JP2023553767A - Heat shield structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
【要約】本発明は、熱シールド構造及びその製造方法を提供し、当該熱シールド構造は、順次に設けられた断熱層と、空洞層と、スキンと、を含み、断熱層が飛翔体内部キャビンの外面上に設けられており、断熱層は、多孔質断熱構造と、多孔質断熱構造中に設けられた温度感応性ハイドロゲルと、温度感応性ハイドロゲル中に吸着される冷却作業物質と、を含み、熱シールド構造が熱シールドを行わない場合、温度感応性ハイドロゲルが膨潤状態にあり、冷却作業物質を固相の存在形式で温度感応性ハイドロゲル中に吸着させ、熱シールド構造が熱シールドを行う場合、温度感応性ハイドロゲルは、スキン及び空洞層から内部へ放射する熱を吸収し、解膨潤状態となり、冷却作業物質の存在形式を固相から順次に液相及び気相に転移し、気相の冷却作業物質を空洞層へ放出した後に排出させる。本発明が提供する熱シールド構造は、優れた熱シールド性能を有する。【選択図】図1[Abstract] The present invention provides a heat shield structure and a method for manufacturing the same, the heat shield structure including a heat insulating layer, a cavity layer, and a skin disposed in sequence, the heat insulating layer being an internal cabin of an air vehicle. The insulation layer includes a porous insulation structure, a temperature-sensitive hydrogel provided in the porous insulation structure, and a cooling working substance adsorbed in the temperature-sensitive hydrogel. When the heat shield structure does not perform heat shielding, the temperature sensitive hydrogel is in a swollen state, and the cooling substance is adsorbed in the form of a solid phase into the temperature sensitive hydrogel, and the heat shield structure When shielding is performed, the temperature-sensitive hydrogel absorbs the heat radiated inward from the skin and cavity layer, becomes a de-swelled state, and changes the existence form of the cooling substance from the solid phase to the liquid phase and gas phase sequentially. Then, the cooling working material in the gas phase is released into the cavity layer and then discharged. The heat shield structure provided by the present invention has excellent heat shield performance. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、熱シールド技術分野に関し、特に熱シールド構造及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of heat shield technology, and more particularly to a heat shield structure and a method for manufacturing the same.
現在、飛翔体高速飛行技術は、人類の宇宙探査、宇宙進入、宇宙制御、宇宙利用の能力を大幅に向上させ、特別な軍事戦略意義及び重要な科学価値を有する。しかしながら、宇宙極超音速に接近する飛翔体であっても、宇宙探査ために進入又は帰還する宇宙船であっても、大気圏中で極超音速(>5マッハ)で再進入又は飛行するときに、過酷な空力加熱環境を経て、飛翔体又は宇宙船は、「新しい熱障壁」という肝心な技術難題に臨むので、熱シールドメカニズムを発展し、飛翔体の熱シールドシステムの設計及び製造を指導することは、この難題を解決するための有効なルートである。 At present, high-speed flying vehicle technology has greatly improved humanity's abilities in space exploration, space entry, space control, and space utilization, and has special military strategic significance and important scientific value. However, whether it is a projectile approaching space hypersonic speeds or a spacecraft entering or returning for space exploration, when re-entering or flying at hypersonic speeds (>5 Mach) in the atmosphere, , After passing through the harsh aerodynamic heating environment, the flying object or spacecraft faces the key technical challenge of "new thermal barrier", so we develop the heat shield mechanism and guide the design and manufacturing of the flying object's heat shield system. This is an effective route to solving this difficult problem.
熱シールドメカニズムは、飛翔体熱シールド専用の特別なメカニズムであり、熱シールドメカニズム(例えば、材料属性、物理化学効果又は構造原理等に基づく)、システム構成構造及びその動作原理を含むメカニズムである。現在、現役又は試験飛行の極超音速飛翔体(例えば、X-15、X-37B、Apollo帰還船、X-43A及びSHEFEX II)が採用した熱シールドメカニズムは、熱シールドメカニズムに準じて受動型(例えば、ヒートシンク、断熱構造)、半受動型(例えば、アブレーション、ヒートパイプ)及び能動型(例えば、作業物質、冷却流)に分けられる。これら従来の熱シールドメカニズムは、共通する特徴を有し、いずれも材料又は構造自体の消耗、分散、阻止、対抗により熱シールド機能を実現する。 The heat shielding mechanism is a special mechanism dedicated to projectile heat shielding, and is a mechanism that includes a heat shielding mechanism (eg, based on material attributes, physicochemical effects, or structural principles, etc.), a system configuration structure, and its operating principle. Currently, the heat shield mechanisms employed by hypersonic vehicles in active duty or test flight (e.g., X-15, X-37B, Apollo Return Ship, (e.g. heat sinks, insulation structures), semi-passive types (e.g. ablation, heat pipes) and active types (e.g. working substances, cooling flows). These conventional heat shielding mechanisms have a common feature: they all accomplish their heat shielding function by depleting, dispersing, blocking, or counteracting the material or structure itself.
しかしながら、将来、宇宙極超音速に接近する飛翔体が、高い速度領域、広い空間領域、長い飛行時間及び再利用可能な方向に向かって発展し、また、将来、月、火星、木星、太陽などの複数の重要な深宇宙探査任務が展開するにつれて、空力加熱環境がより厳しくなり、飛翔体が直面する熱障壁の問題がより目立つようになり、従来の熱シールドメカニズムのみに頼っては将来の極超音速飛翔体の熱シールドへの要求を満足できなくなる。 However, in the future, spacecraft approaching space hypersonic speeds will develop toward high velocity regions, wide spatial regions, long flight times, and reusability, and in the future, spacecraft will move toward the Moon, Mars, Jupiter, the Sun, etc. As the multiple critical deep space exploration missions of It will not be possible to satisfy the heat shield requirements of hypersonic flying vehicles.
本発明の実施例は、熱シールド構造及びその製造方法を提供し、将来の極超音速飛翔体の熱シールドへの要求を満足できる熱シールド構造を提供する。 Embodiments of the present invention provide a heat shield structure and method for manufacturing the same, and provide a heat shield structure that can meet the heat shield requirements of future hypersonic vehicles.
