本發(fā)明涉及高壓氣體啟動發(fā)射，具體涉及一體化換熱器及參數(shù)確定方法、啟動發(fā)射裝置。

背景技術(shù)：

1、高壓氣體啟動發(fā)射裝置作為一種結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)便捷的新穎動力系統(tǒng)已逐步開發(fā)并應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其避免了無人飛行器自啟動推進(jìn)時高溫高速尾焰對系統(tǒng)燒蝕的不可逆損傷。高壓氣體啟動發(fā)射裝置所使用的工作介質(zhì)是影響其工作性能的關(guān)鍵因素，決定著發(fā)射系統(tǒng)的氣動彈射能力以及功能的實現(xiàn)。

2、相較于傳統(tǒng)壓縮空氣等高壓介質(zhì)，超臨界二氧化碳在相同的工質(zhì)狀態(tài)下具有更高的比內(nèi)能和密度，采用較小的高壓儲罐便可裝載大量的二氧化碳工質(zhì)。當(dāng)二氧化碳工質(zhì)由儲罐進(jìn)入發(fā)射管時能夠釋放更多的推動功，為發(fā)射裝置小型化、緊湊化提供了全新途徑。

3、然而，普通的換熱器難以適應(yīng)二氧化碳在發(fā)射過程中的劇烈物理性質(zhì)變化，對啟動發(fā)射裝置造成不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提供了一種一體化換熱器及參數(shù)確定方法、啟動發(fā)射裝置。

2、作為本發(fā)明的第一個方面提供了一體化換熱器，應(yīng)用在發(fā)射裝置上，所述發(fā)射裝置包括發(fā)射筒，所述換熱器包括多個換熱管，多個所述換熱管沿周向分布在所述發(fā)射筒的筒壁內(nèi)；所述換熱管包括依次連接形成封閉管腔的冷凝段、絕熱段和蒸發(fā)段，所述封閉管腔的管徑由所述冷凝段向所述蒸發(fā)段的方向逐漸減?。凰龇忾]管腔的內(nèi)壁設(shè)置吸液芯，且所述封閉管腔內(nèi)容置有能夠在氣態(tài)和液態(tài)之間進(jìn)行相變的工質(zhì)，所述吸液芯能夠吸收液態(tài)工質(zhì)并引導(dǎo)所述液態(tài)工質(zhì)由所述冷凝段向所述蒸發(fā)段的方向流動。

3、應(yīng)用本技術(shù)方案具有如下有益效果：無人飛行器在啟動發(fā)射時，高壓氣體啟動發(fā)射裝置中的一體化換熱器通過管中工質(zhì)的流動與相變，將飛行器在發(fā)射筒內(nèi)產(chǎn)生的大量摩擦熱快速傳遞至發(fā)射筒的低溫低壓腔中，優(yōu)化發(fā)射筒前端溫度并提發(fā)射筒高低壓腔內(nèi)二氧化碳的溫度，保證發(fā)射裝置閥門入口溫度水平以防止干冰形成，提高能量轉(zhuǎn)換效率的同時實現(xiàn)超臨界二氧化碳啟動發(fā)射管的可靠工作。

4、可選的，所述換熱管的延伸方向與所述發(fā)射筒的發(fā)射方向一致，所述換熱管的冷凝段位于所述發(fā)射筒的進(jìn)氣端，所述換熱管的蒸發(fā)段位于所述發(fā)射筒的發(fā)射端；所述換熱管的蒸發(fā)段與所述發(fā)射筒的內(nèi)壁之間設(shè)置換熱槽組，所述換熱槽組包括多個沿所述換熱管的軸向間隔設(shè)置的環(huán)形槽，所述環(huán)形槽的開口貫穿所述發(fā)射筒的內(nèi)壁。

5、可選的，沿所述冷凝段向所述蒸發(fā)段的方向上，多個所述環(huán)形槽之間的間距逐漸減小。

6、可選的，所述換熱管、所述換熱槽組和所述發(fā)射筒設(shè)為一體式結(jié)構(gòu)。

7、作為本發(fā)明的第二個方面提供一體化換熱器的參數(shù)確定方法，應(yīng)用于本發(fā)明的第一個方面所提供的換熱器，所述方法包括以下步驟：

8、根據(jù)換熱管的錐度確定換熱管的側(cè)面積，所述側(cè)面積為換熱管的換熱面積，并建立沿發(fā)射方向的換熱面積鏡像梯度函數(shù)；

9、根據(jù)無人飛行器的運(yùn)動速度控制方程和摩擦熱控制方程，建立沿發(fā)射方向的摩擦熱梯度函數(shù)；

10、對所述換熱面積梯度函數(shù)和所述摩擦熱梯度函數(shù)進(jìn)行匹配，通過迭代計算輸出所述換熱管的錐度。

11、可選的，所述根據(jù)換熱管的錐度確定換熱管的側(cè)面積，所述側(cè)面積為換熱管的換熱面積，并建立沿發(fā)射方向的換熱面積鏡像梯度函數(shù)包括：

