复杂构型前缘疏导热防护技术

引 言

以吸气巡航式高超飞行器、 空天飞行器、 天地往返运输系统、 高超滑翔飞行器等为代表的各类新型高超声速飞行器是近年来航天大国发展的重点, 对我国的国防安全及国际地位具有重要的战略意义. 这些飞行器在大气层中长程高速飞行, 与以往短时间穿越大气的简单轴对称外形不同, 具有包含升力面、 控制面及小阻力尖化前缘的复杂外形特征, 使得尖前缘、 翼前缘、 进气道溢流口等局部高热流部位的热环境尤为恶劣, 尤其是高性能空天飞行器对防热结构提出了可重复和高可靠性的要求, 单纯依靠材料技术的被动式防热技术难以满足越来越高的防热需求[1-7]. 如在Ma=10,H=30 km条件下,R=1.5 mm前缘驻点部位热流高于12 MW/m2, 辐射平衡温度将达到3 000 K, 远远超过了现有金属被动式防热材料的耐温及承载极限. 在此条件下, 现有的复合材料体系仍将发生烧蚀和氧化现象, 难以满足非烧蚀条件, 无法达到部分飞行器对防热结构的可重复使用要求[5]. 对于燃油主动冷却, 由于尖前缘、 溢流口等局部高热流部位尺寸小, 管路布置难度大、 附加系统较多, 系统设计复杂等原因, 仅停留在方案设计阶段. 发汗冷却主要用于前缘, 目前处于技术探索阶段, 但由此带来的对气动性能的影响限制了其使用范围. 因此, 迫切需要发展新型非烧蚀可重复使用热防护技术手段.

疏导式热防护技术通过高效导热降低尖前缘等局部高热流部位的温度, 实现结构等温化, 降低温度梯度和热应力, 解决局部“热点”问题[1]. 根据实现方式不同, 可以内嵌高导热材料或设计一体化高导热结构. 作为一种半主动防热方式, 一体化疏导结构具有优良的导热性能, 同时, 由于采用金属材料, 具有良好的结构成型能力及可重复使用性能, 采用薄壁空心结构, 可大大减轻结构重量, 极大降低驻点区防热压力, 提升热防护系统防热能力, 为未来高超飞行器的高效热防护提供有效的解决途径.

国外在临近空间高超声速飞行器非烧蚀热防护技术领域开展了大量体现疏导式热防护思想的研究. 美国针对高超声速飞行器防热问题, 从20世纪70年代底到现在一直发展高温热管冷却前缘技术, 由表层防热结构结合内埋热管的复合防热方案, 向一体化前缘热管方案发展[7-9], 图1为钼铼超高温热管冷却C/C翼前缘结构, 图2为一体化尖前缘热疏导结构.

图1 RCC翼前缘结构内嵌Mo-Re热管[8]Fig. 1 Mo-Re heat pipe embedded in a RCC leading edge[8]

图2 翼前缘热扩散结构示意图[8]Fig. 2 Leading edge heat spreader concept[8]

国内在疏导式热防护技术方面也已开展了一些工作. 中国航天空气动力技术研究院探索了高温热管冷却镍铬合金面板、 高温热管冷却C/C、 C/SiC复合材料、 高导石墨冷却C/C复合材料及高温合金一体化高温热管等相关技术, 突破了相关疏导式热防护理论、 实现途径及性能评价表征方法等技术瓶颈, 探索了内嵌式及一体化疏导式热防护结构设计方法和技术途径[4-5,10-14].

李同起等[15]分析和讨论了利用高导热碳材料进行疏导式热管理的思路, 并设计了几种可能的结构模型. 吴国庭[16]针对尖鼻锥和尖翼前缘的高超声速巡航飞行器、 返回式航天器和载人飞船等几种典型的航天器, 提出若干适用的疏导式防热系统方案设想. 孙健等[17-18]和刘冬欢等[19]对内置高导热材料及热管冷却尖前缘结构温度响应及力热耦合特性进行了分析, 并进行了相关的试验研究. 总体来讲, 国内对疏导防热结构研究起步相对较晚, 但经过近些年积累, 取得了一些成果, 尤其在一体化疏导式防热结构方面, 已经通过了大量的地面试验验证.

对于具有复杂异形结构的飞行器前缘, 在严酷的气动加热条件下, 须承受恶劣的力热载荷, 为了保证疏导结构热量的快速输运, 其结构为薄壁壳体组成的真空腔体, 这给结构设计、 加工工艺等带来困难. 同时, 作为一种新型非烧蚀热防护方案, 疏导式热防护技术原理已通过了大量地面试验验证, 但在真实飞行条件下的力热载荷及振动、 噪声等环境可能与地面模拟条件存在差异, 影响疏导结构性能及评估结果. 本文通过壳体结构设计、 薄壁结构加工与焊接工艺、 毛细结构设计等关键技术攻关, 实现了前缘复杂构型疏导式热防护结构, 并通过飞行试验对疏导结构性能进行验证.

1 疏导前缘防热原理

疏导式热防护技术摒弃将外加热量就地“消化”或拒之门外的“热障”思想, 通过建立高效的热量扩散机制, 实现高加热区与低加热区的温度均衡, 极大降低温度峰值, 同时增加有效辐射散热面积. 热量高效扩散的导体可通过内嵌高导热材料或采用具有高导热功能的一体化结构来实现. 基于高温热管基本原理, 通过薄壁结构形成热管腔体, 内部工质循环形成高温热管的快速热量输运, 因此形成承载结构与热量疏导的结构功能一体化热防护系统, 如图3所示.

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