第1の態様によれば、本発明は、
順次に設けられた断熱層と、空洞層と、スキンと、を含み、前記断熱層が飛翔体内部キャビンの外面上に設けられ、
前記断熱層は、多孔質断熱構造と、前記多孔質断熱構造中に設けられた温度感応性ハイドロゲルと、前記温度感応性ハイドロゲル中に吸着する冷却作業物質と、を含み、
前記熱シールド構造が熱シールドを行わない場合、前記温度感応性ハイドロゲルは、膨潤状態にあり、前記冷却作業物質を固相の存在形式で前記温度感応性ハイドロゲル中に吸着させ、
前記熱シールド構造が熱シールドを行う場合、前記温度感応性ハイドロゲルは、前記スキン及び前記空洞層から内部へ放射する熱を吸収し、解膨潤状態となり、前記冷却作業物質の存在形式を固相から順次に液相及び気相に転移し、気相の前記冷却作業物質を前記空洞層へ放出した後に排出する、熱シールド構造を提供する。
According to a first aspect, the invention provides:
an insulating layer, a cavity layer, and a skin disposed in sequence, the insulating layer being disposed on an exterior surface of an interior cabin of the vehicle;
The heat insulating layer includes a porous heat insulating structure, a temperature sensitive hydrogel provided in the porous heat insulating structure, and a cooling substance adsorbed in the temperature sensitive hydrogel,
When the heat shielding structure does not provide heat shielding, the temperature sensitive hydrogel is in a swollen state and the cooling agent is adsorbed into the temperature sensitive hydrogel in the form of a solid phase;
When the heat shielding structure performs heat shielding, the temperature-sensitive hydrogel absorbs the heat radiated inward from the skin and the hollow layer, becomes a de-swelled state, and converts the cooling working material into a solid phase. Provided is a heat shield structure in which the cooling substance in the vapor phase is sequentially transformed into a liquid phase and a gas phase, and is discharged after being discharged into the cavity layer.
本発明の目的は、次世代の極超音速飛翔体に必要な長時間、再利用可能な熱シールド構造への要求に対して、能動型と受動型とが連携して作用する熱シールドメカニズムを提供することであり、具体的に内部へ放射する放熱(受動型)と、固相から水相へ転移する放熱(能動型)との連携作用を増加した熱シールドメカニズムにより熱シールドを実現することである。 The purpose of the present invention is to develop a heat shield mechanism in which active and passive types work together to meet the demand for a heat shield structure that can be reused over a long period of time required for the next generation of hypersonic flying vehicles. Specifically, it is to realize a heat shield by a heat shield mechanism that increases the cooperation between heat radiation that radiates inward (passive type) and heat radiation that transitions from solid phase to aqueous phase (active type). It is.
受動型:従来の熱シールド構造は、主に外部スキン(外側)により外部へ放射して放熱を実現し、本発明は、外部放射に加えてスキンと断熱材との間に空洞層を増加することにより、スキン内側も内部へ放熱可能にし、スキン内側の表層の改質によりスキン内側の放射率を大幅に向上させることができ、最高で0.9に達することができ、これにより、従来の熱シールドに加えて1つの内部放射放熱を増加し、熱シールド構造の熱シールド効率を向上させる目的を実現する。 Passive type: The conventional heat shield structure mainly radiates to the outside through the external skin (outside) to achieve heat dissipation, and the present invention increases the cavity layer between the skin and the insulation material in addition to external radiation. By doing so, it is possible to dissipate heat inside the skin, and by modifying the surface layer inside the skin, the emissivity inside the skin can be significantly improved, reaching a maximum of 0.9. In addition to the heat shield, one increases the internal radiation heat dissipation and realizes the purpose of improving the heat shield efficiency of the heat shield structure.
能動型:水は、相転移の潜熱が最も高く、相転移による冷却にとって最適な冷却作業物質となるが、水の流動性、貯蔵性のために熱シールド構造において封止、貯蔵、耐食などの一連な複雑な補助構造を配置する必要があり、実際のプロジェクト熱シールド構造に適用することができない。本発明は、この課題を解決するために、従来の液相水のかわりに固相水を採用し、温度感応性ハイドロゲル、無機-有機装着技術により液相水を小粒子の固相水に転移して下層の無機断熱材に充填し、対比によりアルミナ多孔質断熱材を選択する。固相水粒子は、化学的グラフトにより多孔質媒体のマイクロウェル中に固定される。固相ハイドロゲルは、充填完了後に多孔質断熱材と緊密に結合することができる。放射により空洞内部の温度が上昇した後、固相水は徐放することにより液相水を形成し、液相水が熱を受けた後に直ちに水蒸気として蒸発し、さらにこのような液-気相転移により熱を奪う。 Active type: Water has the highest latent heat of phase transition and is the most suitable cooling substance for cooling by phase transition. However, due to the fluidity and storability of water, water is used for sealing, storage, corrosion resistance, etc. in heat shield structures. A series of complex auxiliary structures need to be placed, and it cannot be applied to the actual project heat shield structure. In order to solve this problem, the present invention adopts solid phase water instead of conventional liquid phase water, and converts liquid phase water into small particles of solid phase water using temperature-sensitive hydrogel and inorganic-organic mounting technology. Transfer and fill the lower layer of inorganic insulation material, and select alumina porous insulation material by comparison. Solid phase water particles are immobilized in the microwells of the porous medium by chemical grafting. The solid phase hydrogel can be tightly bonded to the porous insulation after filling is complete. After the temperature inside the cavity increases due to radiation, the solid phase water is slowly released to form liquid phase water, and after the liquid phase water receives heat, it immediately evaporates as water vapor, and this liquid-vapor phase Removes heat through metastasis.
内部放射放熱(受動型)と固相水相転移放熱(能動型)との相互連携作用により、熱シールド構造の熱シールド能力を大幅に向上させることができる。ここで、スキンと多孔質媒体との間の空洞の厚さ、多孔質媒体内部のマイクロウェルの分布及び孔径、固相水の含有量は、熱シールドへの要求に応じて設計及び調節することができる。 The mutual cooperation between internal radiation heat dissipation (passive type) and solid-water phase transition heat dissipation (active type) can greatly improve the heat shielding ability of the heat shield structure. Here, the thickness of the cavity between the skin and the porous medium, the distribution and pore size of the microwells inside the porous medium, and the content of solid water can be designed and adjusted according to the requirements of the heat shield. Can be done.
本発明の熱シールドメカニズムは、能動-受動連携型熱シールドメカニズムであり、外面放射放熱を十分に発揮した上、内部放射放熱相を増加したのみならず、より重要なのは固相水の相転移放熱を増加したことであり、その放熱は、放射放熱の30~50倍となり、その熱シールド効果がセラミックベース断熱型熱シールド、トランスピレーション冷却及びフィルム冷却など、他の単一な能動型又は受動型熱シールド装置及び構造よりも優れる。 The heat shield mechanism of the present invention is an active-passive cooperative heat shield mechanism, which not only fully exerts external radiation heat dissipation, but also increases the internal radiation heat dissipation phase, and more importantly, solid phase water phase change heat dissipation. The heat dissipation is 30 to 50 times that of radiant heat dissipation, and its heat shielding effect is superior to other single active or passive types such as ceramic-based insulated heat shields, transpiration cooling, and film cooling. Superior to type heat shield equipment and structure.
本発明の能動型/受動連携型熱シールドメカニズムに基づく熱シールド構造は、極超音速飛翔体の翼前縁部、ノーズコーンなどの熱シールド構造に適用することができ、風当たり面の大きい面積の領域にも適用することができ、100~10MW/m2、かつ30分間の熱負荷に耐えることができる。 The heat shield structure based on the active/passive cooperative heat shield mechanism of the present invention can be applied to heat shield structures such as the leading edge of the wing and nose cone of hypersonic flying vehicles, and can be applied to heat shield structures such as the leading edge of the wing and nose cone of hypersonic flying vehicles. It can also be applied to areas and can withstand a heat load of 100-10 MW/m 2 and for 30 minutes.
