基于热解反应的热防护装置

摘要

本发明公开的一种基于热解反应的热防护装置，将碳酸氢铵固体制成颗粒或多孔介质贮存在高性能换热结构中构成热防护装置：在高温环境下，碳酸氢铵固体介质发生热分解反应，以焓变的形式释放冷量；紧接着，热解产生的多组分多相混合工质在容积受限的高温环境中吸热膨胀，压力大幅提升；最后，经过升压的混合工质在压力梯度作用下沿热防护装置的内流道流动，发生含有多次相变的强烈对流换热，进一步冷却高温壁面，通过碳酸氢铵热解释放的冷量、热解工质的相变传热大幅提升热防护能力。

权利要求

1.一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，包括依次连接的热分解模块、高阻换热模块(4)和低阻换热模块(5)；

所述热分解模块包括填充在封闭腔体的热解工质和膨胀机构，膨胀机构受热膨胀使热解工质充分与换热面接触；

所述高阻换热模块(4)包括导热翅片、微通道换热器和涡发生器，热解工质分解产生的热解产物进入导热翅片、微通道换热器和涡发生器中进行二次换热，并产生过热气体；

所述低阻换热模块(5)中设置有多个导流通道，过热气体经过导流通道再次进行换热。

2.根据权利要求1所述的一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，所述热解工质为干冰、氯化铵、高氯酸铵或碳酸氢铵。

3.根据权利要求2所述的一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，所述碳酸氢铵为颗粒状，或为碳酸氢铵多孔介质。

4.根据权利要求1所述的一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，所述膨胀机构为热膨胀骨架(2)，其包括骨架，以及设置在骨架上分枝，分枝呈根须状伸入至热解工质中。

5.根据权利要求4所述的一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，所述热分解模块、高阻换热模块(4)和低阻换热模块(5)依次设置在壳体中，壳体中设置有格栅板，使壳体的内部形成容纳腔，热解工质和膨胀机构设置在容纳腔中。

6.根据权利要求5所述的一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，所述格栅板上设置有通道，用于使热解产物进入高阻换热模块(4)。

7.根据权利要求5所述的一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，所述骨架的两端与壳体连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，所述低阻换热模块(5)包括多个间隔设置的直肋，相邻两个直肋之间的空间为导流通道。

9.根据权利要求1所述的一种基于热解反应的热防护装置，其特征在于，所述低阻换热模块(5)的输出端还连接有热功转换装置，用于对低阻换热模块(5)输出的过热混合气体再利用。

说明书

基于热解反应的热防护装置

技术领域

[0001] 本发明涉及飞行器热防护领域，具体为基于热解反应的热防护方法。

背景技术

[0002] 高超声速飞行器主结构极端恶劣的热工况(亦称为“热障”)，对热防护技术形成了严峻挑战。在此情景下，传统的被动式热防护，即敷设烧蚀材料吸热、布置绝热材料隔热的
方法不仅难以保障飞行器运行时主结构的强度、刚度与可靠性，还要占用运载平台上可观
的重量。被动式热防护基本上已经无法满足高超声速飞行器的发展要求。根据文献记载，对
于采用被动式热防护的高温固体火箭发动机，长尾喷管的故障可以占据整个固体火箭发动
机故障率的1/2，其重量更是占据了固体火箭发动机整机重量的1/3。

[0003] 因此，要实现高超声速飞行器跨越式发展，突破热障、大幅提高性能，必须创新更先进的热防护技术，以实现在高马赫数飞行状态下对高超声速飞行器重要部件的高效热防
护，保证飞行器的主结构在高速飞行时的强度、刚度和抗失效性能。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于热解反应的热防护装置，为高超声速飞行器高性能热防护装置的构造提供新途径，使得热防护装置的热容量、热防护装
置的表面换热性能，相比于传统热防护手段实现显著地提升。

[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：

[0006] 一种基于热解反应的热防护装置，包括依次连接的热分解模块、高阻换热模块和低阻换热模块；

[0007] 所述热分解模块包括填充在封闭腔体的热解工质和膨胀机构，膨胀机构受热膨胀使热解工质充分与换热面接触；

[0008] 所述高阻换热模块包括导热翅片、微通道换热器和涡发生器，热解工质分解产生的热解产物进入导热翅片、微通道换热器和涡发生器中进行二次换热，并产生过热气体；

