CN112649170A - 一种电弧风洞试验舱内复合防热结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电弧风洞试验舱内复合防热结构，包括碳纤维板、冷却水管、抗氧化涂层和多个卡扣，所述冷却水管布设在碳纤维板的一个侧面上，所述抗氧化涂层涂覆在碳纤维板的另一个侧面上，所述的多个卡扣用于将冷却水管固定在碳纤维板上。采用本申请结构的冷却水紫铜管结构，具有弯曲性能优秀、导热率高的优点，壁厚合适的情况能够承受较高压力的水流，水流量较大，带走的热量也大，直接暴露在高温高速气流也不会被破坏，采用蛇形分布以合理的密度分布在整个碳纤维板，能够有效的带走碳纤维板的热量，防止局部温度过高导致碳纤维板被高温气流烧穿失效，通过采用本申请的结构能够抵御较大规模热量，并且局部发生破坏对整体影响不大的优点。

Description

一种电弧风洞试验舱内复合防热结构

技术领域

本发明涉及空气动力学试验技术领域，尤其是涉及一种电弧风洞试验舱内复合防热结构。

背景技术

高速飞行器外防热材料进行热防护地面模拟试验时，通常在电弧风洞中进行，高压空气经过电弧加热后温度升至几千度甚至上万度的高温，然后以几千米每秒的高速从出口喷出进入试验舱内对高速飞行器外防热材料进行加热，以模拟它在高空高速飞行时遇到的热环境。

虽然流经高速飞行器外防热材料的高温高速气流最终会被冷却排出，但显然这些气体不能及时将排除舱内，于是在没有保护措施的情况下，这些高温气流势必会对舱内的各类部件进行破坏。

因此需要对试验舱内的各个部件进行保护：对于直接暴露在高温高速气流的部件，采用水管通水冷却是最佳方案，对于远离高温高速气流的部件则采用加大部件厚度和质量，利用部件自身的热沉大，吸收小规模的热量后整体温度上升的幅度可以接受的方法来实现保护，但是对于接近高温高速气流的部件，这两种做法都有弊端，通水冷却的方式尽管有效，但是保护的面积大且部件多的情况下，冷却水的需求较大，难以充分保证，并且管路复杂，一旦发生一个支路漏水，整个***都将失去保护能力，抵御较大规模的热量需要部件的质量和厚度做的非常大，实际情况不允许，因此需要设计一种结构相对简单的能够抵御较大规模的热量并且局部发生破坏对整体的影响不大的防热结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧风洞试验舱内复合防热结构，以提供一种结构相对简单、能够抵御较大规模热量，并且局部发生破坏对整体影响不大的防热结构。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种电弧风洞试验舱内复合防热结构，包括碳纤维板、冷却水管、抗氧化涂层和多个卡扣，所述冷却水管布设在碳纤维板的一个侧面上，所述抗氧化涂层涂覆在碳纤维板的另一个侧面上，所述的多个卡扣用于将冷却水管固定在碳纤维板上。

进一步的，所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，还包括用于将冷却水管固定在碳纤维板上的胶体。

进一步的，所述胶体由颗粒度为100目的紫铜粉和GD414硅橡胶按1：5的质量比混合均匀后制成。

进一步的，所述的冷却水管为冷却水紫铜管。

进一步的，所述的冷却水紫铜管呈S型分布在碳纤维板的一个侧面上。

进一步的，所述的冷却水紫铜管中相邻平行部分的距离为D，且

其中，D单位mm；Q_max为工作环境预估最大冷壁热流，单位kW/m²；G为冷却水流量，单位L/h；S为碳纤维板面积，单位mm²；R为紫铜冷却水管有效半径，单位m。

