【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及高超聲速飛行器熱防護，尤其涉及一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構。
技術介紹
1、高超聲速飛行器設計需要緩解由于氣體的黏滯作用所帶來的高熱通量問題。如圖4所示，飛行器再入過程中，頭錐、翼前緣等尖銳前緣結構的駐點區域氣動力和氣動熱是最強的，可能需要承受超過10mw/m2的極高熱流密度。為了保證飛行器氣動外形的完整性，必須采用先進的主動熱防護技術，可以局部應用于這些區域的候選技術之一是發汗冷卻。
2、發汗冷卻熱防護結構通過主動供給系統，將飛行器內存儲的工質通過壓力作用經由多孔結構在受熱區域噴出，從而降低結構表面溫度并形成邊界層熱阻塞效應。液態冷卻工質由于具有較大的比熱容，且在冷卻過程中可以吸收大量的相變潛熱，具有更強的冷卻能力。然而，使用液態冷卻工質作為冷卻工質的發汗冷卻遇到局部過熱情況時，對應區域多孔結構內蒸汽占比相較其他低熱區更高，由于同一工質氣態下流動阻力比液態下大很多，因此多孔結構內的冷卻工質偏向流動阻力更小的低熱區域流去，局部過熱區域的發汗流量將減少，進而引發蒸汽在多孔內部過度積聚，導致局部過熱處的擴大和惡化。因此，在頭錐、翼前緣等尖銳前緣處采用傳統單一式發汗冷卻系統存在如下問題：
3、（一）前緣結構表面氣動熱/力空間分布極不均勻，駐點區域承受的氣動熱/力遠大于下游結構，單一發汗冷卻在駐點位置發不出“汗”而在下游“冷卻過度”，冷卻效果極度不均勻，結構熱應力顯著，同時由于冷卻工質熱沉大量浪費，飛行器需要攜帶更多冷卻工質，導致能攜帶的有效負載減少；
4、（二）液態冷卻
5、（三）當液態冷卻工質在非均勻受熱的多孔結構內部發生劇烈相變時，蒸汽阻塞效應導致相變位置及結構溫度持續波動，冷卻工質壓力同步出現尖銳峰值，結構溫度振蕩易造成材料內部發生熱疲勞失效，壓力驟升驟降導致調控模塊難以及時調整冷卻工質流量以應對快速變化的熱負荷，基于此，現提出一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是為了解決現有技術中的問題，而提出的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，提出的耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻結構實現了冷卻工質熱沉的定向利用以及駐點區和非駐點區的分區調控，穩定性高，均勻性好，操控靈活，可靠性大。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用了如下技術方案：
3、一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，包括頭錐前緣體，所述頭錐前緣體包括多孔端頭帽、冷卻腔、前連接管、后連接管、不可滲透固壁、注水管道、內冷流道、汽液分離器、前冷接管、單向節流閥、蒸汽引射器和逆向蒸汽噴口；
4、所述多孔端頭帽處在不可滲透固壁端部，并與不可滲透固壁密封式連接，形成頭錐前緣體殼體；
5、所述頭錐前緣體內部依次安裝注水管道、內冷流道和汽液分離器；
6、所述內冷流道與汽液分離器入口之間由封閉直板與后連接管連通；
7、所述汽液分離器蒸汽出口與多孔端頭帽的逆向蒸汽噴口之間由前連接管與蒸汽引射器連通；
8、所述汽液分離器液態工質出口與冷卻腔由封閉直板和前冷接管連接，且位于所述不可滲透固壁的徑向內側。
9、優選地，所述注水管道采用分流式設計，通過條旁通支管將液體冷卻工質均勻輸送至內冷流道中。
10、優選地，所述內冷流道與注水管道之間通過三條旁通支路連通。
11、優選地，所述前連接管內安裝有控制蒸汽出流速度的單向節流閥，只允許蒸汽定向通過。
12、優選地，所述內冷流道一端與注水管道連接，另一端與后連接管連接，所述后連接管另一端與汽液分離器連接。
13、優選地，所述單向節流閥安裝在前連接管上，用于控制蒸汽出流速度，且只允許蒸汽定向透出。
14、優選地，所述內冷流道與注水管道壁厚為mm，連接管壁厚為mm，所述注水管道、前連接管、蒸汽引射器、后連接管和逆向蒸汽噴口同整個前緣結構同軸分布。
15、優選地，所述多孔端頭帽的材料具體為輕質陶瓷基復合材料。
16、相比現有技術，本專利技術的有益效果為：
17、1、對于飛行器尖銳前緣部位所面臨的極不均勻的熱載荷，本專利技術采用液態水對前緣非駐點區域進行發汗冷卻，同時以蒸汽逆向噴注的方式對駐點區域進行熱防護，在雙重氣膜的保護作用下實現駐點和非駐點區域的均勻、高效冷卻，有效地避免了兩區域統一發汗時駐點區的蒸汽堵塞和傳熱惡化，以及非駐點區的冷卻過度。
18、2、冷卻工質在內冷流道內充分吸熱至部分相變，汽液分離后液態部分進一步在前緣非駐點區的多孔結構內吸熱至充分相變，飽和蒸汽部分輸運至駐點逆噴口，駐點區和非駐點區流出的蒸汽形成雙重氣膜，繼續吸收邊界層的氣動熱對結構進行隔熱。因此，相比兩區域統一發汗時非駐點區域的液態工質直接出流、過度冷卻，本專利技術中冷卻工質的全部潛熱和顯熱得到了充分、高效地利用，極大地節省了冷卻工質用量。
