一种层板式燃气发汗鼻锥的制作方法

本发明涉及一种用于高超声速飞行器头锥进行冷却的主动热防护装置，具体涉及一种采用固体药燃气作为发汗冷却剂的层板式燃气发汗鼻锥。

背景技术：

高超声速飞行器在工作时会面临恶劣的气动加热环境，在鼻锥前缘、翼前缘等尖锐部位形成高热流，从而破坏前缘结构。当飞行高度为25km，飞行速度达6马赫，半径仅为1~2mm的前缘鼻锥上热流密度高达4~5mw/m²，壁面温度高达1600~1900k。为了避免飞行器鼻锥因为过高的温度而烧毁，对飞行器的鼻锥等关键部位采取有效的热防护措施是十分有必要的。发汗冷却热防护是实现高超声速飞行器头锥和前沿器件热防护的一种有效方式。

根据发汗冷却材料结构的不同可以分为多孔材料发汗冷却和层板结构发汗冷却。多孔材料发汗冷却在应用中存在两个缺陷，第一，由于多孔材料内孔隙的任意性导致缺乏流体控制的能力，第二，热斑的敏感性，当局部受热不均出现过热区时，无法阻止过热区的扩大，层板结构可以很好的克服上述缺陷。层板结构由大量的金属薄板通过扩散焊技术形成整体构型，金属薄板采用化学雕刻或激光雕刻等先进成型技术根据需要雕刻有大量的冷却剂通道。由于流动通道可以人为控制，因此冷却剂的流量可以根据热流的分布而精确分配，另一方面，通过人为的设计，使流量分配结构远离热影响区，避免热斑的出现。专利申请号为201310112295.7的发明专利申请“一种层板式发汗和逆喷组合冷却鼻锥”通过两种层板交错叠加成球形的层板叠成体，通过层板结构的分布式缝隙喷管产生多层状态的高速喷射气流，利用层板自身结构所具有的良好流道构型，克服了一般多孔材料发汗冷却结构可能出现局部过热的缺陷，达到受热部件可重复使用的目的，且在鼻锥顶部采用逆向喷流进行冷却，加强了驻点区的冷却效果。但是这个专利由于需要同时提供逆喷与发汗的冷却剂，因此需要配置两套冷却剂供应系统，而冷却剂的供应本身就是一个难题。

冷却剂的供应是发汗冷却的一个关键问题，为了更好的适应高超声速飞行器的飞行质量和尺寸要求，供应系统应具备体积小，质量轻的特点。其次，供应系统的响应速度和稳定性应该满足热防护系统的要求。常规的气体供应系统一般由高压储气罐、放气阀、缓压储气罐、稳压组件、电磁阀、喷口和连接件等几部分组成，其工作原理是贮存在高压储气罐中的高压气体经过放气阀释放到缓压储气罐内经过稳压组件的减压和稳压，在控制系统给出指令后，电磁阀开启，气体经喷口喷出。但是常规气体供应系统配备有质量较大的高压储气装置，很难应用在飞行器上，并且气体储存在高压储气罐内，难以避免出现气体泄漏问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种固体药燃气发汗的层板式燃气发汗鼻锥结构，采用固体药燃气作为发汗的冷却剂，实现冷却剂流量的合理分配，避免冷却剂的浪费，同时解决气体供应系统重量大、占用空间大的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种层板式燃气发汗鼻锥，包括层板式鼻锥结构和气体发生器，所述层板式鼻锥结构包括中空的圆形底台，所述圆形底台顶面设有层板叠成体，所述气体发生器装设于圆形底台内，其特征在于，所述层板叠成体由多块随高度增加半径依次减小的圆环形发汗层板叠加而成，所述多块发汗层板的中心位于同一直线上，所述多块发汗层板的中心圆孔依次堆叠构成冷却剂流动通道；每块所述发汗层板表面雕刻有n条沿发汗层板径向分布的流道，所述n条流道均匀分布；每m块发汗层板构成一个层板叠放周期，后一块发汗层板与前一块发汗层板的相邻流道间错开的角度为；

其中，n、m均为正整数。

一个层板叠放周期是指发汗层板逐块朝某一方向旋转，相应流道回到起始位置所需的发汗层板块数。

优选地，所述发汗层板的内径随着距顶点距离的减小而减小，这样冷却剂通道的直径由内至外逐渐减小。

进一步地，所述气体发生器包括与圆形底台匹配且一侧开口的外壳和点火器，该开口侧设有出口端盖，出口端盖上开设有与冷却剂流动通道连通的孔；所述外壳内设有与发汗层板平行的气体处理层，该气体处理层将外壳分隔成压力缓冲室和燃烧室，燃烧室内填充有气体发生剂，所述点火器从外壳端部轴心处伸入至燃烧室顶部。

所述气体处理层由2~3层微孔过滤网组成，该微孔过滤网的孔径为50~300μm。优选地，孔径为50~150μm。

进一步地，所述气体发生剂由产气剂、粘结剂、降温剂和性能调节剂组成，气体产气剂应综合选择燃烧温度低，燃烧稳定，燃烧速率可控，残渣少的固体药。

进一步地，所述气体发生剂以双基推进剂nc/ng以及辅助增塑剂fz为基础配方，再加入适量的降速降温剂，其中nc/ng/fz占比约65%，降速降温剂占比约35%。

进一步地，所述发汗层板上设有8条流道，相邻流道的夹角为45°。

进一步地，每4块发汗层板构成一个层板叠放周期，相邻发汗层板的相邻流道之间的夹角为11.25°。

进一步地，所述流道的宽度由内向外逐渐增大。

一般的机械微孔和多孔材料当受热面出现局部过热的情况时，由于局部骨架受热膨胀，发汗工质在此处的流动阻力增加，局部的发汗流量将减少，出现局部过热区的扩大和恶化。但是采用本结构由于流道呈内窄外宽的渐扩型流道，因此流动的阻力主要集中在内部的窄流道区域，当表面局部过热时，导致局部的阻力增加，但是由于增加的阻力相对于流道的整体阻力比重很小，因此不会导致流量的变化，从而避免了热斑的出现。