12、根據(jù)所述換熱管的側(cè)面積確定所述換熱管的換熱面積，所述換熱面積的計算公式如下：

13、（1-1）

14、式中，a為換熱面積，h為所述換熱管的高度，c為所述換熱管的錐度，r0為所述換熱管的底部半徑，r1為所述換熱管的頂部半徑；所述換熱管的錐度表示為：

15、（1-2）

16、其中，h’為所述換熱管從對應(yīng)于所述發(fā)射管氣動活塞處的位置至所述換熱管頂部的高度，r2為所述換熱管對應(yīng)于所述發(fā)射管內(nèi)氣動活塞位置處的管腔半徑；

17、定義所述發(fā)射筒的軸向高度為z軸，所述發(fā)射筒朝向發(fā)射端的方向為z軸正方向，計算得到所述換熱管沿z軸正方向上的換熱面積梯度，計算公式如下：

18、（1-3）

19、令x=h-z，計算所述換熱管換熱面積的軸向鏡像梯度：

20、（1-4）

21、對所述換熱管換熱面積的軸向鏡像梯度用有限差分與歸一化處理，得到換熱面積鏡像梯度函數(shù)：

22、（1-5）

23、可選的，所述根據(jù)無人飛行器的運(yùn)動速度控制方程和摩擦熱控制方程，建立摩擦熱梯度函數(shù)，包括：

24、根據(jù)所述發(fā)射裝置的參數(shù)，計算得到無人飛行器的運(yùn)動速度控制方程為：

25、（2-1）

26、式中，p1為所述發(fā)射筒低壓腔內(nèi)工質(zhì)的壓力，與p2為所述發(fā)射筒高壓儲罐內(nèi)工質(zhì)的壓力，m為無人飛行器與氣動活塞的總質(zhì)量，av為無人飛行器與氣動活塞的最大徑向截面積，g為重力常數(shù)；則空氣摩擦阻力f表示為：

27、（2-2）

28、其中，ρ為空氣密度，cv為摩擦系數(shù)；之后建立摩擦熱控制方程為：

29、（2-3）

30、基于公式（2-1）-公式（2-3）求得摩擦熱關(guān)于發(fā)射距離的函數(shù)，對所述摩擦熱關(guān)于發(fā)射距離的函數(shù)用有限差分與歸一化處理，得到摩擦熱梯度函數(shù)，摩擦熱梯度函數(shù)表征摩擦熱沿發(fā)射方向的變化率：

31、（2-4）

32、可選的，將fa(h-z)與fe(z)進(jìn)行匹配，以最小絕對誤差合為目標(biāo)通過迭代計算進(jìn)行逼近確定da/dz，并最終輸出所述換熱管的錐度c；其中最小絕對誤差合的目標(biāo)表示為：

33、（3-1）

34、式中，n為自下而上均勻劃分的軸向節(jié)點數(shù)量，即：

35、（3-2）

36、作為本發(fā)明的第三個方面，提供一種啟動發(fā)射裝置，所述啟動發(fā)射裝置包括發(fā)射筒，所述發(fā)射筒包括本發(fā)明第一個方面所提供的一體化換熱器。

37、作為本發(fā)明的第四個方面，提供一種電子設(shè)備，所述電子設(shè)備包括：至少一個處理器；以及與所述至少一個處理器通信連接的儲存器；其中，所述存儲器存儲有可被所述至少一個處理器執(zhí)行的計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被所述至少一個處理器執(zhí)行，以使所述至少一個處理器能夠執(zhí)行本發(fā)明第二個方面所提供的一體化換熱器參數(shù)確定方法。

38、作為本發(fā)明的第五個方面，提供一種計算機(jī)可讀介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機(jī)指令，所述計算機(jī)指令用于使處理器執(zhí)行時實現(xiàn)本發(fā)明第二個方面所提供的一體化換熱器參數(shù)確定方法。

39、本發(fā)明的這些特點和優(yōu)點將會在下面的具體實施方式以及附圖中進(jìn)行詳細(xì)的揭露。本發(fā)明最佳的實施方式或手段將結(jié)合附圖來詳盡表現(xiàn)，但并非是對本發(fā)明技術(shù)方案的限制。另外，在每個下文和附圖中出現(xiàn)的這些特征、要素和組件是具有多個，并且為了表示方便而標(biāo)記了不同的符號或數(shù)字，但均表示相同或相似構(gòu)造或功能的部件。

