一种半开式高温热管结构的制作方法

本发明具体涉及一种半开式高温热管结构，属于高超声速飞行器热防护领域。

背景技术：

随着高超技术的进步，对高超声速飞行器的性能需求越来越高，其所面临的热环境也越来越严酷，飞行器关键部位的热防护技术称为制约其发展的关键瓶颈技术。

高超声速飞行器具有保形要求，需要飞行器采用非/微烧蚀热防护，传统的烧蚀热防护技术难以满足需求。以c/c、c/sic等复合材料为主的被动式热防护技术目前应用较多，但其存在氧化和高温烧蚀的问题，在极高热流状态下，防热压力较大。以封闭式高温热管为核心的疏导式热防护技术自身缺乏热耗散机制，只适用于前缘结构等热量集中分布情况下的热防护，对于控制舵舵面等大面积区域受热的情况，防热效果有限。再生冷却、发汗冷却等主动冷却技术虽然冷却效率极高，但需要冷却剂供应系统和储箱，对能源、空间需求高，且系统复杂，技术成熟度低。

因此，需要发展一种新的热防护技术，既可以应对更高的热环境状态，同时系统简单可靠，从而为极高状态下的飞行器热防护提供新的解决途径。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，将主动冷却的思想与疏导式热防护技术融合起来，提出一种半开式高温热管结构，特别是一种自带热耗散机制的半开式高温热管防热结构。

本发明采用的技术方案为：

一种半开式高温热管结构，包括：金属腔体、毛细结构、储液结构、充装管、排气管、温度控制开关和n个加强结构；

金属腔体为封闭式的腔体结构，内部充装碱金属工质，毛细结构紧贴腔体内壁面，储液结构放置于腔体内部的非加热壁面，充装管与排气管开孔于非加热壁面，温度控制开关置于排气管内，n个加强结构布置于腔体内部。

所述金属腔体的材料为不锈钢、镍铬合金或铌合金中的任意一种，金属腔体壁厚的取值范围为1～3mm。

所述毛细结构由3层毛细丝网组成，用于为工质回流提供毛细力，所述毛细丝网的材质为不锈钢或钼，3层毛细丝网采用粗-细-粗方式排列，位于中间层的毛细丝网的筛网目数为300目，位于外侧两层的毛细丝网的筛网目数为100目。

