高超声速飞行器前缘疏导式热防护结构的实验研究

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.9(2014)094401高超声速飞行器前缘疏导式热防护结构的实验研究孙健1)2)y刘伟强2)1)(中国人民解放军92941部队93分队,葫芦岛125000)2)(国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室,长沙410073)(2013年12月7日收到;2013年12月26日收到修改稿)针对高超声速飞行器前缘疏导式防热结构的特点,设计前缘内嵌高导热率材料结构和一体化层板热管结构两类对比实验,用于验证前缘疏导式防热结构的可行性.利用球形短弧氙灯作为辐射热源模拟气动加热,分别对钢质前缘、内嵌铜材料的钢质前缘

2、和一体化层板式热管前缘进行加热,测量前缘驻点区域和尾部翼面区域的温度变化.实验结果表明:内嵌高导热率材料的前缘疏导结构能够降低头部驻点区的温度,提高尾部低温区的温度,实现对前缘结构的热防护;以蒸馏水作为工质一体化层板式热管前缘结构,在较低热流条件下也能够实现对前缘驻点区的疏导式热防护,但在较高热流条件下,由于水蒸气压力过大使得层板式前缘结构发生破坏,体现出热管内部工作介质对结构防热效果和应用范围都起到的关键作用.关键词:前缘,疏导式热防护,热管,层板PACS:44.05.+e,44.10.+i,44.40.+aDOI:10.7498/aps.63.094401

3、热防护开始于70年代[2].1972年,麦道航空公司1引言(MDAC)对四种航天飞机翼前缘防热结构设计进行了对比:C/C材料被动式防热,铌合金涂层被动高超声速飞行器前缘的疏导式热防护结构[1]式防热,热烧蚀防热,液态金属/超耐热材料热管冷作为一种半被动热防护方式,它采用高导热率材却[3].1973年,MDAC制造了一个半尺寸热管冷却料、高效传热元件的传热、对流换热的物理特性将航天飞机翼前缘模型用以进行验证试验[4].1979高热流区热量快速传递到低热流区,借助大范围的年,MDAC对一种单级入轨飞行器热管冷却翼前低温散热面,将严重的气动加热以辐射的方式释缘进行了

4、优化,发现通过采用更为有效的结构设放,以降低高热流区的表面温度,达到现有耐高温计[5]可以使热管冷却式航天飞机翼前缘的结构质材料能够承受的水平.疏导式防热结构在使用过程量降低40%多.1988年,波音公司设计并测试了中外形基本保持不变,具有良好的可重复使用性,一种D形截面热管,其长11.8英寸(0.3m),壁厚最适用于存在局部加热程度严重且相邻区域较轻0.03英寸(0.076m),壳体采用海纳25钴铬钨镍耐的区域,这些特点使得其在高超声速飞行器前缘驻热合金,工质为金属钠,采用烧结式金属吸液芯[6].点区域的热防护应用中具有较高的优越性.1997年,Glass开

5、始使用钼铼合金作为壳体,金属锂疏导式防热结构的核心装置是高导热层,一作为工质,应用了难熔的碳-碳以及碳-碳化硅复合般包括高温热管和高导热材料两种.其中,使用高材料作为包覆结构,研究结果表明该热管冷却前缘温热管对高超声速飞行器的尖锐前缘进行疏导式结构能相比于主动冷却前缘结构减少了50%的质国家自然科学基金(批准号:90916018)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:200899980006)资助的课题.†通讯作者.E-mail:sunjian19850620@163.com©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://

6、wulixb.iphy.ac.cn094401-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.9(2014)094401量,无需主动冷却辅助,有损坏保护和冗余备份的控调光系统;温度传感器采用镍铬镍硅的K型热电潜力[7].2007年,Steeves等[8]对马赫7飞行器尖锐偶,测温范围为40C—1200C.前缘使用金属热管结构所采用的材料进行研究,发现以铌合金(Cb-752)为壳体,钠为工质的热管可以有效地进行疏导式热防护,将严重加热的驻点处的热流疏导到相对低温的大辐射面积,增大了翼面表ᣣ࠱ҫབྷ༥ႃູ面积的辐射能力,降低了温度和热流梯度.国内陈ᝏ

7、ԧ٨连忠等[9]将包裹了高温热管的碳复合材料柱形体放在电弧风洞中,验证了高温热管具有较好的降温效果.刘冬欢等[10]研究了接触热阻对内置高温热管疏导式热防护效果的影响.Luo等[11]对微小槽ࠄᰎԼ฾଍Լ道内的热管工作介质的相变换热模型进行了理论分析.马坤全等[12]对纳米金属流体热管的可行性图1飞行器前缘疏导式结构防热实验结构和其对导热性的增强作用进行了分析.对于高导热材料的研究主要体现在理论分析上,其中姜贵庆[13]3飞行器前缘疏导式结构的实验件与等分析了二维固体材料的导热性能,提出表面降温系数和背面升温系数用以评价固体材料的疏实验方案导性能.李同起等[1

8、4]对定向高导热碳材料的导热机理和导热