磁偶极子、螺线管、均布磁场; 相同驻点磁感应强度条件下, 增大螺线管半径有利于提高磁控热防护效果, 缩短螺线管与驻点距离不利于驻点和肩部防热, 螺线管长度对磁控热防护效果影响相对较小.     

Investigation on thermal performance of a high-temperature heat-pipe thermal protection structure

Sharp leading edges with a millimeter-scale radius are required for hypersonic vehicles from aerodynamic reasons. However, with the leading edges being so sharp, stagnation regions at wing and tail leading edges suffer a hostile thermal environment. Therefore, a high-temperature heat pipe is considered to be integrated into the structure of the leading edge to reduce the temperature of the stagnation point. In this paper, a superalloy-refractory composite-container-“wall” combined with the wick and working fluid structure is proposed, which is proved to be a feasible design of a heat pipe for the semi-passive thermal protection system (TPS). The effects of different material of the exterior surface on the temperature distributions are investigated. The effect of the half wedge angle, the design length and porosity of the wick is also investigated to find the effect of the geometry of the structure of the leading edge on the operation of the heat pipe.     

翼前缘层板对流冷却结构的防热效果分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境, 设计一种层板对流冷却结构对翼前缘进行热防护. 提出一种壁面冷却效率参数η, 并运用流固耦合的分析方法, 研究了对流冷却结构在特定条件下的冷却效果, 其中采用水冷时头部冷却效率η 值最低为0.25. 研究表明, 对流结构冷却效果与内部冷却槽道深宽比γ 有重要关系, η值随γ 的增大而增大至一个稳定值, 此时冷却效果达到饱和, 若此时γ 继续增加则可能出现不利于冷却的现象. 冷却效果η随着前缘头部半径的减小而减弱. 研究还表明, 当层板对流冷却结构和材料固定时, η 值随冷却剂流量增加而增大, 并逐渐趋近至一个稳定值, 而冷却槽道进出口压差急剧增大. 因此需要综合考虑提高流量给供给系统带来的压力, 选取最佳流量值以达到相对较好的冷却效果. 对于材料而言, 内部冷却通道和外部耐热层都应选择导热系数较高的材料, 能够强化结构传热增强冷却效果.     

Effects of variable properties on MHD heat and mass transfer flow near a stagnation point towards a stretching sheet in a porous medium with thermal radiation

The effect of variable viscosity and thermal conductivity on steady magnetohydrodynamic(MHD) heat and mass transfer flow of viscous and incompressible fluid near a stagnation point towards a permeable stretching sheet embedded in a porous medium are presented,taking into account thermal radiation and internal heat genberation/absorbtion.The stretching velocity and the ambient fluid velocity are assumed to vary linearly with the distance from the stagnation point.The Rosseland approximation is used to describe the radiative heat flux in the energy equation.The governing fundamental equations are first transformed into a system of ordinary differential equations using a scaling group of transformations and are solved numerically by using the fourth-order Rung-Kutta method with the shooting technique.A comparison with previously published work has been carried out and the results are found to be in good agreement.The results are analyzed for the effect of different physical parameters,such as the variable viscosity and thermal conductivity,the ratio of free stream velocity to stretching velocity,the magnetic field,the porosity,the radiation and suction/injection on the flow,and the heat and mass transfer characteristics.The results indicate that the inclusion of variable viscosity and thermal conductivity into the fluids of light and medium molecular weight is able to change the boundary-layer behavior for all values of the velocity ratio parameter λ except for λ = 1.In addition,the imposition of fluid suction increases both the rate of heat and mass transfer,whereas fluid injection shows the opposite effect.     

振荡流热管可视化实验

本文通过振荡流热管可视化实验,研究热管传热性能与流型的变化。实验中可观察到,振荡热管内工质运动通常处于“间歇-振荡”交替运行的状态。随加热功率的增大,间歇时间所占比例逐步减小。随着加热功率的增大,热管内的流型也发生相应变化,实验中主要观察到了泡状流、塞状流、环状流、局部波状流等多种流型。汽泡的生成、长大、聚合、分离和湮...