所述储液结构由10～20层毛细丝网压制而成，储液结构的总厚度小于金属腔体厚度的一半；储液结构毛细丝网的材质为不锈钢或钼，筛网目数为100目。

所述充装管采用金属直圆管，充装管直径的取值范围为4～10mm，充装管的壁厚度为1mm。

所述排气管采用金属直圆管，排气管直径的取值范围为4～20mm，排气管的管壁厚度取值范围为1～3mm，排气管的管口置于金属腔体的中心处。

所述温度控制开关采用ag5钎料制成。

n个加强结构表面铺设3层毛细丝网，与金属腔体内壁面处毛细丝网保持连通性。

所述金属腔体腔内碱金属工质采用钾、钠或锂任意之一，碱金属工质的纯度不低于95％，工质总量占腔内体积的30～50％。

本发明的优点和积极效果在于：

1)本发明借鉴了主动冷却消耗工质质量实现热量耗散的思路，可有效应对极高热流状态下的热防护难题。

2)本发明利用毛细结构实现工质的存储和输运，不需要额外的冷却剂供应系统和储箱，对能源和空间的需求小，防热结构更加简单可靠。

3)本发明半开式高温热管属于非烧蚀热防护技术，采用金属材料，可用作防热/承载一体化功能。

附图说明

图1为本发明半开式高温热管结构示意图；

图2为热环境状态曲线图；

图3为采用被动热防护方案和采用半开式热管方案的计算结果对比示意图。

具体实施方式

针对未来的高超声速飞行器局部热防护需求，本发明提出了一种自带热耗散机制的半开式高温热管结构。

本发明一种半开式高温热管结构，如图1所示，包括：金属腔体1、毛细结构2、储液结构3、排气管4、排气管5、温度控制开关6和加强结构7。其中，金属腔体1在常温下为封闭式的腔体结构，腔内放置高纯度碱金属工质，高温下达到设计温度值后，由排气管5处变为开启状态。金属腔体1所用金属为不锈钢、镍铬合金或铌合金，壁厚1～3mm。碱金属工质用作冷却剂，采用钾、钠或锂，纯度不低于95％，工质总量占腔内体积的30～50％。毛细结构2紧贴腔体内壁面，由3层毛细丝网组成，用于为工质回流提供毛细力，确保加热面处始终有液态冷却剂工质存在。毛细丝网材质为不锈钢或钼，采用粗-细-粗方式排列，规格为100-300-100目。储液结构3放置于腔体内部的非加热面，由10～20层毛细丝网压制而成，总厚度小于腔体厚度的一半。毛细丝网材质为不锈钢或钼，规格为100目。碱金属工质均匀地分布在毛细结构2和储液结构3中。充装管4与排气管5开孔于非加热面。充装管4用于真空环境下向腔体内充装碱金属工质，完成充装工艺后密封处理，采用金属直圆管，管径4～10mm，管壁厚度1mm。排气管5用于连接热管腔体内外，通过内外压差控制工质的排出过程，采用金属直圆管，管径4～20mm，管壁厚度1～3mm，管口置于金属腔体中心处。管径应根据工质排出量需求进行设计优化，以确保排出的工质量足够。温度控制开关6置于排气管5内，由ag5钎料实现，通过调整材料配比，可改变钎料熔点，使开关在设计温度点熔化，开关可调温度范围600～800℃。n个加强结构7布置于腔体内部，用于保证结构强度，数量及分布应根据强度校核结果确定。加强结构7表面铺设3层毛细丝网，与金属腔体1内壁面处毛细丝网保持连通性，使液态碱金属工质可在更短的路径内循环至加热面。毛细丝网材质为不锈钢或钼，采用粗-细-粗方式排列，规格为100-300-100目。

工作原理：半开式高温热管受到外界的气动加热，加热侧腔内的工质吸热相变并发生气化。在压差作用下，气态工质携带热量至非受热面，释放热量，并凝结为液态。在毛细力的作用下，液态工质由储液结构，沿腔体壁面及加强结构表面的毛细丝网回流至加热面，完成循环。当热管腔内达到饱和状态后，在气动加热作用下，结构温度会持续上升，直至达到温度控制开关设定的温度。开关内焊料熔化，开关开启，气态工质携带热量由排气管喷出热管腔体外，实现热量的耗散。当气动加热量与喷出工质携带的热量相同时，结构达到热平衡状态，温度不再上升。通过合理的设计排气管尺寸，可控制工质排出量，从而控制结构温度在合理的范围。

半开式高温热管结构借鉴了主动冷却技术的思路，依靠消耗工质质量实现热量的耗散。但半开式高温热管不需要冷却剂供应系统和储箱，其工质存储在热管内部，由毛细结构的吸附力，将工质持续地输运至受热面，从而实现对整个结构的冷却。半开式高温热管自带热耗散机制，不需要供应系统和储箱，大大简化了系统结构，减少了冷却系统对能源及空间的需求，为极高状态下的飞行器热防护提供了新的解决途径。

实施例

为了进一步说明半开式高温热管结构在热防护中的有效性，针对锂工质/铌合金半开式热管开展了数值计算。加热条件如图2所示，温度计算结果如图3所示。从图3结果可知，若无半开式热管机制，则热管加热侧壁面温度将达到tin所示的2350℃，铌合金热管将发生热破坏。若考虑半开式热管机制，依靠工质的相变喷出消耗热量，可将热管加热侧壁面的温度降至到tin_li所示的1000℃，从而确保防热安全。计算结果展示了本发明提出的半开式热管机制的有效。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。