【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高超声速飞行器热防护，尤其涉及一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构。
技术介绍
1、高超声速飞行器设计需要缓解由于气体的黏滞作用所带来的高热通量问题。如图4所示，飞行器再入过程中，头锥、翼前缘等尖锐前缘结构的驻点区域气动力和气动热是最强的，可能需要承受超过10mw/m2的极高热流密度。为了保证飞行器气动外形的完整性，必须采用先进的主动热防护技术，可以局部应用于这些区域的候选技术之一是发汗冷却。
2、发汗冷却热防护结构通过主动供给系统，将飞行器内存储的工质通过压力作用经由多孔结构在受热区域喷出，从而降低结构表面温度并形成边界层热阻塞效应。液态冷却工质由于具有较大的比热容，且在冷却过程中可以吸收大量的相变潜热，具有更强的冷却能力。然而，使用液态冷却工质作为冷却工质的发汗冷却遇到局部过热情况时，对应区域多孔结构内蒸汽占比相较其他低热区更高，由于同一工质气态下流动阻力比液态下大很多，因此多孔结构内的冷却工质偏向流动阻力更小的低热区域流去，局部过热区域的发汗流量将减少，进而引发蒸汽在多孔内部过度积聚，导致局部过热处的扩大和恶化。因此，在头锥、翼前缘等尖锐前缘处采用传统单一式发汗冷却系统存在如下问题：
3、（一）前缘结构表面气动热/力空间分布极不均匀，驻点区域承受的气动热/力远大于下游结构，单一发汗冷却在驻点位置发不出“汗”而在下游“冷却过度”，冷却效果极度不均匀，结构热应力显著，同时由于冷却工质热沉大量浪费，飞行器需要携带更多冷却工质，导致能携带的有效负载减少；
4、（二）液态冷却
5、（三）当液态冷却工质在非均匀受热的多孔结构内部发生剧烈相变时，蒸汽阻塞效应导致相变位置及结构温度持续波动，冷却工质压力同步出现尖锐峰值，结构温度振荡易造成材料内部发生热疲劳失效，压力骤升骤降导致调控模块难以及时调整冷却工质流量以应对快速变化的热负荷，基于此，现提出一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，提出的耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却结构实现了冷却工质热沉的定向利用以及驻点区和非驻点区的分区调控，稳定性高，均匀性好，操控灵活，可靠性大。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，包括头锥前缘体，所述头锥前缘体包括多孔端头帽、冷却腔、前连接管、后连接管、不可渗透固壁、注水管道、内冷流道、汽液分离器、前冷接管、单向节流阀、蒸汽引射器和逆向蒸汽喷口；
4、所述多孔端头帽处在不可渗透固壁端部，并与不可渗透固壁密封式连接，形成头锥前缘体壳体；
5、所述头锥前缘体内部依次安装注水管道、内冷流道和汽液分离器；
6、所述内冷流道与汽液分离器入口之间由封闭直板与后连接管连通；
7、所述汽液分离器蒸汽出口与多孔端头帽的逆向蒸汽喷口之间由前连接管与蒸汽引射器连通；
8、所述汽液分离器液态工质出口与冷却腔由封闭直板和前冷接管连接，且位于所述不可渗透固壁的径向内侧。
9、优选地，所述注水管道采用分流式设计，通过条旁通支管将液体冷却工质均匀输送至内冷流道中。
10、优选地，所述内冷流道与注水管道之间通过三条旁通支路连通。
11、优选地，所述前连接管内安装有控制蒸汽出流速度的单向节流阀，只允许蒸汽定向通过。
12、优选地，所述内冷流道一端与注水管道连接，另一端与后连接管连接，所述后连接管另一端与汽液分离器连接。
13、优选地，所述单向节流阀安装在前连接管上，用于控制蒸汽出流速度，且只允许蒸汽定向透出。
14、优选地，所述内冷流道与注水管道壁厚为mm，连接管壁厚为mm，所述注水管道、前连接管、蒸汽引射器、后连接管和逆向蒸汽喷口同整个前缘结构同轴分布。
15、优选地，所述多孔端头帽的材料具体为轻质陶瓷基复合材料。
16、相比现有技术，本专利技术的有益效果为：
17、1、对于飞行器尖锐前缘部位所面临的极不均匀的热载荷，本专利技术采用液态水对前缘非驻点区域进行发汗冷却，同时以蒸汽逆向喷注的方式对驻点区域进行热防护，在双重气膜的保护作用下实现驻点和非驻点区域的均匀、高效冷却，有效地避免了两区域统一发汗时驻点区的蒸汽堵塞和传热恶化，以及非驻点区的冷却过度。
18、2、冷却工质在内冷流道内充分吸热至部分相变，汽液分离后液态部分进一步在前缘非驻点区的多孔结构内吸热至充分相变，饱和蒸汽部分输运至驻点逆喷口，驻点区和非驻点区流出的蒸汽形成双重气膜，继续吸收边界层的气动热对结构进行隔热。因此，相比两区域统一发汗时非驻点区域的液态工质直接出流、过度冷却，本专利技术中冷却工质的全部潜热和显热得到了充分、高效地利用，极大地节省了冷却工质用量。