異なる熱負荷条件に応じて、本発明が提供する熱シールド構造の厚さが10~100mmであり、本発明が提供する熱シールド構造の裏壁の温度が100℃未満であり、本発明が提供する熱シールド構造は、熱シールド、断熱及び積載を一体化した特徴を有する。 According to different heat load conditions, the thickness of the heat shield structure provided by the present invention is 10-100 mm, the temperature of the back wall of the heat shield structure provided by the present invention is less than 100 °C, and the temperature provided by the present invention is The heat shield structure has the characteristics of integrating heat shield, insulation and loading.
好ましくは、前記熱シールド構造ネジとナットとをさらに含み、前記断熱層及び前記スキンは前記ネジと前記ナットとの係合により飛翔体内部キャビンの外面上に固定されている。 Preferably, the heat shield structure further includes a screw and a nut, and the heat insulating layer and the skin are fixed on the outer surface of the interior cabin of the aircraft by engagement of the screw and the nut.
好ましくは、前記ネジと前記ナットは、いずれもアルミナセラミックから作製される。 Preferably, both the screw and the nut are made from alumina ceramic.
好ましくは、前記多孔質断熱構造は、アルミナセラミックから作製される。 Preferably, the porous insulation structure is made from alumina ceramic.
好ましくは、上記第1の態様のいずれかに記載の熱シールド構造であって、前記冷却作業物質は水を含む。 Preferably, the heat shield structure according to any of the first aspects above, wherein the cooling working substance includes water.
第2の態様によれば、本発明は、熱シールド構造の製造方法を提供し、当該方法は、
温度感応性ハイドロゲルと多孔質断熱構造とを冷却作業物質を含有する容器中に配置し、前記温度感応性ハイドロゲルを前記多孔質断熱構造に進入させるステップであって、前記冷却作業物質の温度が第1の所定温度であり、前記第1の所定温度下で、前記温度感応性ハイドロゲルが解膨潤状態にあるステップと、
前記冷却作業物質の温度を第2の所定温度に低下させ、前記冷却作業物質を固相の存在形式で前記温度感応性ハイドロゲル中に吸着させ、断熱層を得るステップであって、前記第2の所定温度下で、前記温度感応性ハイドロゲルが膨潤状態にあるステップと、
前記断熱層とスキンとを固定し、前記断熱層と前記スキンとの間に空洞層を設置し、熱シールド構造を形成するステップであって、前記断熱層が飛翔体内部キャビンの外面上に設けられるステップと
を含む。
According to a second aspect, the invention provides a method of manufacturing a heat shield structure, the method comprising:
disposing a temperature-sensitive hydrogel and a porous insulation structure in a container containing a cooling working substance, and allowing the temperature-sensitive hydrogel to enter the porous insulation structure, the temperature of the cooling working substance increasing the temperature of the cooling working substance; is a first predetermined temperature, and the temperature-sensitive hydrogel is in a de-swelled state under the first predetermined temperature;
lowering the temperature of the cooling substance to a second predetermined temperature and adsorbing the cooling substance in the form of a solid phase into the temperature-sensitive hydrogel to obtain a heat insulating layer, the temperature-sensitive hydrogel is in a swollen state at a predetermined temperature;
fixing the heat insulating layer and the skin, and installing a hollow layer between the heat insulating layer and the skin to form a heat shield structure, the heat insulating layer being provided on an outer surface of the interior cabin of the aircraft; Includes steps and steps to be performed.
本発明の目的は、次世代極超音速飛翔体に必要な長時間、再利用可能な熱シールド構造への要求に対して、能動型と受動型とが連携して作用する熱シールドメカニズムを提供することであり、具体的に内部へ放射する放熱(受動型)と、固相から水相へ転移する放熱(能動型)との連携作用を増加した熱シールドメカニズムにより熱シールドを実現することである。 The purpose of the present invention is to provide a heat shield mechanism in which active and passive types work together to meet the demand for a heat shield structure that can be reused over a long period of time required for next-generation hypersonic flying vehicles. By realizing a heat shield using a heat shield mechanism that increases the cooperation between heat radiation that radiates inward (passive type) and heat radiation that transitions from the solid phase to the aqueous phase (active type). be.
受動型:従来の熱シールド構造は、主に外部スキン(外側)により外部へ放射して放熱を実現し、本発明は、外部放射に加えてスキンと断熱材との間に空洞層を増加することにより、スキン内側も内部へ放熱可能にし、スキン内側の表層の改質によりスキン内側の放射率を大幅に向上させることができ、最高で0.9に達することができ、これにより、従来の熱シールドに加えて1つの内部放射放熱を増加し、熱シールド構造の熱シールド効率を向上させる目的を実現する。 Passive type: The conventional heat shield structure mainly radiates to the outside through the external skin (outside) to achieve heat dissipation, and the present invention increases the cavity layer between the skin and the insulation material in addition to external radiation. By doing so, it is possible to dissipate heat inside the skin, and by modifying the surface layer inside the skin, the emissivity inside the skin can be significantly improved, reaching a maximum of 0.9. In addition to the heat shield, one increases the internal radiation heat dissipation and realizes the purpose of improving the heat shield efficiency of the heat shield structure.
能動型:水は、相転移の潜熱が最も高く、相転移による冷却にとって最適な冷却作業物質となるが、水の流動性、貯蔵性のために熱シールド構造において封止、貯蔵、耐食などの一連な複雑な補助構造を配置する必要があり、実際のプロジェクト熱シールド構造に適用することができない。本発明は、この課題を解決するために、従来の液相水のかわりに固相水を採用し、温度感応性ハイドロゲル、無機-有機装着技術により液相水を小粒子の固相水に転移して下層の無機断熱材に充填し、比較によりアルミナ多孔質断熱材を選択する。固相水粒子は、化学的グラフトにより多孔質媒体のマイクロウェル中に固定される。固相ハイドロゲルは、充填完了後に多孔質断熱材と緊密に結合することができる。放射により空洞内部の温度が上昇した後、固相水が徐放により液相水を形成し、液相水が熱を受けた後に直ちに水蒸気に蒸発し、さらにこのような液-気相転移により熱を奪う。 Active type: Water has the highest latent heat of phase transition and is the most suitable cooling substance for cooling by phase transition. However, due to the fluidity and storability of water, water is used for sealing, storage, corrosion resistance, etc. in heat shield structures. A series of complex auxiliary structures need to be placed, and it cannot be applied to the actual project heat shield structure. In order to solve this problem, the present invention adopts solid phase water instead of conventional liquid phase water, and converts liquid phase water into small particles of solid phase water using temperature-sensitive hydrogel and inorganic-organic mounting technology. Transfer and fill the lower layer of inorganic insulation material, and select alumina porous insulation material by comparison. Solid phase water particles are immobilized in the microwells of the porous medium by chemical grafting. The solid phase hydrogel can be tightly bonded to the porous insulation after filling is complete. After the temperature inside the cavity increases due to radiation, the solid phase water forms liquid phase water by slow release, and the liquid phase water immediately evaporates into water vapor after receiving heat, and further due to this liquid-vapor phase transition. Take away heat.
