本發(fā)明涉及一種高超飛行器高溫部件的熱防護(hù)方法,特別是關(guān)于一種在高溫超聲速氣流中存在強(qiáng)激波入射時(shí)壁面超聲速氣膜冷卻的熱防護(hù)方法。

背景技術(shù)：

氣膜冷卻自上世紀(jì)70年代開(kāi)始作為航空燃?xì)廨啓C(jī)的一種冷卻方法使用以來(lái)，目前已成為了現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的主要冷卻措施。在其他領(lǐng)域，氣膜冷卻作為一種有效的主動(dòng)冷卻方式也被廣泛應(yīng)用。由于氣膜冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻效果好等特點(diǎn)，冷卻氣體切向噴入還能起到降低壁面摩擦的作用，氣膜冷卻還被納入火箭高溫部件冷卻、高超聲速飛行器熱端部件冷卻的考慮范圍。

超聲速氣膜冷卻與亞聲速情況下的氣膜冷卻存在差別，原因主要在于一方面超聲速情況下氣體可壓縮的影響表現(xiàn)得更加明顯；另一方面在超聲速流場(chǎng)中，常常伴隨著激波的出現(xiàn)，激波入射氣膜邊界層往往對(duì)超聲速氣膜冷卻造成影響。

已有研究表明，在強(qiáng)激波的入射情況下，激波將引起氣膜冷卻邊界層分離，冷卻流體和主流摻混增強(qiáng)，從而破壞超聲速氣膜冷卻效率，有研究表明在強(qiáng)激波入射后，由于邊界層的分離導(dǎo)致激波入射點(diǎn)后超聲速氣膜冷卻不再起作用。

在發(fā)生激波入射的情況下，通過(guò)改變壁面結(jié)構(gòu)或者流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等，削弱激波對(duì)超聲速氣膜冷卻的破壞作用對(duì)于超聲速氣膜冷卻的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。因此，發(fā)展和開(kāi)發(fā)出能夠自適應(yīng)抑制流場(chǎng)中激波破壞的超聲速氣膜冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)于其實(shí)用性具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能用于高超飛行器中熱防護(hù)部件在出現(xiàn)激波作用時(shí)，可以根據(jù)激波的出現(xiàn)以及激波的強(qiáng)度自適應(yīng)的產(chǎn)生等離子體注入氣膜冷卻邊界層內(nèi)，從而能有效的抵御激波對(duì)于超聲速氣膜冷卻邊界層破壞的超聲速氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。

超聲速流場(chǎng)中，當(dāng)局部流動(dòng)參數(shù)或者結(jié)構(gòu)的改變可能誘發(fā)產(chǎn)生激波，對(duì)于采用超聲速氣膜冷卻的壁面而言，如果強(qiáng)激波入射到氣膜冷卻邊界層上，此時(shí)原有設(shè)計(jì)的超聲速氣膜冷卻結(jié)構(gòu)有可能不能完全抑制住激波的破壞效果，冷卻效果將降低甚至失效。為抑制激波的這種破壞作用，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種可以根據(jù)激波的出現(xiàn)以及激波強(qiáng)度的大小，自適應(yīng)對(duì)激波作用區(qū)域氣膜邊界層注入一定量的等離子體，達(dá)到抑制激波的破壞效果。

一種自適應(yīng)激波作用的超聲速氣膜冷卻裝置，包括超聲速氣膜冷卻流通道、噴嘴、受保護(hù)壁面、壓力監(jiān)測(cè)管道、壓力開(kāi)關(guān)組、電源、電介質(zhì)、電極A、電極B以及連接電路。

