速度突变状态下高温热管的毛细极限与性能分析.pdf

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1、上海航天AEROSPACESHANGHAI第32卷2015年第6期文章编号：1006—1630(2015)06—0058—04速度突变状态下高温热管的毛细极限与性能分析李波，刘伟强(国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，湖南长沙410073)摘要：基于一种已有的V型高温热管结构，对速度突变状态下高超声速飞行器高温热管的毛细极限与性能进行了仿真分析。推导了加速作用下热管的毛细极限方程，讨论了在典型方向上存在加速度时热管的工作性能，并提出了对热管结构设计改进的建议。关键词：高超声速飞行器；疏导式防热；速度突变；高温热管；毛细极限中图分类号：TKl24文献标志码：ACapillaryL

2、imitandPerformanceAnalysisofHighTemperatureHeatPipeinaStateofVelocityMutationLIBo，LIUWei—qiang(ScienceandTechnologyonScramjetLaboratory，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，Hunan，China)Abstract：Thecapillarylimitandperformanceanalysisofhightemperatureheatpipeforhypersonicvehicleinast

3、ateofvelocitymutationwasanalyzedbythesimulationbasedonthepresentVmodelstructureofthehightemperatureheatpipeinthispaper．Thecapillarylimitequationofheatpipeundertheactionofaccelerationwasdeduced．Theperformanceoftheheatpipewhentherewasaaccelerationinthetypicaldirectionwasdiscussedandsomesuggestionstoi

4、mprovethestructuredesignoftheheatpipeweregivenout．Keywords：Hypersonicvehicle；Leadingthermalprotection；Velocitymutation；Hightemperatureheatpipe；Capillarylimit0引言高超声速飞行器飞行过程中，机体前端、翼前缘等驻点区域会有严重的气动加热，由驻点热流的相关计算可知：当在高度24krn下以7马赫飞行时，半径20mm．的前缘鼻锥上热流密度可达2～3MW／m2，壁面温度达1400K[1]。严重的气动加热会导致飞行器外形烧蚀、结构强度和刚度等发生改变

5、，严重影响飞行器的正常飞行，高超声速气动热是高超声速飞行器发展的关键技术之一[2]。传统的高超声速飞行器防热方式存在结构复杂、重量大、气收稿日期：2014—04—10；修回日期：2014—06—18基金项目：国家自然科学基金资助(51306204)；湖南省自然科学基金资助(13JJ2002)作者简介：李波(1990一)，男，硕士生，主要研究方向为航天器及其动力系统的热分析与热控制。动外形不能保持等缺陷，而疏导式防热作为一种半被动防热方式，通过高导热率材料或高效传热元件将驻点区域的热量快速传导至低温区，借助大范围的低温散热面以对流和辐射的方式释放热量，达到降低驻点区域表面温度，满足结构完整性的

6、需求，具有结构简单、可重复利用性强的特点[3]。高导热率材料或高效传热元件作为疏导式防热结构的核心部件，需要具备优良的定向导热能力。导热能力很强的铜导热系数300～400w／(m·K)，一种经过专门研究而获得的高导热率石墨烯碳材料的导热系数可达5000w／(m·K)左右，而热管作为一种高效的传热元件，其等效导热系数是铜的100倍(30000～40000w／(m·K))，较碳材料的导热系数高一个量级[4]。因此在高超声速飞行器防热结构中，热管由于其超高的等效导热系数和较低的技术难度会有广泛应用。20世纪70年代，国外第32卷2015年第6期李波，等：速度突变状态下高温热管的毛细极限与性能分析对

7、用热管冷却高超声速飞行器前缘进行了研究¨o。国内相关研究较少，文献E6J提出用高温热管实现飞行器前缘的疏导式热防护，并用电弧风洞分析了高温热管的冷却机制；文献[7]研究了高温热管的疏导式防热效果，证明前缘内置高温热管对驻点区域良好的热防护性能，并设计了一种飞行器的层板式前缘结构。现有用热管结构冷却高超声速飞行器前缘研究多基于飞行器以恒定的马赫数在固定的高度巡航飞行，在此条件下飞行器前缘热管结构处于稳定工作状态