19、3、对前缘结构上承受最高气动热/力载荷的驻点区域、气动热/力载荷较低且变化平缓的非驻点区域进行分区独立热调控，避免了两区域统一发汗时热载荷不均匀导致的结构温度振荡和冷却工质压力骤升骤降问题，增强了整个热防护系统的稳定性，避免了材料内部发生热疲劳失效。
20、4、蒸汽的逆向喷注可以将前缘的弓形激波进一步推离结构表面，降低发汗结构外表面的气动压力，减小液态发汗冷却工质的流动阻力，进而降低系统的注射压力，节省系统能量消耗，注射系统设计方式更加灵活。
21、5、冷却工质注射管道设计采用分管式注射，确保冷却工质的均匀输送，同时在各分管局部区域形成高效冲击冷却，提高内冷流道内流体湍流度，从而最大化冷却工质的热沉利用，增加蒸汽产量。管内的两相混合态冷却工质，相比单相态流体具有更强的对流换热能力，可以对非驻点区域下游的大面积非渗透壁面进行有效地冷却，并且将冷通道的温度均匀地维持在冷却工质沸点附近，实现对内部设备的保护。
22、6、由于整个飞行器前缘结构被分成三个区域，蒸汽逆向喷注的驻点区、液态工质发汗的非驻点区、内部冲击对流的下游大面积区，三个区域的划分极大地降低了加工的难度和选材的灵活性，避免了集微孔和复杂流道一体加工的难题，每个分区还可以灵活选择最适合的轻质材料，有效减小整个热防护系统的重量，实现轻量化目标。
23、7、蒸汽经蒸汽引射器和锥形喷口设计可以实现二级物理增压，有效提高流体的压力能，进而节省注射系统的能量消耗，实现更高的能源利用效率。
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1.一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，包括头锥前缘体，所述头锥前缘体包括多孔端头帽（1）、冷却腔（2）、前连接管（3）、后连接管（4）、不可渗透固壁（5）、注水管道（6）、内冷流道（7）、汽液分离器（8）、前冷接管（9）、单向节流阀（10）、蒸汽引射器（11）和逆向蒸汽喷口（12）；
2.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述注水管道（6）采用分流式设计，通过五条旁通支管将液体冷却工质均匀输送至内冷流道（7）中。
3.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述内冷流道（7）与注水管道（6）之间通过三条旁通支路连通。
4.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述前连接管（3）内安装有控制蒸汽出流速度的单向节流阀（10），只允许蒸汽定向透过。
5.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述内冷流道（7）一端与注水管道（6）连接，另一端与后连接管（4）
6.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述单向节流阀（10）安装在前连接管（3）上，用于控制蒸汽出流速度，且只允许蒸汽定向透出。
7.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述内冷流道（7）与注水管道（6）壁厚为2mm，连接管壁厚为1mm，所述注水管道（6）、前连接管（3）、蒸汽引射器（11）、后连接管（4）和逆向蒸汽喷口（12）同整个前缘结构同轴分布。
8.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述多孔端头帽（1）的材料具体为轻质陶瓷基复合材料。
...【技术特征摘要】
1.一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，包括头锥前缘体，所述头锥前缘体包括多孔端头帽（1）、冷却腔（2）、前连接管（3）、后连接管（4）、不可渗透固壁（5）、注水管道（6）、内冷流道（7）、汽液分离器（8）、前冷接管（9）、单向节流阀（10）、蒸汽引射器（11）和逆向蒸汽喷口（12）；
2.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述注水管道（6）采用分流式设计，通过五条旁通支管将液体冷却工质均匀输送至内冷流道（7）中。
3.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述内冷流道（7）与注水管道（6）之间通过三条旁通支路连通。
4.根据权利要求1所述的一种耦合蒸汽逆向喷注的发汗冷却前缘热防护结构，其特征在于，所述前连接管（3）内安装有控制蒸汽出流速度的单向节流阀（10），只允许蒸汽定向透过。...
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