該裝置包括：超聲速氣膜冷卻流通道、噴嘴、受保護(hù)壁面、壓力監(jiān)測(cè)管道、壓力開(kāi)關(guān)組、電源、電介質(zhì)、電極A、電極B以及連接電路；超聲速氣膜冷卻流通道位于高溫主流的流入側(cè)下方，超聲速氣膜冷卻流通道的端部設(shè)置有噴嘴，噴嘴用于噴入冷卻氣體對(duì)受保護(hù)壁面進(jìn)行熱保護(hù)，在受保護(hù)壁面易受到誘發(fā)的激波影響的區(qū)域設(shè)置電介質(zhì)和電極B，電介質(zhì)設(shè)置在受保護(hù)壁面中，電極B植入電介質(zhì)下，電極A設(shè)置在電極B一側(cè)，并靠近噴嘴，電極A貼附在受保護(hù)壁面上，電極A與電極B均與電源連接，壓力監(jiān)測(cè)管道為金屬管道組成，其一端布置在受保護(hù)壁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，另一端布置在壓力開(kāi)關(guān)組上，壓力開(kāi)關(guān)組包括多個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，每個(gè)壓力開(kāi)都與電源連接，根據(jù)不同的激波強(qiáng)度，可以連通不同的電路，不同的電路對(duì)應(yīng)不同的電壓值，從而產(chǎn)生不同量的等離子體，電源的電壓輸出值為多檔，根據(jù)壓力開(kāi)關(guān)組連通的不同電路輸出對(duì)應(yīng)的電壓值。

冷卻氣體超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴用于維持正常工況的熱負(fù)荷，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，冷卻流體通過(guò)超聲速氣膜冷卻流通道后經(jīng)噴嘴平行于高溫主流噴入，覆蓋在受保護(hù)壁面上，從而對(duì)受保護(hù)壁面進(jìn)行有效的熱防護(hù)。

壓力監(jiān)測(cè)管道為金屬管道組成，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)選擇合適的管道直徑，其一端布置在受保護(hù)壁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，另一端布置在壓力開(kāi)關(guān)上。其功能在通過(guò)和受保護(hù)壁面直接接觸，當(dāng)局部受到激波的作用時(shí)，流體壓力升高，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)管道可以將激波的高壓傳遞至壓力開(kāi)關(guān)處，從而達(dá)到打開(kāi)壓力開(kāi)關(guān)的作用。

壓力開(kāi)關(guān)組通過(guò)合適的計(jì)算和設(shè)計(jì)，當(dāng)流場(chǎng)中出現(xiàn)激波的情況下，根據(jù)不同的激波強(qiáng)度，可以連通不同的電路，不同的電路對(duì)應(yīng)不同的電壓值，從而可以最終產(chǎn)生不同量的等離子體。

電源可以為交流電源或者直流電源，其電壓輸出值可以為多檔，根據(jù)壓力開(kāi)關(guān)組連通的不同電路輸出對(duì)應(yīng)的電壓值。

電極A貼附在受保護(hù)壁面上，厚度不大于0.2毫米，電極B植入電介質(zhì)下，電介質(zhì)材料安裝在受保護(hù)壁面中。

本發(fā)明設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)不同的激波強(qiáng)度產(chǎn)生不同量的等離子體，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種強(qiáng)度激波的抵御作用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的方案示意圖；

其中：1-高溫主流；2-超聲速氣膜冷卻流通道；3-冷卻流噴嘴；4-壓力監(jiān)測(cè)管道；5-壓力開(kāi)關(guān)組；6-電源；7-電極A；8-電極B；9-電介質(zhì)；10-受保護(hù)壁面；11-激波；12-高壓區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

一種可以實(shí)現(xiàn)抑制激波的破壞效果的超聲速氣膜冷卻裝置，所述裝置根據(jù)激波的出現(xiàn)和強(qiáng)度大小自適應(yīng)的對(duì)氣膜冷卻邊界層內(nèi)注入相應(yīng)量的等離子體。