19、3、對前緣結構上承受最高氣動熱/力載荷的駐點區域、氣動熱/力載荷較低且變化平緩的非駐點區域進行分區獨立熱調控，避免了兩區域統一發汗時熱載荷不均勻導致的結構溫度振蕩和冷卻工質壓力驟升驟降問題，增強了整個熱防護系統的穩定性，避免了材料內部發生熱疲勞失效。
20、4、蒸汽的逆向噴注可以將前緣的弓形激波進一步推離結構表面，降低發汗結構外表面的氣動壓力，減小液態發汗冷卻工質的流動阻力，進而降低系統的注射壓力，節省系統能量消耗，注射系統設計方式更加靈活。
21、5、冷卻工質注射管道設計采用分管式注射，確保冷卻工質的均勻輸送，同時在各分管局部區域形成高效沖擊冷卻，提高內冷流道內流體湍流度，從而最大化冷卻工質的熱沉利用，增加蒸汽產量。管內的兩相混合態冷卻工質，相比單相態流體具有更強的對流換熱能力，可以對非駐點區域下游的大面積非滲透壁面進行有效地冷卻，并且將冷通道的溫度均勻地維持在冷卻工質沸點附近，實現對內部設備的保護。
22、6、由于整個飛行器前緣結構被分成三個區域，蒸汽逆向噴注的駐點區、液態工質發汗的非駐點區、內部沖擊對流的下游大面積區，三個區域的劃分極大地降低了加工的難度和選材的靈活性，避免了集微孔和復雜流道一體加工的難題，每個分區還可以靈活選擇最適合的輕質材料，有效減小整個熱防護系統的重量，實現輕量化目標。
23、7、蒸汽經蒸汽引射器和錐形噴口設計可以實現二級物理增壓，有效提高流體的壓力能，進而節省注射系統的能量消耗，實現更高的能源利用效率。
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1.一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，包括頭錐前緣體，所述頭錐前緣體包括多孔端頭帽（1）、冷卻腔（2）、前連接管（3）、后連接管（4）、不可滲透固壁（5）、注水管道（6）、內冷流道（7）、汽液分離器（8）、前冷接管（9）、單向節流閥（10）、蒸汽引射器（11）和逆向蒸汽噴口（12）；
2.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述注水管道（6）采用分流式設計，通過五條旁通支管將液體冷卻工質均勻輸送至內冷流道（7）中。
3.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述內冷流道（7）與注水管道（6）之間通過三條旁通支路連通。
4.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述前連接管（3）內安裝有控制蒸汽出流速度的單向節流閥（10），只允許蒸汽定向透過。
5.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述內冷流道（7）一端與注水管道（6）連接，另一端與后連接管（4）
6.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述單向節流閥（10）安裝在前連接管（3）上，用于控制蒸汽出流速度，且只允許蒸汽定向透出。
7.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述內冷流道（7）與注水管道（6）壁厚為2mm，連接管壁厚為1mm，所述注水管道（6）、前連接管（3）、蒸汽引射器（11）、后連接管（4）和逆向蒸汽噴口（12）同整個前緣結構同軸分布。
8.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述多孔端頭帽（1）的材料具體為輕質陶瓷基復合材料。
...【技術特征摘要】
1.一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，包括頭錐前緣體，所述頭錐前緣體包括多孔端頭帽（1）、冷卻腔（2）、前連接管（3）、后連接管（4）、不可滲透固壁（5）、注水管道（6）、內冷流道（7）、汽液分離器（8）、前冷接管（9）、單向節流閥（10）、蒸汽引射器（11）和逆向蒸汽噴口（12）；
2.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述注水管道（6）采用分流式設計，通過五條旁通支管將液體冷卻工質均勻輸送至內冷流道（7）中。
3.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述內冷流道（7）與注水管道（6）之間通過三條旁通支路連通。
4.根據權利要求1所述的一種耦合蒸汽逆向噴注的發汗冷卻前緣熱防護結構，其特征在于，所述前連接管（3）內安裝有控制蒸汽出流速度的單向節流閥（10），只允許蒸汽定向透過。...
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