[0009] 所述低阻换热模块中设置有多个导流通道，过热气体经过导流通道与再次进行换热。

[0010] 优选的，所述热解工质为干冰、氯化铵、高氯酸铵或碳酸氢铵。

[0011] 优选的，所述碳酸氢铵为颗粒状，或为碳酸氢铵多孔介质。

[0012] 优选的，所述膨胀机构为热膨胀骨架，其包括包骨架，以及设置在骨架上分枝，分枝呈根须状伸入至热解工质中。

[0013] 优选的，所述热分解模块、高阻换热模块和低阻换热模块依次设置在壳体中，壳体中设置有格栅板，使壳体的内部形成容纳腔，热解工质和膨胀机构设置在容纳中。

[0014] 优选的，所述格栅板上设置有通道，用于使热解产物进入高阻换热模块。

[0015] 优选的，所述骨架的两端与壳体连接。

[0016] 优选的，所述低阻换热模块包括多个间隔设置的直肋，相邻两个直肋之间的空间为导流通道。

[0017] 优选的，所述低阻换热模块的输出端还连接有热功转换装置，用于对低阻换热模块输出的过热混合气体再利用。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0019] 本发明提供一种基于热解反应的热防护装置，包括依次连接的热分解模块、高阻换热模块和低阻换热模块；在热分解模块中填充热解工质和膨胀机构，热解工质利用高温
壁面的气动燃烧热进行分解，实现与高温壁面的初次换热。热分解产生的多组分热解产物
在压力和温度的驱动下进入高阻换热模块流动，通过该模块内部的导热翅片、微通道换热
器和涡发生器等再次与高温壁面进行换热，对飞行器进行二次降温，并形成过热气体。过热
气体最后进入低阻换热模块的导流通道中再次换热后排出整个装置；该热防护装置大大降
低飞行器的防护位置的温度，保证飞行器的主结构在高速飞行时的强度、刚度和抗失效性
能。

附图说明

[0020] 图1为本发明基于碳酸氢铵热解反应的热防护装置的剖面示意图。

[0021] 图中：1.壳体、2.热膨胀骨架、3.碳酸氢铵、4.高阻换热模块、5.低阻换热模块。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

[0023] 参阅图1，一种基于热解反应的热防护方法，包括依次连接的热分解模块、高阻换热模块4和低阻换热模块5。

[0024] 热分解模块包括填充在封闭腔体的热解工质和膨胀机构，膨胀机构受热膨胀使热解工质充分与换热面接触；

[0025] 高阻换热模块4包括导热翅片、微通道换热器和涡发生器，热解工质分解产生的热解产物进入导热翅片、微通道换热器和涡发生器中进行二次换热，并产生过热气体；

[0026] 低阻换热模块5包括多个间隔设置的直肋，相邻两个直肋之间形成导流通道，过热气体经过导流通道再次进行换热。

[0027] 具体的，所述热分解模块、高阻换热模块4和低阻换热模块5均依次设置在壳体中，壳体中设置有格栅板，格栅板与壳体之间形成容纳腔，热解工质填充在容纳腔中，膨胀机构
埋置在热解工质中。

[0028] 所述格栅板表面形成有密集的孔道，用于使热解产物进入至高阻换热模块4中进而二次换热。

[0029] 热防护装置设置飞行器的发热部位，当飞行器进入高马赫状态后，飞行器的热量通过壳体1传导至热解工质，热解工质受热分解释放冷量，并产生多组分多相热解产物，热
解产物在热解工质的孔隙中继续以热传导、热辐射和孔隙对流的方式从高温工作面吸热，
实现与飞行器的换热，同时容纳腔中的温度和压力不断升高，同时驱动热解产物向高阻换
热模块4流动。

[0030] 所述热解工质为干冰、氯化铵、高氯酸铵或碳酸氢铵3，优选碳酸氢铵。

[0031] 碳酸氢铵制备成颗粒状或碳酸氢铵多孔介质，使碳酸氢铵的内部具有孔隙，热解产物中过热混合气体进入孔隙中，抑制热量在碳酸氢铵团块状介质中的传导。

[0032] 对于所述的碳酸氢铵颗粒，粒径的大小可以根据实际工况的热防护效果进行调整；对于所述的碳酸氢铵多孔介质，介质孔隙率也可以根据需要在0.05‑0.95内的较大范围
进行调整，最终可以形成致密介质或疏松介质。热解产物在颗粒间隙、介质孔隙形成的受限
容积中吸热，实现热解工质的热膨胀增压。

[0033] 为防止碳酸氢铵固体介质在极端高温地热障下迅速气化而发生闪爆，在碳酸氢铵中掺杂了钝感剂，从化学动力学的机理上抑制碳酸氢铵固体的受热分解反应。

[0034] 上述膨胀机构为热膨胀骨架2，热膨胀骨架2预埋在碳酸氢铵中，其两端与壳体的两侧固接，热膨胀骨架包骨架，以及设置在骨架上分枝，分枝呈树杈状伸入至碳酸氢铵中。

[0035] 为了保持碳酸氢铵固体对高温工作面的接触冷却，当外层碳酸氢铵全部热解，剩余的碳酸氢铵与工作面分离后，壳体与碳酸氢铵热量传递的机理由导热—辐射转变为单纯
的热辐射，金属壳体的温度升高，此时，热膨胀骨架2在温升的作用下发生体积膨胀，将未热
解的碳酸氢铵介质挤压到金属壳体表面，恢复两者之间的接触冷却。