进一步的，所述卡扣的材料选自高导热耐高温碳纤维材料。

进一步的，所述碳纤维板的厚度为δ，且

δ＝η×(Q_ave×0.92+Q_max×0.08)/100，

其中，η为安全系数；Q_ave为工作环境预估平均冷壁热流，单位kW/m²；Q_max为工作环境预估最大冷壁热流，单位kW/m²。

进一步的，相邻两个卡扣的安装间距为d，且100mm≥d≥50mm。

进一步的，所述抗氧化涂层通过在碳纤维板表面用高温喷涂氧化铝粉后制得，且抗氧化涂层厚度不大于2mm。

本发明实施例提供一种电弧风洞试验舱内复合防热结构，与现有技术相比具有如下优点：

(1)采用本申请结构的冷却水紫铜管，具有弯曲性能优秀、导热率高的优点，壁厚合适的情况能够承受较高压力的水流，水流量较大，带走的热量也大，直接暴露在高温高速气流也不会被破坏，采用蛇形分布以合理的密度分布在整个碳纤维板，能够有效的带走碳纤维板的热量，防止局部温度过高导致碳纤维板被高温气流烧穿失效；

(2)本申请采用的碳纤维板具有非常好的热导率，能够快速将局部过热的温度快速传递到其他区域，使得整块平板温度均匀，不容易出现局部过热烧坏，此外碳纤维板可以根据需要保护的部件外形定制外形；

(3)通过碳纤维卡扣以及高导热的耐高温胶，将蛇形分布在碳纤维板背面的紫铜管固定，将有效的将热量带走；

(4)碳纤维板能够接受很高温度的气流冲击，但是在氧化环境情况下，温度不太高的情况下碳纤维板也容易被氧化破坏，本申请通过在碳纤维板的正面高温喷涂毫米量级厚度的抗氧化涂层，能够充分发挥碳纤维板的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种电弧风洞试验舱内复合防热结构的主视图；

图2为本发明实施例1提供的一种电弧风洞试验舱内复合防热结构的右视图；

图3为图2中A区的放大示意图；

附图标记说明：1-碳纤维板；2-冷却水管；3-抗氧化涂层；4-卡扣；5-胶体。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供一种电弧风洞试验舱内复合防热结构，包括碳纤维板1、冷却水管2、抗氧化涂层3和多个卡扣4，所述冷却水管2布设在碳纤维板1的一个侧面上，所述抗氧化涂层3涂覆在碳纤维板1的另一个侧面上，所述的多个卡扣4用于将冷却水管2固定在碳纤维板1上。

优选的，所述电弧风洞试验舱内复合防热结构还包括用于将冷却水管2固定在碳纤维板1上的胶体5，该胶体5填堵在冷却水管2与碳纤维板1的空隙处；所述胶体5由颗粒度为100目的紫铜粉和GD414硅橡胶按1：5的质量比混合均匀后制成，使胶体5具有耐高温、高导热率的效果，具有可以在200℃温度下长期使用，短时能够经受500℃高温不失效，由于含有金属粉末，其导热系数不低于6W/mk，该胶体5能够有效将碳纤维板1的热量传导至冷却水管2，然后由冷却水带走。

优选的，所述的冷却水管2为冷却水紫铜管，所述的冷却水紫铜管呈S型分布在碳纤维板1的一个侧面上。

优选的，冷却水紫铜管具有延展性好，导热率高，耐压高，在碳纤维板1局部被破坏的情况下，能够有效的延缓破坏点的扩大的优点，通常情况下选择管径为15mm和壁厚2.5mm优质纯铜管，如果随型的碳纤维板1的弯曲半径过小的话，在可以更换为小直径的紫铜水冷管，采用蛇形分布方式铺满碳纤维板1背面，其分布平行管间的距离可以根据需要抵御的热环境瞬间最大冷壁热流、冷却水流量决定，在冷却水温度上升控制在30℃的要求下,其公式如下：

