一种固体燃气发生器气源的气膜隔热降温装置的制作方法

1.本发明涉及的一种固体燃气发生器气源的气膜隔热降温装置，用于高超声速飞行器头罩外表面的主动式隔热，属于高超声速飞行器防热隔热技术领域。


背景技术：

2.空天飞机、航天飞机、导弹、火箭等高超声速飞行器（以下简称“飞行器”）在大气层内长时间高速飞行时，头罩外表面会产生很高的动压和强烈的气动加热效应。恶劣的气动加热效应所产生的高温，会显著降低飞行器壳体材料的强度极限和结构承载能力。飞行器热防护的基本目的是在气动加热的严酷环境下，确保飞行器的结构安全，并使飞行器内壁保持在可允许的温度和压力范围内；目前飞行器防热隔热技术主要有被动防热、主动防热、半主动防热三大类，其中：被动热防护主要是依靠防热结构和材料本身将热量吸收或辐射出去，不需要工质，这种方案简单可靠，目前被广泛采用，但防热时间较短；主动冷却主要是依靠冷却工质将绝大部分热流带走，并将一小部分热量反射，这种方案防热时间长，但装置内需设计冷却工质贮箱和输送系统，结构较复杂、占用空间较大；半主动热防护介于被动防热和主动防热之间，主要采取热管结构和烧蚀结构两种形式，防热时间较长，其内不需要贮箱和输送系统，而热管结构相对烧蚀结构要复杂、占用空间较大；考虑到飞行器头罩表面的气动结构较为复杂，同时，受金属壳体和内部元件使用温度、弹径尺寸等多方面的限制，单一的被动防热（如防热瓦、碳碳材料、碳硅材料）或半主动防热（如烧蚀结构）已无法满足更高速度、更长时间下的热防护需求。高速、长时间飞行产生的恶劣气动加热效应将会导致飞行器气动外型面发生改变，进而影响飞行器的飞行稳定性。