技術(shù)特征：

1.一體化換熱器，應(yīng)用在發(fā)射裝置上，所述發(fā)射裝置包括發(fā)射筒（1），其特征在于，所述換熱器包括多個換熱管，多個所述換熱管沿周向分布在所述發(fā)射筒（1）的筒壁內(nèi)；所述換熱管包括依次連接形成封閉管腔（22）的冷凝段、絕熱段和蒸發(fā)段，所述封閉管腔（22）的管徑由所述冷凝段向所述蒸發(fā)段的方向逐漸減小；所述封閉管腔的內(nèi)壁設(shè)置吸液芯（21），且所述封閉管腔內(nèi)容置有能夠在氣態(tài)和液態(tài)之間進(jìn)行相變的工質(zhì)，所述吸液芯（21）能夠吸收液態(tài)工質(zhì)并引導(dǎo)所述液態(tài)工質(zhì)由所述冷凝段向所述蒸發(fā)段的方向流動。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化換熱器，其特征在于，所述換熱管的延伸方向與所述發(fā)射筒的發(fā)射方向一致，所述換熱管的冷凝段位于所述發(fā)射筒（1）的進(jìn)氣端，所述換熱管的蒸發(fā)段位于所述發(fā)射筒（1）的發(fā)射端；所述換熱管的蒸發(fā)段與所述發(fā)射筒的內(nèi)壁之間設(shè)置換熱槽組（23），所述換熱槽組（23）包括多個沿所述換熱管的軸向間隔設(shè)置的環(huán)形槽，所述環(huán)形槽的開口貫穿所述發(fā)射筒的內(nèi)壁。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一體化換熱器，其特征在于，沿所述冷凝段向所述蒸發(fā)段的方向上，多個所述環(huán)形槽之間的間距逐漸減小。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一體化換熱器，其特征在于，所述換熱管、所述換熱槽組（23）和所述發(fā)射筒（1）設(shè)為一體式結(jié)構(gòu)。

5.一體化換熱器的參數(shù)確定方法，其特征在于，應(yīng)用于如權(quán)利要求1-4任一項所述的換熱器，所述方法包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的參數(shù)確定方法，其特征在于，所述根據(jù)換熱管的錐度確定換熱管的側(cè)面積，所述側(cè)面積為換熱管的換熱面積，并建立沿發(fā)射方向的換熱面積鏡像梯度函數(shù)，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的參數(shù)確定方法，其特征在于，所述根據(jù)換熱管的錐度確定換熱管的側(cè)面積，所述側(cè)面積為換熱管的換熱面積，并建立沿發(fā)射方向的換熱面積梯度函數(shù)，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的參數(shù)確定方法，其特征在于，包括：

9.一種啟動發(fā)射裝置，其特征在于，所述啟動發(fā)射裝置包括權(quán)利要求1至8中任意一項所述的一體化換熱器。

10.一種電子設(shè)備，其特征在于，所述電子設(shè)備包括：至少一個處理器；以及與所述至少一個處理器通信連接的儲存器；其中，所述存儲器存儲有可被所述至少一個處理器執(zhí)行的計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被所述至少一個處理器執(zhí)行，以使所述至少一個處理器能夠執(zhí)行權(quán)利要求5-6中任一項所述的一體化換熱器參數(shù)確定方法。

11.一種計算機(jī)可讀介質(zhì)，其特征在于，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機(jī)指令，所述計算機(jī)指令用于使處理器執(zhí)行時實現(xiàn)權(quán)利要求5-6中任一項所述的一體化換熱器參數(shù)確定方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一體化換熱器，應(yīng)用在發(fā)射裝置上，發(fā)射裝置包括發(fā)射筒，換熱器包括多個換熱管，多個換熱管沿周向分布在發(fā)射筒的筒壁內(nèi)；換熱管包括依次連接形成封閉管腔的冷凝段、絕熱段和蒸發(fā)段，封閉管腔的管徑由冷凝段向蒸發(fā)段的方向逐漸減??；封閉管腔的內(nèi)壁設(shè)置吸液芯，且封閉管腔內(nèi)容置有能夠在氣態(tài)和液態(tài)之間進(jìn)行相變的工質(zhì)，吸液芯能夠吸收液態(tài)工質(zhì)并引導(dǎo)液態(tài)工質(zhì)由冷凝段向蒸發(fā)段的方向流動。本發(fā)明能將無人飛行器由于摩擦而在發(fā)射管前部產(chǎn)生的熱量收集起來并用于加熱發(fā)射管尾部腔體，避免二氧化碳凝華為固體，也對發(fā)射管的溫度進(jìn)行均衡，保證其結(jié)構(gòu)完整性。本發(fā)明還提供一種參數(shù)確定方法、啟動發(fā)射裝置、電子設(shè)備和計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)。

技術(shù)研發(fā)人員：沈晟宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19