其中，冷却水紫铜管中相邻平行部分的距离为D，单位mm；Q_max为工作环境预估最大冷壁热流，单位kW/m²；G为冷却水流量，单位L/h；S为碳纤维板面积，单位mm²；R为紫铜冷却水管有效半径，单位m。例如，在一实施例中，在冷却水温升要求30℃以内时，在冷却水流量300L/h条件下，一块面积1m²的碳纤维板，铺设直径15mm，壁厚2.5mm的紫铜管(有效半径5mm)，其管间距离为59.7mm，取整为60mm，该间距可以满足最大冷壁热流6400kW/m²短时作用不被破坏。

优选的，所述卡扣4的材料选自高导热耐高温碳纤维材料，相邻两个卡扣4的安装间距为d，且100mm≥d≥50mm。。

优选的，碳纤维板1的厚度取决于电弧风洞热环境的严酷程度，热环境越严酷，需要的厚度越厚，质量越大，成本越高，正常情况下碳纤维板1的厚度可以根据需要抵御的热环境平均冷壁热流和10s内瞬间最大冷壁热流共同决定，其公式如下：

δ＝η×(Q_ave×0.92+Q_max×0.08)/100，

其中，δ为碳纤维板1的厚度，η为安全系数，一般使用强度下，使用寿命2年内时取值1.5；Q_ave为工作环境预估平均冷壁热流，单位kW/m²；Q_max为工作环境预估最大冷壁热流，单位kW/m²。

例如某中等规模的电弧风洞中用于保护模型支架下方各电缆接头区域不受高温气流破坏，其工作环境平均冷壁热流为87kW/m²，但是当模型出现过热而被破坏的情况下，高温气流可能直接作用在该防热结构的某处，这个时候的最大冷壁热流预估为6400kW/m²，由此公式计算得到厚度为8.88mm,可以选择10mm市场常见厚度的碳纤维板1。这个厚度下在一般强度的使用条件下，可以正常运行2年，可以10s内短时抵抗6400kW/m²高冷壁热流不受破坏，相关人员可以在10s内做出停止试验的反应，避免舱内部件受损。

优选的，所述抗氧化涂层3通过在碳纤维板1表面用高温喷涂氧化铝粉后制得，且抗氧化涂层3厚度不大于2mm。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：包括碳纤维板、冷却水管、抗氧化涂层和多个卡扣，所述冷却水管布设在碳纤维板的一个侧面上，所述抗氧化涂层涂覆在碳纤维板的另一个侧面上，所述的多个卡扣用于将冷却水管固定在碳纤维板上。

2.根据权利要求1所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：还包括用于将冷却水管固定在碳纤维板上的胶体。

3.根据权利要求2所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：所述胶体由颗粒度为100目的紫铜粉和GD414硅橡胶按1：5的质量比混合均匀后制成。

4.根据权利要求1或2所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：所述的冷却水管为冷却水紫铜管。

5.根据权利要求4所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：所述的冷却水紫铜管呈S型分布在碳纤维板的一个侧面上。

6.根据权利要求5所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：所述的冷却水紫铜管中相邻平行部分的距离为D，且

其中，D单位mm；Q_max为工作环境预估最大冷壁热流，单位kW/m²；G为冷却水流量，单位L/h；S为碳纤维板面积，单位mm²；R为紫铜冷却水管有效半径，单位m。

7.根据权利要求1所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：所述卡扣的材料选自高导热耐高温碳纤维材料。

8.根据权利要求1所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：所述碳纤维板的厚度为δ，且

δ＝η×(Q_ave×0.92+Q_max×0.08)/100，

其中，η为安全系数；Q_ave为工作环境预估平均冷壁热流，单位kW/m²；Q_max为工作环境预估最大冷壁热流，单位kW/m²。

9.根据权利要求1所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：相邻两个卡扣的安装间距为d，且100mm≥d≥50mm。

10.根据权利要求1所述电弧风洞试验舱内复合防热结构，其特征在于：所述抗氧化涂层通过在碳纤维板表面用高温喷涂氧化铝粉后制得，且抗氧化涂层厚度不大于2mm。

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