[0036] 为实现热膨胀骨架的基本功能，所述的热膨胀骨架呈根须状，骨架的分枝结构伸入至碳酸氢铵中，骨架的两端通过金属壳体上的固定点与壳体连接以感应其温度变化。

[0037] 所述热膨胀骨架采用高膨胀陶瓷制成。

[0038] 高阻换热模块4由导热翅片、微通道换热器和涡发生器混联组成，构成带有节流效应的小微型换热器。热解工质进入节流换热段之后，在上游压力场和温度场的驱动下流经
微通道换热器、树形翅片与涡发生器，流动过程中产生强烈的旋涡，伴随此过程中流场对热
边界层的强烈作用而产生强烈的对流换热效果，但工质自身压力在换热过程中大幅降低。
换热后生产的过热气体进入至低阻换热模块5。

[0039] 具体的，热解产物经碳酸氢铵多孔介质流出后即进入高阻换热模块，此时，经过热膨胀增压过程，热解产物自身的压力上升到很高的水平，高阻换热模块中树形翅片、微通道
换热器、涡发生器错列布置，热解产物在该高阻换热模块中发生多组分多相流体的相变对
流换热，从高温工作面中吸收大量的热。此时热解产物的流动以自身压力能为驱动因素，换
热过程的流动阻力和压力损失很大，但由于涡流、湍动和相界面的作用，节流换热段中流场
受到强烈的冲击和扰动，加之多次相变的过程中气化潜热的参与，换热效果因此得到极大
提升。

[0040] 低阻换热模块5中的多个直肋的长度方向沿过热气体的流动方向设置，在相邻两个直肋之间形成气流通道，构成一种低阻力换热结构。热解工质经过换热后已经转变为过
热混合气体，考虑到气态工质的换热能力较为有限，过热气体换热段的几何构型主要以降
低换热过程的流动阻力为主。

[0041] 最后，壳体的末端设置热功转换装置，热解产物升温后的过热混合气体进入热功转换装置，进行收回利用，提高能量的利用率。

[0042] 本发明提供的一种基于热解反应的热防护装置，融合烧蚀热防护与再生式热防护的思路，实现复合式高性能热防护；将碳酸氢铵固体制成颗粒或多孔介质贮存在壳体的容
纳腔中，整个热防护过程依次由碳酸氢铵固体的热分解、热解产物的热膨胀增压、多相多组
分混合工质的相变传热所组成。碳酸氢铵热解反应的焓变与多组分多相工质的强制对流相
互耦合，装置的总体热容量比单一的对流式热防护装置提高一倍。除此之外，热解产物经热
膨胀增压后自身的压力能提升到很高水平，因此在多组分多相工质对流的阶段可以耦合地
使用压力损失更大、换热效果更好的高性能换热结构，例如微通道换热器、涡发生器，加之
多相流动的作用，可以将热防护装置的最大表面换热系数提升，达到其它热防护技术的至
少2倍。

[0043] 其次，该热防护装置，能够提升热容量和表面换热效果，由此在一定的热负荷之下，实现额定热防护指标所需的工质体积和换热结构尺寸也相应下降，可以进一步提升高
超声速飞行器热防护装置的小型化水平，甚至与飞行器的高温工作面进行一体化设计。

[0044] 另外，热防护装置可通过管路系统与高超声速飞行系统中其它设备，如微型涡轮发电机、微喷管控制系统、膨胀阀等相互联接、构成系统，以实现热电转换、通过尾气产生飞
行推动力、节流制冷等附加功能。相较于其它热防护手段，通过碳酸氢铵热解工质的对流、
相变等吸热过程，将外部高温环境中的高品位废热转化成高能位的过热混合气体，并在后
续环节对其进行余热回收与利用。最后，该热防护装置不仅可以用于高超声速飞行器的热
防护装置，也可以转化为高性能的热量传输—热功转换系统的热量收集装置，应用于诸如
熔融盐发电、化学工业生产等一般场合。

[0045] 本发明提供的一种基于热解反应的热防护装置，将碳酸氢铵固体制成颗粒或多孔介质贮存在高性能换热结构中构成热防护装置：在高温环境下，碳酸氢铵固体介质发生热
分解反应，以焓变的形式释放冷量；紧接着，热解产生的多组分多相混合工质在容积受限的
高温环境中吸热膨胀，压力大幅提升；最后，经过升压的混合工质在压力梯度作用下沿热防
护装置的内流道流动，发生含有多次相变的强烈对流换热，进一步冷却高温壁面，通过碳酸
氢铵热解释放的冷量、热解工质的相变传热大幅提升热防护能力。

[0046] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。