内部放射放熱(受動型)と固相水相転移放熱(能動型)との相互連携作用により、熱シールド構造の熱シールド能力を大幅に向上させることができる。ここで、スキンと多孔質媒体との間の空洞の厚さ、多孔質媒体内部のマイクロウェルの分布及び孔径、固相水の含有量は、熱シールドへの要求に応じて設計及び調節することができる。 The mutual cooperation between internal radiation heat dissipation (passive type) and solid-water phase transition heat dissipation (active type) can greatly improve the heat shielding ability of the heat shield structure. Here, the thickness of the cavity between the skin and the porous medium, the distribution and pore size of the microwells inside the porous medium, and the content of solid water can be designed and adjusted according to the requirements of the heat shield. Can be done.
本発明の熱シールドメカニズムは、能動-受動連携型熱シールドメカニズムであり、外面放射放熱を十分に発揮した上、内部放射放熱相を増加したのみならず、より重要なのは固相水の相転移放熱を増加したことであり、その放熱は、放射放熱の30~50倍となり、その熱シールド効果がセラミックベース断熱型熱シールド、トランスピレーション冷却及びフィルム冷却など、他の単一な能動型又は受動型熱シールド装置及び構造よりも優れる。 The heat shield mechanism of the present invention is an active-passive cooperative heat shield mechanism, which not only fully exerts external radiation heat dissipation, but also increases the internal radiation heat dissipation phase, and more importantly, solid phase water phase change heat dissipation. The heat dissipation is 30 to 50 times that of radiant heat dissipation, and its heat shielding effect is superior to other single active or passive types such as ceramic-based insulated heat shields, transpiration cooling, and film cooling. Superior to type heat shield equipment and structure.
本発明の能動型/受動連携型熱シールドメカニズムに基づく熱シールド構造は、極超音速飛翔体の翼前縁部、ノーズコーンなどの熱シールド構造に適用することができ、風当たり面の大きい面積の領域にも適用することができ、100~10MW/m2、かつ30分間の熱負荷に耐えることができる。 The heat shield structure based on the active/passive cooperative heat shield mechanism of the present invention can be applied to heat shield structures such as the leading edge of the wing and nose cone of hypersonic flying vehicles, and can be applied to heat shield structures such as the leading edge of the wing and nose cone of hypersonic flying vehicles. It can also be applied to areas and can withstand a heat load of 100-10 MW/m 2 and for 30 minutes.
異なる熱負荷条件に応じて、本発明が提供する熱シールド構造の厚さが10~100mmであり、本発明が提供する熱シールド構造の裏壁の温度が100℃未満であり、本発明が提供する熱シールド構造は、熱シールド、断熱及び積載を一体化した特徴を有する。 According to different heat load conditions, the thickness of the heat shield structure provided by the present invention is 10-100 mm, the temperature of the back wall of the heat shield structure provided by the present invention is less than 100 °C, and the temperature provided by the present invention is The heat shield structure has the characteristics of integrating heat shield, insulation and loading.
好ましくは、前記前記断熱層とスキンとを固定するステップは、
ネジとナットとの係合により前記断熱層及びスキンを固定すること、を含む。
Preferably, the step of fixing the thermal insulation layer and the skin comprises:
fixing the insulation layer and the skin by engagement with screws and nuts.
好ましくは、前記ネジと前記ナットは、いずれもアルミナセラミックから作製される。 Preferably, both the screw and the nut are made from alumina ceramic.
好ましくは、前記多孔質断熱構造は、アルミナセラミックから作製される。 Preferably, the porous insulation structure is made from alumina ceramic.
好ましくは、上記第2の態様のいずれかに記載の熱シールド構造の製造方法において、前記冷却作業物質は、水を含む。 Preferably, in the method for manufacturing a heat shield structure according to any of the second aspects, the cooling substance contains water.
本発明は、従来技術と比べて、少なくとも下記の有益な効果を有する。 The present invention has at least the following beneficial effects compared to the prior art.
飛翔体内部キャビンの外面上に、断熱層と空洞層とスキンと、を含む熱シールド構造を設けることにより、優れる熱シールド性能を有させる。 Excellent heat shield performance is provided by providing a heat shield structure including a heat insulating layer, a cavity layer, and a skin on the outer surface of a cabin inside a flying object.
熱シールド構造におけるスキン及び空洞により、受動型熱シールド機能を有することなり、当該受動型熱シールドメカニズムは、スキンにより外部の熱を吸収して昇温した後に熱放射の方式により、吸収した熱の一部を放出することである。ここで、スキン熱放射のルートが2種類あり、1つはスキンの外部環境へ放出する外部放射であり、もう1つは空洞へ放出する内部放射である。本発明は、空洞層を設けることにより、スキンが外部へ放熱しながら、内部への熱を空洞層へ放出することもでき、これにより、従来の熱シールドに加えて1つの内部へ放射するルートを増加し、さらに受動型熱シールドの熱シールド効率を向上させた。 The skin and cavity in the heat shield structure have a passive heat shield function, and the passive heat shield mechanism absorbs external heat by the skin, raises the temperature, and then uses heat radiation to absorb the absorbed heat. It is to release some of it. Here, there are two routes of skin heat radiation: one is external radiation emitted to the external environment of the skin, and the other is internal radiation emitted to the cavity. By providing a hollow layer, the present invention allows the skin to radiate heat to the outside while also dissipating inward heat to the hollow layer, thereby providing one inward radiation route in addition to the conventional heat shield. , and further improved the heat shield efficiency of the passive heat shield.
熱シールド構造における断熱層は、多孔質断熱構造と、多孔質断熱構造中に設けられる温度感応性ハイドロゲルと、温度感応性ハイドロゲル中に吸着する冷却作業物質と、を含む。多孔質断熱構造における空隙は、温度感応性ハイドロゲルを収容することができ、温度感応性ハイドロゲルは、液相の冷却作業物質を吸収してそれを固相に転移することができる。 The insulation layer in the heat shield structure includes a porous insulation structure, a temperature-sensitive hydrogel provided in the porous insulation structure, and a cooling agent adsorbed in the temperature-sensitive hydrogel. The voids in the porous insulation structure can accommodate a temperature-sensitive hydrogel that can absorb a cooling working substance in a liquid phase and transfer it to a solid phase.