技术实现要素：

3.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的缺陷，提出一种固体燃气发生器气源的气膜隔热降温装置，采用低温固体燃气发生器作为气源，经过滤、整流、稳压后将低温、洁净、输送压力稳定的气体输送到飞行器头罩的气膜隔热孔中，在头罩外表面能形成均匀的低温气膜，能有效降低飞行器头罩外表面的气动加热效应，大幅减轻飞行器头罩材料的烧蚀，从而满足飞行器更高速度、更长时间下的热防护需求；本发明的技术解决方案为：一种以低温固体燃气发生器作为气源的气膜隔热降温装置，主要由飞行器头罩（1）、发生器固定支架（2）、固体燃气发生器（3）、燃气过滤及整流贮箱（4）、气体调节及输送系统（5）和气体分配装置（6）组成；其中发生器固定支架（2）用螺钉紧固在飞行器头罩（1）上下两侧的内壁上，固体燃气发生器（3）用螺栓紧固在发生器固定支架（2）的中部右侧；燃气过滤及整流贮箱（4）整体呈圆锥形、头部呈钝体形，位于固体燃气发生器（3）的右侧，采用法兰与固体燃气发生器（3）连接并采用o形圈密封；气体调节及输送系统（5）位于固体燃气发生器（3）的外侧、燃气过滤及整流贮箱（4）的左侧，与燃气过滤及整流贮箱（4）采用管接头连接和球
锥型面密封，气体分配装置（6）内外侧均呈圆锥形、头部呈钝体形，位于飞行器头罩（1）的内侧，与气体调节及输送系统（5）采用管接头连接和球锥型面密封，气体分配装置（6）左端内壁上设有凸台，与燃气过滤及整流贮箱（4）左侧边缘的支耳采用螺钉紧固；所述的固体燃气发生器（3）由发生器壳体（9）、低温固体推进剂（10）、点火装置（11）、初级过滤网（12）和喷管（13）组成；低温固体推进剂（10）装填在发生器壳体（9）内；点火装置（11）粘接在低温固体推进剂（10）的右端燃面上，当接收到点火指令时，引燃低温固体推进剂（10）；初级过滤网（12）为金属网状结构，用台阶限位在发生器壳体（9）的右端内侧与喷管（13）左端内侧之间，对燃气进行初级过滤；喷管（13）呈“锥—柱”形，其喉衬内型面采用拉瓦尔喷管结构，与发生器壳体（9）的右端采用螺纹连接、o形圈密封，使发生器内部压力稳定，保证低温固体推进剂（10）稳定燃烧；所述的燃气过滤及整流贮箱（4）由过滤网（14）和整流贮箱（15）组成；过滤网（14）为金属网状结构，网孔比初级过滤网（12）的网孔小，用螺钉紧固在整流贮箱（15）的左端中部内壁上，对燃气进行二次过滤；整流贮箱（15）整体呈圆锥形、头部呈钝体形，对二次过滤后的燃气进行整流和贮存；所述的气体调节及输送系统（5）由减压阀（16）、流量调节阀（17）和单向阀（18）组成，其中减压阀（16）与流量调节阀（17）通过气体管路连接，并采用球锥面密封；流量调节阀（17）和单向阀（18）通过气体管路连接，并采用球锥面密封；单向阀（18）与气体分配装置（6）通过气体管路连接，并采用球锥面密封；所述的气体分配装置（6）由喷气嘴（7）和分配罐（8）组成；喷气嘴（7）采用螺纹安装在分配罐（8）外弧面的壳体壁上，用o形圈密封，再与分配罐（8）一起插入到飞行器头罩（1）的头部内侧，分配罐（8）外侧紧贴飞行器头罩（1）的内壁；低温、洁净、输送压力稳定的气体进入分配罐后，经喷气嘴（7）排放到飞行器头罩（1）的外表面上，形成均匀、稳定的低温气膜；本发明与现有技术相比的优点在于：（1）能与被动防热或半主动防热结合，形成更为有效的组合型防热手段，不仅防热时间长，且相比主动防热，结构简单、占用空间小，大大简化了气源供应系统，整体工作可靠性较高；（2）与其它主动冷却方式相比，凝相少的低温燃气经过滤、整流、稳压、流量调节及分配后，气流均匀性较好，能在飞行器头罩外表面形成均匀、稳定的低温气膜，有效降低飞行器头罩外表面的气动加热效应，大幅减轻飞行器头罩材料的烧蚀。
附图说明
4.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明；图1为气膜隔热降温装置结构示意图；图2为喷气嘴和气膜隔热孔的局部放大图；图3为固体燃气发生器结构示意图；图4为燃气过滤及整流贮箱结构示意图；图5为气体调节及输送系统结构示意图；图中各标号清单为：1、飞行器头罩，2、发生器固定支架，3、固体燃气发生器，4、燃气过滤及整流贮箱，5、气流调节及输送系统，6、气体分配装置，7、喷气嘴，8、分配罐，9、发生器壳
体，10、低温固体推进剂，11、点火装置，12、初级过滤网，13、喷管，14、过滤网，15、整流贮箱，16、减压阀，17、流量调节阀，18、单向阀。
具体实施方式
5.本发明提出的气膜隔热降温装置结构如图1所示，主要由飞行器头罩（1）、发生器固定支架（2）、固体燃气发生器（3）、燃气过滤及整流贮箱（4）、气体调节及输送系统（5）和气体分配装置（6）组成；其中发生器固定支架（2）用螺钉紧固在飞行器头罩（1）上下两侧的内壁上，固体燃气发生器（3）用螺栓紧固在发生器固定支架（2）的中部右侧；燃气过滤及整流贮箱（4）整体呈圆锥形、头部呈钝体形，位于固体燃气发生器（3）的右侧，采用法兰与固体燃气发生器（3）连接并采用o形圈密封；气体调节及输送系统（5）位于固体燃气发生器（3）的外侧、燃气过滤及整流贮箱（4）的左侧，与燃气过滤及整流贮箱（4）采用管接头连接和球锥型面密封，气体分配装置（6）内外侧均呈圆锥形、头部呈钝体形，位于飞行器头罩（1）的内侧，与气体调节及输送系统（5）采用管接头连接和球锥型面密封，气体分配装置（6）左端内壁上设有凸台，与燃气过滤及整流贮箱（4）左侧边缘的支耳采用螺钉紧固；所述的固体燃气发生器（3）由发生器壳体（9）、低温固体推进剂（10）、点火装置（11）、初级过滤网（12）和喷管（13）组成；低温固体推进剂（10）装填在发生器壳体（9）内；点火装置（11）粘接在低温固体推进剂（10）的右端燃面上，当接收到点火指令时，引燃低温固体推进剂（10）；初级过滤网（12）为金属网状结构，用台阶限位在发生器壳体（9）的右端内侧与喷管（13）左端内侧之间，对燃气进行初级过滤；喷管（13）呈“锥—柱”形，其喉衬内型面采用拉瓦尔喷管结构，与发生器壳体（9）的右端采用螺纹连接、o形圈密封，使发生器内部压力稳定，保证低温固体推进剂（10）稳定燃烧；所述的燃气过滤及整流贮箱（4）由过滤网（14）和整流贮箱（15）组成；过滤网（14）为金属网状结构，网孔比初级过滤网（12）的网孔小，用螺钉紧固在整流贮箱（15）的左端中部内壁上，对燃气进行二次过滤；整流贮箱（15）整体呈圆锥形、头部呈钝体形，对二次过滤后的燃气进行整流和贮存；所述的气体调节及输送系统（5）由减压阀（16）、流量调节阀（17）和单向阀（18）组成，其中减压阀（16）与流量调节阀（17）通过气体管路连接，并采用球锥面密封；流量调节阀（17）和单向阀（18）通过气体管路连接，并采用球锥面密封；单向阀（18）与气体分配装置（6）通过气体管路连接，并采用球锥面密封；所述的气体分配装置（6）由喷气嘴（7）和分配罐（8）组成；喷气嘴（7）采用螺纹安装在分配罐（8）外弧面的壳体壁上，用o形圈密封，再与分配罐（8）一起插入到飞行器头罩（1）的头部内侧，分配罐（8）外侧紧贴飞行器头罩（1）的内壁；低温、洁净、输送压力稳定的气体进入分配罐后，经喷气嘴（7）排放到飞行器头罩（1）的外表面上，形成均匀、稳定的低温气膜；本发明所述的气膜隔热降温装置在工作时，首先通过固体燃气发生器（3）的点火装置（11）点燃低温固体推进剂（10），持续产生低温、凝相颗粒少的燃气，燃气经过初级过滤网（12）过滤掉燃气中的主要残渣；之后，燃气经喷管（13）进入燃气过滤及整流贮箱（4），经过滤网（14）进一步过滤，并在整流贮箱（15）内进行整合并使流动状态趋于稳定；最后，燃气通过减压阀（16）减压、流量调节阀（17）调节流量后进入到气体分配装置（6）内，同时单向阀（18）防止气体回流，进而得到低温、洁净、输送压力稳定的气体，气体分配装置（6）将气体均
匀地分布于每个喷气嘴（7）内，气体从气膜隔热孔喷出后，在飞行器头罩外表面形成均匀、稳定的低温气膜，阻碍了气动热向飞行器内部的热传递，有效降低飞行器头罩外表面的气动加热效应，大幅减轻飞行器头罩材料的烧蚀；本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。