本發(fā)明涉及高速飛行器，更具體地，涉及一種用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)及其使用方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)飛行器高速飛行時(shí)，由于激波壓縮、粘性摩擦等作用，導(dǎo)致其外壁及附近溫度迅速升高，為保證內(nèi)部成件在允許的溫度范圍內(nèi)正常工作并維持其氣動(dòng)外形，必須進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)熱防護(hù)設(shè)計(jì)。

2、熱防護(hù)技術(shù)主要可分為被動(dòng)和主動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)。利用熱防護(hù)材料隔熱或燒蝕材料相變吸熱的被動(dòng)熱防護(hù)是應(yīng)用最為廣泛的氣動(dòng)熱處理措施，在諸多高速飛行器(如美國(guó)x－30、x－47)中得到應(yīng)用。此類熱防護(hù)技術(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但制備工藝復(fù)雜、成本高。燒蝕防熱系統(tǒng)在高速飛行時(shí)，材料會(huì)隨著溫度升高而逐漸被燒蝕，易使整體氣動(dòng)外形改變導(dǎo)致事故發(fā)生。同時(shí)，由于被動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)吸熱能力弱，在長(zhǎng)航時(shí)應(yīng)用中所需材料厚度和重量大，嚴(yán)重壓縮飛行器有效載荷。主動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)主要分為兩類，分別是發(fā)汗冷卻和對(duì)流冷卻。發(fā)汗冷卻常用的冷卻工質(zhì)是水，其借鑒生物體發(fā)汗散熱的方式，利用水的汽化潛熱吸收熱量并形成隔熱屏障，但系統(tǒng)可靠性較差。對(duì)流冷卻常被用于空天飛行器或者航空飛行器中，一般采用循環(huán)液體碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s劑，利用燃料的升溫物理熱容帶走結(jié)構(gòu)表面熱量，由于燃料結(jié)焦的限制，這種吸熱模式只適用于速度低于5馬赫時(shí)超音速飛行，無法適應(yīng)更高航速的熱防護(hù)要求。

3、近年來，隨高速飛行器性能的進(jìn)一步提高，特別是長(zhǎng)航時(shí)全球打擊飛行器的發(fā)展，導(dǎo)致其氣動(dòng)熱環(huán)境更加復(fù)雜和嚴(yán)酷。因此，發(fā)展一種高效可靠的高速飛行器氣動(dòng)熱防護(hù)方法具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)及其使用方法，該主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)不僅吸熱能力強(qiáng)，且可利用氣動(dòng)熱產(chǎn)生高溫高壓氣體做功，實(shí)現(xiàn)廢熱利用，進(jìn)而降低飛行器隔熱層厚度、增大系統(tǒng)有效載荷，并有效提高飛行器機(jī)動(dòng)性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：液體儲(chǔ)罐1、主動(dòng)熱防護(hù)板3、氣體高壓儲(chǔ)罐4和推力發(fā)動(dòng)機(jī)7；所述液體儲(chǔ)罐1、所述主動(dòng)熱防護(hù)板3和所述氣體高壓儲(chǔ)罐4的順次相連成環(huán)路；所述液體儲(chǔ)罐1和所述主動(dòng)熱防護(hù)板3之間的連接管路、所述氣體高壓儲(chǔ)罐4和所述液體儲(chǔ)罐1之間的連接管路上分別設(shè)有第一電磁閥2和第四電磁閥8；所述氣體高壓儲(chǔ)罐4還設(shè)有兩路氣路，其中一路通過第三電磁閥6與所述推力發(fā)動(dòng)機(jī)相連7，另一路經(jīng)第二電磁閥5與外部連通；所述液體儲(chǔ)罐1用于貯存液態(tài)吸熱工質(zhì)；所述主動(dòng)熱防護(hù)板3的內(nèi)部裝填有催化劑。

4、可選的，當(dāng)所述液態(tài)吸熱工質(zhì)包括水、氨水和醇水混合溶液中的一種時(shí)，所述催化劑為碳基材料。

5、可選的，當(dāng)所述液態(tài)吸熱工質(zhì)為氨水或醇水混合溶液時(shí)，所述催化劑為前床催化劑和后床催化劑構(gòu)成的雙床催化體系；所述前床催化劑為負(fù)載型催化劑；所述后床催化劑為碳基材料。

6、可選的，所述前床催化劑的填裝體積占所述主動(dòng)熱防護(hù)板3總體積的5％～25％；所述后床催化劑的填裝體積占所述主動(dòng)熱防護(hù)板3總體積的75％～95％。

7、可選的，所述氨水的質(zhì)量濃度為1％～25％。

8、可選的，所述醇水混合溶液中醇組分的質(zhì)量濃度為1％～75％；所述醇水混合溶液包括含有甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇中的至少一種的水溶液。

9、可選的，所述碳基材料為金屬修飾的木質(zhì)活性炭、椰殼炭、杏仁炭或二維碳材料中的至少一種。

10、可選的，所述金屬包括k、mg、ca、la、fe、ni、co、cu和ru中的至少一種。

11、可選的，在所述碳基材料中，修飾金屬的質(zhì)量含量占所述碳基材料的0wt％～15wt％。

12、可選的，所述負(fù)載型催化劑包括硅改性氧化鋁和負(fù)載于所述硅改性氧化鋁上的活性組分。

13、可選的，所述活性組分包括ru、cu、ni、pt中的至少一種。

14、可選的，所述活性組分占所述負(fù)載型催化劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt％～30wt％。