熱シールド構造における断熱層及び空洞により、能動型熱シールド機能を有することなる。熱シールド構造が熱シールドを行う場合、温度感応性ハイドロゲルは、スキン及び空洞層から内部へ放射する熱を吸収し、解膨潤状態となり、冷却作業物質の存在形式を固相から順次に液相及び気相に転移し、気相の前記冷却作業物質を前記空洞層へ放出した後に排出する。断熱層に温度感応性ハイドロゲルを含有し、断熱層の温度が温度感応性ハイドロゲルの下限臨界溶解温度(LCST)より高い場合、その中の温度感応性ハイドロゲルが膨潤状態を呈し、冷却作業物質を吸収してそれを固相に転移し、断熱層を得、当該熱シールド構造の使用過程において、その使用環境温度が温度感応性ハイドロゲルの下限臨界溶解温度(LCST)より高く、この時、温度感応性ハイドロゲルが熱を吸収して解膨潤状態を呈し、冷却作業物質を固相から液相に転移し、その後、液相の冷却作業物質が熱を吸収し続けてさらに気相に転移して空洞へ放出されて排出され、これにより、優れた熱シールド機能を実現する。 The thermal insulation layer and the cavity in the heat shield structure provide an active heat shield function. When the heat shield structure performs heat shielding, the temperature-sensitive hydrogel absorbs the heat radiated inward from the skin and cavity layer, becomes a de-swelled state, and changes the existence form of the cooling agent from the solid phase to the liquid phase. and transforms into a gas phase, and releases the cooling working substance in the gas phase into the cavity layer and then discharges it. When the heat insulating layer contains a temperature-sensitive hydrogel and the temperature of the heat-insulating layer is higher than the lower critical solution temperature (LCST) of the temperature-sensitive hydrogel, the temperature-sensitive hydrogel therein exhibits a swollen state, and the cooling process is performed. It absorbs the substance and transforms it into a solid phase to obtain a heat insulating layer, and in the process of using the heat shield structure, the use environment temperature is higher than the lower critical solution temperature (LCST) of the temperature-sensitive hydrogel. , the temperature-sensitive hydrogel absorbs heat and exhibits a de-swelling state, transferring the cooling substance from the solid phase to the liquid phase, and then the cooling substance in the liquid phase continues to absorb heat and further transforms into the gas phase. It metastasizes and is ejected into the cavity where it is discharged, thereby providing an excellent heat shielding function.
また、本発明が提供する熱シールド構造は繰り返して使用可能である。断熱層における温度感応性ハイドロゲルが環境温度の変化に応じて可逆的な膨潤-解膨潤を発生する特性により、熱シールド構造の繰り返し使用を実現することができる。使用後の熱シールド構造は、降温、冷却作業物質補充の方式によりその中の温度感応性ハイドロゲルを膨潤させて冷却作業物質を吸収させることにより、優れた熱シールド性能を回復する。 Additionally, the heat shield structure provided by the present invention can be used repeatedly. The temperature-sensitive hydrogel in the heat insulating layer has the property of reversibly swelling and de-swelling in response to changes in environmental temperature, making it possible to repeatedly use the heat shield structure. After use, the heat shield structure recovers its excellent heat shield performance by cooling the temperature and replenishing the cooling substance to swell the temperature-sensitive hydrogel therein and absorb the cooling substance.
本発明の実施例又は従来技術における技術的解決手段をより明瞭に説明するために、以下、実施例又は従来技術についての説明に使用する必要がある図面を簡単に説明し、明らかに、以下で説明する図面は本発明の幾つかの実施例であり、当業者にとって、創造的な労働を行わない場合、さらにこれらの図面から他の図面を得ることができる。 In order to explain the technical solutions in the embodiments of the present invention or the prior art more clearly, the drawings that need to be used in the description of the embodiments or the prior art will be briefly described below, and it will be obvious that the following: The described drawings are some embodiments of the invention, and a person skilled in the art can further derive other drawings from these drawings without any creative effort.
本発明の実施例の目的、技術的解決手段及び利点をより明瞭にするために、以下、本発明の実施例における図面を参照して、本発明の実施例における技術的解決手段を明瞭、完全に説明し、明らかに、説明する実施例は、本発明の全ての実施例ではなく一部の実施例であり、本発明における実施例に基づき、当業者が創造的な労働を行わずに取得した全ての他の実施例は、いずれも本発明の保護範囲に含まれる。 In order to make the objectives, technical solutions and advantages of the embodiments of the present invention more clear, the technical solutions in the embodiments of the present invention will be explained clearly and completely with reference to the drawings in the embodiments of the present invention. It is clear that the described embodiments are some, but not all, embodiments of the invention and that a person skilled in the art could obtain them without creative effort based on the embodiments of the invention. All other embodiments mentioned above fall within the protection scope of the present invention.
図1、図3(a)及び図3(b)に示すように、本発明は、熱シールド構造を提供し、熱シールド構造は、順次に設けられた断熱層3と、空洞層2と、スキン1と、を含み、断熱層3がアンダープレート4上に設けられており、
断熱層3は、多孔質断熱構造と、多孔質断熱構造中に設けられた温度感応性ハイドロゲルと、温度感応性ハイドロゲル中に吸着する冷却作業物質と、を含み、
熱シールド構造が熱シールドを行わない場合、温度感応性ハイドロゲルは、膨潤状態にあり、冷却作業物質を固相の存在形式で温度感応性ハイドロゲル中に吸着させ、
熱シールド構造が熱シールドを行う場合、温度感応性ハイドロゲルは、スキン1及び空洞層2から内部へ放射する熱を吸収し、解膨潤状態となり、冷却作業物質の存在形式を固相から順次に液相及び気相に転移し、気相の冷却作業物質を空洞層2へ放出した後に排出する。
As shown in FIGS. 1, 3(a) and 3(b), the present invention provides a heat shield structure, which includes a
The
When the heat shielding structure does not perform heat shielding, the temperature-sensitive hydrogel is in a swollen state and the cooling working substance is adsorbed into the temperature-sensitive hydrogel in the form of a solid phase;
When the heat shield structure performs heat shielding, the temperature-sensitive hydrogel absorbs the heat radiated inward from the
なお、アンダープレート4は、飛翔体内部キャビンの外面の一部であり、常用材料としてアルミニウム合金が用いられる。
Note that the
本発明において、断熱層3と、空洞層2と、スキン1と、を含む熱シールド構造をアンダープレート4上に設置することにより、優れた熱シールド性能を有させる。