进一步地，所述流道的深度为0.4~0.5mm，越靠近层板叠成体的底部，流道的深度（即流道在发汗层板表面的凹进深度）越小。

进一步地，所述的圆形发汗层板的厚度为0.5~1mm，优选地，越靠近层板叠成体的顶部，发汗层板的厚度越薄。。

进一步地，所述层板叠成体的顶部设有圆弧状顶部罩，该顶部罩的中心开设有圆形发汗孔。

流道出口面积占发汗层板外表面面积的比随着距顶点距离的减小而增大，以保证在靠近顶点的高热流区域能提供更大的冷却剂流量。

工作时，点火器点燃气体发生剂，气体发生剂迅速燃烧，产生的燃气通过气体处理层的处理，一方面过滤掉燃烧的残渣，另一方面对燃气进行物理冷却，得到无残渣的燃气。燃气通过气体发生器出口进入层板叠成体内部的中空结构，最后通过层板内部的流道从鼻锥表面流出，实现对鼻锥的热防护功能。

本发明将层板发汗技术与气体发生器固体药燃气供应技术结合在一起，提出一种新型的层板式燃气发汗鼻锥，不同于以往的高压储气罐供气，而是将固体药燃烧产生的燃气作为发汗的气源，通过层板结构的分布式缝隙喷管产生多层状态的高速喷射气流，实现鼻锥受热面的防护。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）利用发汗层板结构内部流道可灵活设计的优点，精确控制不同发汗层板的流道构型，使得流道的阻力随着发汗层板位置的不同而发生变化，从而控制不同层板的流量，满足鼻锥表面不同位置的冷却需求，保障受热表面发汗流强的稳定。采用层板结构既可克服多孔材料发汗冷却出现局部过热的缺陷，又可实现冷却剂流量的合理分配，避免了冷却剂的浪费。

（2）以固体药气体发生器取代高压储气罐供气系统，大大减少供气系统的质量；气体发生器与层板结构直接相连，节省系统占用的空间；且系统响应速度快，无泄露风险。

附图说明

图1为本发明的一种层板式燃气发汗鼻锥的立体图。

图2为本发明的一种层板式燃气发汗鼻锥的剖面结构示意图。

图3为本发明的一种层板式鼻锥结构立体图。

图4为本发明的一种发汗层板结构的示意图。

图5为本发明的一种发汗层板的叠加方式示意图。

具体实施方式

图1至图5示出了本发明的一种层板式燃气发汗鼻锥的相关结构，具体地，该发汗鼻锥包括层板式鼻锥结构1和气体发生器2，所述层板式鼻锥结构1包括中空的圆形底台11，所述圆形底台11顶面设有层板叠成体12，所述气体发生器2装设于圆形底台11内，所述层板叠成体12由多块随高度增加半径依次减小的圆环形发汗层板15同轴旋转交错叠加而成，所述多块发汗层板15的中心圆孔依次堆叠构成冷却剂流动通道17；所述发汗层板15表面雕刻有8条沿发汗层板径向分布的流道16，所述8条流道16沿发汗层板15的中心均匀分布；每4块发汗层板15构成一个层板叠放周期，相邻两块发汗层板的相邻流道16之间的夹角为11.25°。

其中，所述气体发生器2包括与圆形底台11匹配且一侧开口的外壳23和点火器21，该开口侧设有出口端盖27，出口端盖27上开设有与冷却剂流动通道17连通的孔；所述外壳23内设有与发汗层板15平行的气体处理层25，该气体处理层25将外壳23分隔成压力缓冲室26和燃烧室24，燃烧室24内填充有气体发生剂，所述点火器21从外壳23端部轴心出伸入至燃烧室24顶部。优选地，出口端盖与圆筒外壳设计为一体化结构，出口端盖27与圆筒外壳22采用焊接的方式连接。优选地，点火器21采用通用的电点火器，采用螺栓22连接从圆筒外壳端部轴心处插入至燃烧室顶部点火，以使得燃烧室内的气体发生剂尽量沿轴向做层面燃烧。

所述气体处理层25由3层微孔过滤网组成，该微孔过滤网的孔径为100μm。

燃烧室24内填装烟火式气体发生剂，气体发生剂优选低燃速低燃温的推进剂。所述气体发生剂以双基推进剂nc/ng以及辅助增塑剂fz为基础配方，再加入适量的降速降温剂，其中nc/ng/fz占比约65%，降速降温剂占比约35%。

所述发汗层板15上相邻流道16的夹角为45°；所述流道16的宽度由内向外逐渐增大。发汗层板15的内径与外径均随着距顶点距离的减小而减小。

所述流道16的深度为0.4~0.5mm；所述的圆形发汗层板15的厚度为0.5~1mm。

所述层板叠成体12的顶部设有圆弧状顶部罩13，该顶部罩13的中心开设有圆形发汗孔14。