15、本發(fā)明還公開了一種如上述的用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟：

16、當(dāng)主動(dòng)熱防護(hù)板3的外壁溫度至400℃～900℃時(shí)，將貯存在所述液體儲(chǔ)罐1內(nèi)的液態(tài)吸熱工質(zhì)通過管路輸送至所述主動(dòng)熱防護(hù)板3內(nèi)，所述液態(tài)吸熱工質(zhì)先在氣動(dòng)熱作用下發(fā)生汽化反應(yīng)，隨后在催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生高壓燃?xì)庑》肿?，以?shí)現(xiàn)氣動(dòng)熱吸收，所述高壓燃?xì)庑》肿油ㄟ^管路輸送至所述氣體高壓儲(chǔ)罐4中進(jìn)行貯存；

17、當(dāng)所述液體儲(chǔ)罐1的壓力＜0.5mpa時(shí)，關(guān)閉第一電磁閥2、第二電磁閥5和第三電磁閥6，打開第四電磁閥8，使部分未反應(yīng)的吸熱工質(zhì)冷凝，并通過電磁閥8進(jìn)入液體儲(chǔ)罐1，實(shí)現(xiàn)吸熱工質(zhì)循環(huán)利用；

18、當(dāng)所述高速飛行器進(jìn)行狀態(tài)切換時(shí)，關(guān)閉第四電磁閥8和第二電磁閥5，打開第三電磁閥6并通入所述高壓燃?xì)庑》肿?，?jīng)所述推力發(fā)動(dòng)機(jī)7排出，進(jìn)而做功產(chǎn)生推力；

19、當(dāng)高速飛行器的動(dòng)力滿足飛行狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉第四電磁閥8和第三電磁閥6，打開第二電磁閥5，所述高壓燃?xì)庑》肿佑晒苈放懦鲋敝了鰵怏w高壓儲(chǔ)罐4的壓力為0.5mpa～3mpa時(shí)，關(guān)閉所述第二電磁閥5。

20、可選的，當(dāng)所述液態(tài)吸熱工質(zhì)為水、氨水或醇水混合溶液時(shí)，以0.5g/s～50g/s的進(jìn)料速度輸送至所述主動(dòng)熱防護(hù)板3內(nèi)的液態(tài)吸熱工質(zhì)先在氣動(dòng)熱作用下發(fā)生汽化反應(yīng)，隨后在碳基材料的作用下發(fā)生水碳汽化反應(yīng)與氨分解反應(yīng)或醇水重整反應(yīng)并產(chǎn)生高壓燃?xì)庑》肿印?/p>

21、可選的，當(dāng)所述液態(tài)吸熱工質(zhì)為氨水或醇水混合溶液時(shí)，以0.5g/s～50g/s的進(jìn)料速度輸送至所述主動(dòng)熱防護(hù)板3內(nèi)的液態(tài)吸熱工質(zhì)先在氣動(dòng)熱作用下發(fā)生汽化反應(yīng)，隨后在雙床催化體系的作用下發(fā)生水碳汽化反應(yīng)與氨分解反應(yīng)或醇水重整反應(yīng)并產(chǎn)生高壓燃?xì)庑》肿?；其中，雙床催化體系中前床催化劑為負(fù)載型催化劑，后床催化劑為碳基材料。

22、本發(fā)明還公開了一種高速飛行器，包括上述的用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)。

23、實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，將具有如下有益效果：

24、1、與傳統(tǒng)的被動(dòng)隔熱方式相比，本發(fā)明提供的用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)屬于主動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)，具有冷卻能力強(qiáng)、可承受高密度熱流的長(zhǎng)時(shí)間加熱、實(shí)現(xiàn)閉環(huán)溫度控制等優(yōu)點(diǎn)。

25、2、與水發(fā)汗的主動(dòng)隔熱方式相比，本發(fā)明提供的用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)不僅可利的液體吸熱工質(zhì)的物理吸熱，還可通過化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)化吸熱，系統(tǒng)理論最大吸熱能力較水發(fā)汗吸熱(～3mj/kg)提高一倍以上(>6mj/kg)，當(dāng)進(jìn)一步耦合氨分解、醇分解或醇水重整反應(yīng)，可進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)吸熱性能。

26、3、與碳?xì)淙剂衔鼰嵯啾?熱沉)，本發(fā)明提供的用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)理論熱沉更高，可適用于飛行速度高于5馬赫的應(yīng)用場(chǎng)景。

27、4、本發(fā)明提供的用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)置合理緊湊，便于實(shí)現(xiàn)控制且維護(hù)方便。

28、5、本發(fā)明提供的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)將其用于高速飛行器，不僅可以滿足高速飛行器遠(yuǎn)程長(zhǎng)時(shí)間飛行的溫控需求；同時(shí)，該系統(tǒng)無需采用較厚或較重的材料，有利于飛行器減重，避免壓縮飛行器有效載荷。

29、6、本發(fā)明提供的用于高速飛行器的主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)，氣體高壓儲(chǔ)罐的一路與推力發(fā)動(dòng)機(jī)相連，從而可產(chǎn)生推力做功，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速飛行器姿態(tài)、速度的調(diào)整，提高其機(jī)動(dòng)性能；氣體高壓儲(chǔ)罐的另一路經(jīng)第三電磁閥與外部連通，可以避免由于壓力增大造成安全事故的發(fā)生。