In the present invention, by installing a heat shield structure including a
熱シールド構造におけるスキン1及び空洞により、受動型熱シールド機能を有することなり、当該受動型熱シールドメカニズムは、スキン1が外部の熱を吸収して昇温した後に熱放射の方式により、吸収した熱の一部を放出することである。ここで、スキン1が熱を放射するルートは2種類あり、1つは、スキン1が外部環境へ熱を放出する外部放射であり、もう1つは、空洞へ熱を放出する内部放射である。本発明は、空洞層2を設置することにより、スキン1が外部へ放熱すると同時に、内部へ空洞層2に放熱することもでき、これにより、従来の熱シールドに加えて1つの内部へ放射するルートを増加し、さらに受動型熱シールドの熱シールド効率を向上させた。
The
熱シールド構造における断熱層3は、多孔質断熱構造と、多孔質断熱構造中に設けられた温度感応性ハイドロゲルと、温度感応性ハイドロゲル中に吸着する冷却作業物質と、を含む。多孔質断熱構造における空隙は、温度感応性ハイドロゲルを収容することができ、温度感応性ハイドロゲルは、液相の冷却作業物質を吸収してそれを固相に転移することができる。
The
熱シールド構造における断熱層3及び空洞により、能動型熱シールド機能を有することなる。熱シールド構造が熱シールドを行う場合、温度感応性ハイドロゲルは、スキン1及び空洞層2から内部へ放射する熱を吸収し、解膨潤状態となり、冷却作業物質の存在形式を固相から順次に液相及び気相に転移し、気相の前記冷却作業物質を前記空洞層2へ放出した後に排出する。断熱層3に温度感応性ハイドロゲルを含有し、断熱層3の温度が温度感応性ハイドロゲルの下限臨界溶解温度(LCST)より低い場合、その中の温度感応性ハイドロゲルが膨潤状態を呈し、冷却作業物質を吸収してそれを固相に転移し、断熱層3を得、当該熱シールド構造の使用過程において、その使用環境温度が温度感応性ハイドロゲルの下限臨界溶解温度(LCST)より高く、この時、温度感応性ハイドロゲルが熱を吸収して解膨潤状態を呈し、冷却作業物質を固相から液相に転移し、その後、液相の冷却作業物質が熱を吸収し続けてさらに気相に転移して空洞に放出されて排出され、これにより、優れた熱シールド機能を実現する。
The
また、本発明が提供する熱シールド構造は繰り返して使用可能である。断熱層3における温度感応性ハイドロゲルが環境温度の変化に応じて可逆的膨潤-解膨潤を発生する特性により、熱シールド構造の繰り返し使用を実現することができる。使用後の熱シールド構造は、降温、冷却作業物質補充の方式によりその中の温度感応性ハイドロゲルを膨潤させて冷却作業物質を吸収させることができ、これにより、優れた熱シールド性能を回復させる。本発明において、熱シールド構造は、能動-受動連携型の熱シールドメカニズムによって優れた熱シールド性能を実現する。外面放射放熱を十分に発揮した上、内部放射放熱(受動型熱シールド)を増加し、これに加えて、さらに固相の水の相転移放熱(能動型熱シールド)を増加し、当該放熱は外面放射放熱の30~50倍である。本発明が提供する熱シールド構造は、極超音速飛翔体が空力加熱環境下で飛翔体内部キャビン外面の温度を100℃未満にすることができ、当該熱シールド効果が明らかにセラミックベース断熱型熱シールド、トランスピレーション冷却及びフィルム冷却などの他の単一な能動型又は受動型熱シールドメカニズムより優れている。
Additionally, the heat shield structure provided by the present invention can be used repeatedly. Due to the property of the temperature-sensitive hydrogel in the
なお、断熱層3における温度感応性ハイドロゲルの解膨潤過程において、冷却作業物質が固相、液相、気相の相転移過程により熱を吸収し続け、この時、断熱層3において固-液-気相のバランスが存在するため、固相の冷却作業物質がなくなって能動型熱シールドメカニズムの効果が消えるまで、断熱層3の温度を冷却作業物質の沸点温度以下に維持する。
In addition, during the de-swelling process of the temperature-sensitive hydrogel in the
本発明において、多孔質断熱構造の孔径、孔の分布、温度感応性ハイドロゲルの水の制御放出速度及び冷却作業物質の質量により能動型熱シールドメカニズムの時間を調節することができる。 In the present invention, the time of the active heat shielding mechanism can be adjusted by the pore size of the porous insulation structure, the pore distribution, the controlled release rate of water of the temperature-sensitive hydrogel, and the mass of the cooling agent.
なお、従来の能動型熱シールド構造が選択する冷却作業物質は液相であり、液相の冷却作業物質が流動性を有するため、熱シールド構造中に放置するためには封止、貯蔵及び耐食などの一連の複雑な補助構造を設置する必要があり、実際の熱シールド構造において応用されにくい。この課題を解決するために、本発明は、断熱層3に温度感応性ハイドロゲルを添加し、温度感応性ハイドロゲルは、冷却作業物質を吸収してそれを固相に転移することができるため、液相の冷却作業物質を貯蔵するための補助構造を熱シールド構造に設けることは避けられる。これに加えて、本発明の熱シールド構造において能動型熱シールドメカニズムは、完全に温度変化により自動的にトリガーされ、冷却作業物質の相転移により熱を吸収して熱シールドを実現し、全過程において何らのセンサ及び制御装置も必要とされない。
In addition, the cooling material selected by the conventional active heat shield structure is in a liquid phase, and since the liquid phase cooling material has fluidity, it must be sealed, stored, and corrosion-resistant in order to be left in the heat shield structure. It is necessary to install a series of complex auxiliary structures, such as, and is difficult to apply in actual heat shield structures. In order to solve this problem, the present invention adds a temperature-sensitive hydrogel to the
本発明が提供する熱シールド構造は、極超音速飛翔体の翼前縁部、ノーズコーンなどの箇所に適用することができ、風当たり面の大面積の領域にも適用することができ、100kW/m2~10MW/m2の熱負荷を耐えることができ、かつ、ローディング時間は最大で30minに達することができる。ここで、ローディング時間は、即ち、能動型熱シールドメカニズムの有効時間である。 The heat shield structure provided by the present invention can be applied to parts such as the leading edge of the wing and nose cone of a hypersonic flying vehicle, and can also be applied to a large area of the wind blowing surface, and can generate up to 100 kW/ It can withstand a heat load of m 2 to 10 MW/m 2 and the loading time can reach up to 30 min. Here, the loading time is the effective time of the active heat shield mechanism.
幾つかの好適な実施形態によれば、熱シールド構造は、ネジ5とナット6とをさらに含み、断熱層3及びスキン1はネジ5とナット6との係合によりアンダープレート4上に固定されている。
According to some preferred embodiments, the heat shield structure further includes
幾つかの好適な実施形態によれば、ネジ5及びナット6は、いずれもアルミナセラミックから作製される。
According to some preferred embodiments, both
幾つかの好適な実施形態によれば、多孔質断熱構造は、アルミナセラミックから作製される。 According to some preferred embodiments, the porous insulation structure is made from alumina ceramic.
図3(a)及び図3(b)に示すように、熱シールド構造は、ネジ5とナット6とを係合する方式を採用して、スキン1と断熱層3とアンダープレート4とを一体的に固定することができ、ここで、ナット6は、スキン1の両側に固定され、断熱層3とスキン1との間に空洞層2を保留する。
As shown in FIGS. 3(a) and 3(b), the heat shield structure employs a method in which screws 5 and nuts 6 are engaged to integrate the
本発明において、スキン1としては、高温合金板が用いられ、多孔質断熱構造、ネジ5及びナット6としては、アルミナセラミック材料が用いられ、アルミナセラミック材料は、優れた断熱性を有する。アルミナセラミック材料は、他の多孔質断熱材(例えば、ジルコニアセラミック材料)と比べて、単価がより低く、空隙分布がより均一である。
In the present invention, a high temperature alloy plate is used as the
幾つかの好適な実施形態によれば、上記第1の態様のいずれかの熱シールド構造において、冷却作業物質は水を含む。 According to some preferred embodiments, in the heat shield structure of any of the first aspects above, the cooling working substance comprises water.
なお、水相の変化潜熱が最も高いので、水を相転移による冷却にとって最適な冷却作業物質として選択する。 It should be noted that water is selected as the optimal cooling working material for cooling by phase transition, since the latent heat of change of the water phase is the highest.
