[发明专利]一种超高速飞行器的热防护与减阻系统

说明书

技术领域

本发明属于超高速飞行器技术领域，特别涉及一种超高速飞行器的热防护与减阻方法和系统。

背景技术

超高速飞行器是指飞行速率在5马赫以上的飞行器，包括火箭、导弹、飞船、航天飞机、空天飞机等。超高速飞行器在飞行过程中存在两个主要问题：(1)超高速飞行器进出大气层时面临空气粘阻问题，需要耗费大量能量克服气动阻力；(2)超高速飞行器在飞行过程中还会面临剧烈的气动激波摩擦生热现象，出现热障，严重情况下，可以产生数千度高温的等离子体，导致通讯中断，这个阶段是飞行器的高危期。

关于空气粘阻，目前的超高速飞行器一般通过流线型的外形设计降低空气阻力。

关于超高速飞行器的热防护，目前国内外研究主要分为六类热防护方式：热沉式防热；辐射防热；烧蚀式防热；发汗冷却防热；表面隔热防热；热管散热。其中，烧蚀式防热与发汗冷却防热的防热效果较好，适用于热现象严重(例如摩擦生热产生等离子体)的飞行器。但是，这两种方式都难以长时间持续地进行热防护，导致昂贵的飞行器需要频繁地进行大修或者面临使用数次就被淘汰的现状。其次，利用这两种方式很难控制飞行器的内部温度，但是飞行器内部温度持续升高将严重危及携带系统的安全性。另外，相关防护系统的结构复杂，容易出现意外故障。

因此，能够有效减小空气粘阻的减阻技术以及能够有效减缓、克服热障，避免过度热蚀的热防护技术是目前超高速飞行器急需研究的课题。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供了一种高速飞行器的热防护与减阻方法，尤其是超高速飞行器的热防护与减阻方法，利用该方法能够避免超高速飞行器过度热蚀，同时能够减少超高速飞行器的空气粘阻。

本发明采用的技术方案为：一种超高速飞行器的热防护与减阻方法，在超高速飞行器的腔体内部设置冷源，超高速飞行器的腔体壁面设置若干微孔，在驱动力作用下，该冷源呈高压气体状自微孔射出，在腔体外表面形成气膜。

所述的微孔的设置位置不限，优选设置在超高速飞行器腔体的鼻锥(或称头部)和/或尾翼等部位。

所述的微孔在超高速飞行器腔体壁面的分布不限，作为优选，所述的微孔规则分布在超高速飞行器的腔体壁面，进一步优选，所述的微孔按照气动力学的特征规则分布在超高速飞行器的腔体壁面。

所述的微孔形状不限，可以是直孔或者异型孔，微孔横截面可以是规则形状(例如圆形等)或者不规则形状(例如蝶形、簸箕形等)。数值仿真表明，当微孔为异型孔时有利于喷射出的冷源覆盖在腔体表面形成气膜，可以用较少的微孔实现优越的冷却效果，从而提高气膜的冷却效果同时更好地保障结构强度。

所述的微孔直径不限，作为优选，微孔的直径设计兼顾超高速飞行器腔体的结构强度以及冷源对腔体壁面的覆盖程度。作为一种实现方式，所述的微孔是直径为0.05毫米-2.0毫米的圆形直孔。

所述的冷源的来源不限，可以是液氮、干冰、压缩空气等冷却源，还可以是其他通过化学反应产生的冷却物质等。

所述的驱动力不限，包括压力、弹力、电力等。

所述的超高速飞行器的飞行速率在5马赫以上。所述的超高速飞行器包括火箭、导弹、飞船、航天飞机、空天飞机等。

所述的超高速飞行器的腔体材料不限，包括耐高温腐蚀的碳碳复合材料，碳与碳化硅的复合材料等。

综上所述，本发明的方法适用于高速飞行器，尤其是超高速飞行器。本发明在超高速飞行器腔体表面形成低温气膜，具有如下有益效果：

(1)该低温气膜位于超高速飞行器腔体表面，外界气体与该气膜相互作用，因此有效避免了外界气体与超高速飞行器直接摩擦而产生大量热量；同时，外界气体首先与该气膜层摩擦，有效降低了超高速飞行器与外界气体间的气体粘阻，气体粘阻的降低又有利于降低超高速飞行器的表面温度；

(2)该低温气膜是由冷源自超高速飞行器腔体内部喷射出而形成的，在此过程中冷源带走了高速飞行器腔体内部的大量热量，因此该方法能够有效控制超高速飞行器内部温度，有效避免飞行器内部温度持续升高而导致的危害；

因此，利用本发明的方法不仅能够对超高速飞行器进行热防护，而且能够有效减少高速飞行器与外界气体的粘阻，从而提高了超高速飞行器的能量效率和极限速度，可以减缓或避免热障现象，降低对热防护层材料的烧蚀，提高超高速飞行器的安全性，延长使用寿命，具有良好的应用前景。

本发明还提供了一种高速飞行器的减阻与热动防护系统，尤其是超高速飞行器的减阻与热动防护系统，包括设置在超高速飞行器的密封腔体内部的冷源，以及用于将冷源转化为高压气体并射出的冷源驱动装置；