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《高超声速飞行器热管冷却前缘结构一体化建模分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.7(2013)074401高超声速飞行器热管冷却前缘结构一体化建模分析*孙健刘伟强(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)(2012年11月5日收到;2012年12月3日收到修改稿)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
2、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PACS:44.05.+e,44.10.+i,44.40.+aDOI:10.7498/aps.62.074401化,发现通过采用更为有效的结构设计[5]可以使热1引言管冷却式航天飞
3、机翼前缘的结构质量降低40%多.1986年,MDAC设计并制造了一种钠/超耐热合金内嵌高温热管相变传热结构作为疏导式防热管冷却翼前缘部件[6],并且分别进行了辐射热实热[1]的一种,在使用过程中外形基本保持不变,可验和电磁感应加热实验.波音公司设计并测试了一重用性好,且最适用于存在局部加热程度严重而相种D型截面耐热合金前缘外形热管[7].该热管长邻区域加热程度较轻的情况,这些特点使其在超声11.8英寸,壁厚度0.030英寸,主要进行了热性能,速飞行器机翼前缘和头部鼻锥等驻点区域的热防震动敏感和临界
4、热流实验.同时也对壁厚度0.024护应用中具有较高的优越性.在上个世纪70年代英寸的直杆式D型截面锂/铌合金热管进行了实验.初,国外出现了一些应用热管来冷却高超声速飞行NASA兰利研究中心的初步研究表明难熔复合材器前缘和鼻锥的可行性研究[2−5].料/难熔金属材料热管冷却前缘结构能相比于主动NASA兰利研究中心(LaRC)就进行了针对高冷却前缘结构减少了50%的质量,无需主动冷却辅超声速飞行器翼前缘和驻点区域的热管冷却可行助,有损坏保护和冗余备份的潜力[8].国内陈连忠性实验[2].1972年,麦
5、道航空公司(MDAC)对四种等[9]将包裹了高温热管的碳复合材料柱形体放在航天飞机翼前缘防热结构设计进行了对比:C/C材电弧风洞中,验证了高温热管具有较好的降温效果.料被动式防热,铌合金涂层被动式防热,热烧蚀防刘冬欢等[10]研究了接触热阻对内置高温热管疏导热,液态金属/超耐热材料热管冷却[3].热管冷却防式热防护效果的影响.热设计被认为是一种可行并且可重复使用的防热内置高温热管热防护结构研究方面国内才刚结构,但在重量上仍然比其他防热结构稍大.1973刚起步,因此在内置高温热管热防护结构工程化年,
6、MDAC制造了一个半尺寸热管冷却航天飞机之前,由很多关键技术问题需要解决,首要的是要翼前缘模型用以进行验证实验[4].1979年,MDAC深刻理解其传热防热机理,并对结构的防热性能对一种单级入轨飞行器热管冷却翼前缘进行了优进行安全性评估.本文对内嵌高温热管前缘结构*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.com⃝c2013中中中国国国物物物理理理学学学
7、会会会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn074401-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.7(2013)074401进行一体化建模,分析热管内部流动与换热情况,表1前缘内置高温热管结构参数并对内嵌高温热管前缘结构的热防护性能进行AJ/mm30AL/mm20研究.BE/mm20BC/mm20BF/mm2IE/mm2FG/mm18q=(◦)152热管冷却高超声速飞行器前缘结构L=mm400R=mm38.1由于高超声速飞行器前
8、缘内嵌高温热管结构复杂,模拟热管内部流动与传热机理又十分困难,因此在分析时需对其结构进行合理简化,本文将热管截面简化为矩形结构.图1为简化后的前缘内嵌高温热管结构的物理模型,图2为其展向截面简图.其中热管为矩形热热管(BCDE区域),毛细芯液体腔(BCDE区域与FGHI区域之间)紧贴在翼型壁与热管壁面上,蒸汽腔(FGHI区域)被液体吸液芯包围;由于对称性所以只考虑结构的一半,即边AJ为对称条件.前缘热流分布如图3,其中驻点热流q0=4:74×105W/m2,热管工质选液态金属锂[1