図2に示すように、本発明は、熱シールド構造の製造方法をさらに含み、当該方法は、
温度感応性ハイドロゲルと多孔質断熱構造とを冷却作業物質を含有する容器中に配置し、温度感応性ハイドロゲルを多孔質断熱構造中に進入させるステップであって、冷却作業物質の温度が第1の所定温度であり、第1の所定温度下で、温度感応性ハイドロゲルが解膨潤状態にあるステップと、
冷却作業物質の温度を第2の所定温度に低下させ、冷却作業物質を固相の存在形式で温度感応性ハイドロゲル中に吸着させ、断熱層を得るステップであって、第2の所定温度下で、温度感応性ハイドロゲルが膨潤状態にあるステップと、
断熱層とスキンとを固定して、断熱層とスキンとの間に空洞層を設置し、熱シールド構造を形成するステップであって、断熱層がアンダープレート上に設けられているステップと、を含む。
なお、第1の所定温度がLCST(断熱層における温度感応性ハイドロゲルの下限臨界溶解温度)より少し高く、第2の所定温度がLCSTより低い。温度感応性ハイドロゲルの温度がLCSTより高い場合、解膨潤状態を呈し、この時、その内部に水がなく、温度感応性ハイドロゲルの温度がLCSTより低い場合、膨潤状態を呈し、液相水を吸収してその内部で固相水を形成させることができる。
As shown in FIG. 2, the present invention further includes a method of manufacturing a heat shield structure, the method comprising:
disposing the temperature-sensitive hydrogel and the porous insulation structure in a container containing a cooling material, and advancing the temperature-sensitive hydrogel into the porous insulation structure such that the temperature of the cooling material reaches a first temperature; 1, and the temperature-sensitive hydrogel is in a de-swollen state under the first predetermined temperature;
lowering the temperature of the cooling material to a second predetermined temperature and adsorbing the cooling material in the form of a solid phase into the temperature-sensitive hydrogel to obtain a heat insulating layer, the step of: lowering the temperature of the cooling material to a second predetermined temperature; a step in which the temperature-sensitive hydrogel is in a swollen state;
fixing the heat insulating layer and the skin and installing a hollow layer between the heat insulating layer and the skin to form a heat shield structure, the heat insulating layer being provided on the underplate; include.
Note that the first predetermined temperature is slightly higher than the LCST (lower critical melting temperature of the temperature-sensitive hydrogel in the heat insulating layer), and the second predetermined temperature is lower than the LCST. When the temperature of the temperature-sensitive hydrogel is higher than LCST, it exhibits a de-swollen state, and at this time, there is no water inside it, and when the temperature of the temperature-sensitive hydrogel is lower than LCST, it exhibits a swollen state and liquid phase water can be absorbed to form solid phase water within it.
本発明において、冷却作業物質が第1の所定温度である場合、容器内の温度感応性ハイドロゲルが液相解膨潤状態にあり、この時、温度感応性ハイドロゲルが多孔質断熱構造内部の空隙に進入し、温度感応性ハイドロゲル大分子がグラフトの方式により多孔質断熱構造の空隙の内壁に結合する。 In the present invention, when the cooling material is at the first predetermined temperature, the temperature-sensitive hydrogel in the container is in a liquid phase decomposition swelling state, and at this time, the temperature-sensitive hydrogel is in the voids inside the porous insulation structure. The temperature-sensitive hydrogel macromolecules are bonded to the inner walls of the voids of the porous insulation structure by a grafting method.
本発明において、冷却作業物質の温度が第2の所定温度に低下した場合、降温過程において多孔質断熱構造空隙における温度感応性ハイドロゲルは、膨潤状態を呈し、親水性メッシュ構造のハイポリマーにより大量の蒸留水を吸収して膨潤し、かつ、温度が低下するにつれて、膨潤速度が増加し、容器内で第2の所定温度に低下した場合、温度感応性ハイドロゲルが膨潤バランスに達し、断熱層を得る。容器内の温度を低下させ、多孔質断熱構造における温度感応性ハイドロゲルに水を吸収させて膨潤させることにより、容器内の液相水を固相水に転移し、固相水は、結合水及び自由水の形で温度感応性ハイドロゲル中に存在する。 In the present invention, when the temperature of the cooling material decreases to a second predetermined temperature, the temperature-sensitive hydrogel in the voids of the porous heat-insulating structure exhibits a swollen state during the cooling process, and a large amount of the high polymer of the hydrophilic mesh structure is formed. When the temperature-sensitive hydrogel absorbs distilled water and swells, and as the temperature decreases, the rate of swelling increases until a second predetermined temperature is reached in the container, the temperature-sensitive hydrogel reaches a swelling balance and the thermal insulation layer get. By lowering the temperature inside the container and causing the temperature-sensitive hydrogel in the porous insulating structure to absorb water and swell, the liquid phase water in the container is converted to solid phase water, and the solid phase water is converted into bound water. and is present in the temperature-sensitive hydrogel in the form of free water.
本発明が提供する熱シールド構造の厚さが10~100mmであり(厚さはアンダープレートの分を含む)、熱シールド、断熱及び積載を一体化した機能を有する。 The heat shield structure provided by the present invention has a thickness of 10 to 100 mm (thickness includes the underplate) and has integrated functions of heat shield, heat insulation, and loading.
なお、本発明が提供する製造方法は、構造が簡単であり、コストが低く、装着が便利であり、かつ、設計性が強く、飛行時間及び飛行走路の熱負荷に応じて、断熱層の厚さ、マイクロ流体経路と分布、冷却作業物質の質量を設計することにより、異なる飛行任務の要求を満足することができる。 In addition, the manufacturing method provided by the present invention has a simple structure, low cost, convenient installation, and strong designability, and the thickness of the insulation layer can be adjusted according to the flight time and the heat load of the flight track. By designing the microfluidic path and distribution and mass of the cooling working material, the demands of different flight missions can be met.
幾つかの好適な実施形態によれば、断熱層とスキンとを固定するステップは、
ネジとナットとの係合により断熱層とスキンとを固定すること、を含む。
According to some preferred embodiments, securing the insulation layer and the skin comprises:
fixing the insulation layer and the skin through engagement with screws and nuts;
幾つかの好適な実施形態によれば、ネジ及びナットは、いずれもアルミナセラミックから作製される。 According to some preferred embodiments, both the screw and nut are made from alumina ceramic.
幾つかの好適な実施形態によれば、多孔質断熱構造は、アルミナセラミックから作製される。 According to some preferred embodiments, the porous insulation structure is made from alumina ceramic.
図3に示すように、熱シールド構造は、ネジとナットとを係合する方式を採用して、スキンと断熱層とアンダープレートとを一体的に固定することができ、ここで、ナットがスキンの両側に固定され、断熱層とスキンとの間に空洞層を保留する。 As shown in Fig. 3, the heat shield structure adopts a method of engaging screws and nuts to integrally fix the skin, the heat insulating layer, and the underplate. is fixed on both sides of the insulation layer and retains a hollow layer between the insulation layer and the skin.