該裝置包括：超聲速氣膜冷卻流通道(2)、噴嘴(3)、受保護(hù)壁面(10)、壓力監(jiān)測(cè)管道(4)、壓力開(kāi)關(guān)組(5)、電源(6)、電介質(zhì)(9)、電極A(7)、電極B(8)以及連接電路；超聲速氣膜冷卻流通道(2)位于高溫主流(1)的流入側(cè)下方，超聲速氣膜冷卻流通道(2)的端部設(shè)置有噴嘴(3)，噴嘴(3)用于噴入冷卻氣體對(duì)受保護(hù)壁面(10)進(jìn)行熱保護(hù)，在受保護(hù)壁面(10)易受到誘發(fā)的激波影響的區(qū)域設(shè)置電介質(zhì)(9)和電極B(8)，電介質(zhì)(9)設(shè)置在受保護(hù)壁面(10)中，電極B(8)植入電介質(zhì)(9)下，電極A(7)設(shè)置在電極B(8)一側(cè)，并靠近噴嘴(3)，電極A(7)貼附在受保護(hù)壁面(10)上，電極A(7)與電極B(8)均與電源(6)連接，壓力監(jiān)測(cè)管道(4)為金屬管道組成，其一端布置在受保護(hù)壁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，另一端布置在壓力開(kāi)關(guān)組(5)上，壓力開(kāi)關(guān)組(5)包括多個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，每個(gè)壓力開(kāi)都與電源(6)連接，根據(jù)不同的激波強(qiáng)度，可以連通不同的電路，不同的電路對(duì)應(yīng)不同的電壓值，從而產(chǎn)生不同量的等離子體，電源(6)的電壓輸出值為多檔，根據(jù)壓力開(kāi)關(guān)組連通的不同電路輸出對(duì)應(yīng)的電壓值。

本發(fā)明裝置實(shí)際應(yīng)用中，其運(yùn)行原理過(guò)程如下步驟：

1)超聲速流場(chǎng)中，正常情況下，當(dāng)高溫主流1流入通道后，通過(guò)超聲速氣膜冷卻流通道2引入冷卻流體經(jīng)冷卻流噴嘴3噴入冷卻氣體對(duì)受保護(hù)壁面10進(jìn)行熱保護(hù)；

2)由于局部流動(dòng)參數(shù)或者結(jié)構(gòu)的變化，誘發(fā)激波11的入射，導(dǎo)致冷卻氣體邊界層內(nèi)壓力升高，形成高壓區(qū)域12，激波的入射將破壞冷卻氣體邊界層，是冷卻氣體邊界層分離，從而導(dǎo)致冷卻效果下降；此時(shí)，受保護(hù)壁面的壓力監(jiān)測(cè)管道4中流體由于和激波作用區(qū)域相連，其流體壓力急劇升高；

3)壓力監(jiān)測(cè)管道4中的流體壓力升高后，高壓流體將打開(kāi)壓力開(kāi)關(guān)組5中對(duì)應(yīng)的某一個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，進(jìn)而連通根據(jù)不同的壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)的不同電壓值的電路；

4)壓力開(kāi)關(guān)組5打開(kāi)后，電源6將啟動(dòng)，在電極A和電極B之間形成一定的電壓，不同等級(jí)的電壓將產(chǎn)生不同量的等離子體；等離子體產(chǎn)生后，在電極A與電極B的作用下，等離子體中的離子在電場(chǎng)的作用下順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，與空氣中的氣體分子碰撞，并將動(dòng)量傳遞給氣體分子，使氣流加速，同時(shí)還將引發(fā)沖擊效應(yīng)以及物性改變等作用，從而防止邊界層分離，抵御激波對(duì)超聲速氣膜冷卻的破壞；

5)當(dāng)激波強(qiáng)度變?nèi)趸蛘呦Ш?，此時(shí)壓力監(jiān)測(cè)區(qū)域12的流體壓力下降，壓力監(jiān)測(cè)管道4中流體壓力下降，不足以維持打開(kāi)壓力開(kāi)關(guān)5，此時(shí)壓力開(kāi)關(guān)5關(guān)閉，電源6停止對(duì)電極A和電極B供電，等離子體不再產(chǎn)生。

需要說(shuō)明的是，由于等離子體的注入，相當(dāng)于對(duì)等離子注入?yún)^(qū)域的流體中增加了能量，流體的溫度會(huì)有一定的升高從而導(dǎo)致該區(qū)域的壁面溫度也會(huì)有相應(yīng)程度的升高。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要仔細(xì)計(jì)算和設(shè)計(jì)需要的等離子體的量，以防止因?yàn)檫@種效應(yīng)帶來(lái)的溫升對(duì)于壁面的破壞。

由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明實(shí)施例可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)高超飛行器高溫部件中，當(dāng)出現(xiàn)激波作用時(shí)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)激波引起的流體壓力變化而自適應(yīng)的注入相應(yīng)量的等離子體來(lái)抑制激波對(duì)于超聲速氣膜冷卻的破壞。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。