本発明において、スキンとしては、高温合金板が用いられ、多孔質断熱構造及びネジ及びナットとしてはアルミナセラミック材料が用いられ、アルミナセラミック材料は優れた断熱性を有する。アルミナセラミック材料は、他の多孔質断熱材(例えば、ジルコニアセラミック材料)と比べて、単価がより低く、空隙分布がより均一である。 In the present invention, a high temperature alloy plate is used as the skin, and an alumina ceramic material is used as the porous heat insulation structure and the screws and nuts, and the alumina ceramic material has excellent heat insulation properties. Alumina ceramic materials have a lower unit cost and a more uniform void distribution compared to other porous insulation materials (eg, zirconia ceramic materials).
幾つかの好適な実施形態によれば、上記のいずれかの熱シールド構造の製造方法において、冷却作業物質は水を含む。 According to some preferred embodiments, in any of the above methods of manufacturing a heat shield structure, the cooling working substance includes water.
なお、水の相転移の潜熱が最も高いので、水を相転移による冷却にとって最適な冷却作業物質として選択する。 It should be noted that water is selected as the optimal cooling working material for cooling by phase transition, since the latent heat of phase transition of water is the highest.
本発明の技術的解決手段及び利点をより明瞭に説明するために、以下、幾つかの実施例により熱シールド構造及びその製造方法を詳しく説明する。 In order to more clearly explain the technical solutions and advantages of the present invention, the heat shield structure and its manufacturing method will be described in detail below with some embodiments.
実施例1
温度感応性ハイドロゲル及び100mm×100mm×8mmの多孔質アルミナセラミックプレートを、蒸留水を含有する容器中に放置し、温度感応性ハイドロゲルを多孔質アルミナセラミックプレート中に進入させ、ここで、蒸留水の温度が36℃であり、温度感応性ハイドロゲルが解膨潤状態にあり、
蒸留水の温度を25℃に低下させ、蒸留水を固相の存在形式で温度感応性ハイドロゲル中に吸着させ、断熱層を得、ここで、前記温度感応性ハイドロゲルが膨潤状態にあり、
断熱層、スキン及びアンダープレートをネジ及びナット係合の方式で固定し、熱シールド構造のアンダープレートを得る。ここで、スキンとしては100mm×100mm×5mmの高温合金板が用いられ、アンダープレート材料としては100mm×100mm×5mmのアルミニウム合金板が用いられ、ネジ及びナットとしては、M4アルミナセラミックのネジ及びナットが用いられる。ここで、ナットがスキンの両側に固定され、断熱層とスキンとの間に8mmの空洞層を保留する。
製造した熱シールド構造のアンダープレートを断熱ブランケット上に放置し、スキンの外面と断熱層の外面にそれぞれ熱電対を接着し、それを高電力石英ランプ下に放置し、高電力石英灯により熱流束を0.9MW/m2に調整し、サーマルチェックテストを行い、測定したスキンの外面温度が865℃であり、断熱層の外面温度が100℃以下であり、3min(能動型熱シールドメカニズムの有効時間)維持した。
Example 1
The temperature-sensitive hydrogel and the 100 mm x 100 mm x 8 mm porous alumina ceramic plate are placed in a container containing distilled water, and the temperature-sensitive hydrogel enters the porous alumina ceramic plate, where the distillation The temperature of the water is 36°C, and the temperature-sensitive hydrogel is in a de-swollen state;
The temperature of the distilled water is lowered to 25° C., and the distilled water is adsorbed into the temperature-sensitive hydrogel in the presence of a solid phase to obtain a heat-insulating layer, where the temperature-sensitive hydrogel is in a swollen state;
The heat insulating layer, the skin and the underplate are fixed by screws and nuts to obtain an underplate having a heat shield structure. Here, a high temperature alloy plate of 100 mm x 100 mm x 5 mm is used as the skin, an aluminum alloy plate of 100 mm x 100 mm x 5 mm is used as the underplate material, and M4 alumina ceramic screws and nuts are used as the screws and nuts. is used. Here, nuts are fixed on both sides of the skin, retaining an 8 mm cavity layer between the insulation layer and the skin.
The manufactured underplate with heat shield structure was placed on a heat insulating blanket, thermocouples were glued to the outer surface of the skin and the outer surface of the heat insulating layer, respectively, and it was placed under a high-power quartz lamp, and the heat flux was controlled by the high-power quartz lamp. was adjusted to 0.9 MW/ m2 , a thermal check test was performed, and the measured external surface temperature of the skin was 865°C, the external surface temperature of the insulation layer was 100°C or less, and 3 min (the effectiveness of the active heat shield mechanism) was determined. time) was maintained.
実施例2
実施例2は、実施例1の製造方法とほぼ同じであるが、以下の点で異なる。
熱流束が0.1MW/m2であり、多孔質アルミナセラミックプレートの厚さが5mmであった。
測定したスキンの外面温度が420℃であり、能動型熱シールドメカニズムの有効時間が30minであった。
Example 2
Example 2 is almost the same as the manufacturing method of Example 1, but differs in the following points.
The heat flux was 0.1 MW/m 2 and the thickness of the porous alumina ceramic plate was 5 mm.
The measured outer surface temperature of the skin was 420° C., and the effective time of the active heat shield mechanism was 30 min.
実施例3
実施例3は、実施例1の製造方法とほぼ同じであるが、以下の点で異なる。
熱シールド構造を高周波プラズマ風洞に放置し、熱流束を5MW/m2に調整し、多孔質アルミナセラミックプレートの厚さが15mmである。
測定したスキンの外面温度が870℃であり、能動型熱シールドメカニズムの有効時間が15minであった。
Example 3
Example 3 is almost the same as the manufacturing method of Example 1, but differs in the following points.
The heat shield structure is placed in a high frequency plasma wind tunnel, the heat flux is adjusted to 5 MW/ m2 , and the thickness of the porous alumina ceramic plate is 15 mm.
The measured outer surface temperature of the skin was 870° C., and the effective time of the active heat shield mechanism was 15 min.
実施例4
実施例4は、実施例1の製造方法とほぼ同じであるが、以下の点で異なる。
熱シールド構造を高周波プラズマ風洞に放置し、熱流束を10MW/m2に調整し、多孔質アルミナセラミックプレートの厚さが30mmである。
測定したスキンの外面温度が910℃であり、能動型熱シールドメカニズムの有効時間が20minであった。
Example 4
Example 4 is almost the same as the manufacturing method of Example 1, but differs in the following points.
The heat shield structure is placed in a high frequency plasma wind tunnel, the heat flux is adjusted to 10 MW/ m2 , and the thickness of the porous alumina ceramic plate is 30 mm.
The measured outer surface temperature of the skin was 910° C., and the effective time of the active heat shield mechanism was 20 min.
比較例1
100mm×100mm×5mmの高温合金板をスキンとして選択し、スキンの外面に熱電対を接着し、それを高電力石英灯下に放置し、高電力石英灯により熱流束を0.9MW/m2に調整して、サーマルチェックテストを行い、測定したスキンの外面温度が1170℃であった。
Comparative example 1
A high temperature alloy plate of 100 mm x 100 mm x 5 mm is selected as the skin, a thermocouple is glued on the outer surface of the skin, and it is left under a high power quartz lamp, and the heat flux is set to 0.9 MW/ m2 by the high power quartz lamp. A thermal check test was conducted, and the measured external temperature of the skin was 1170°C.
実施例1~4、比較例1のサーマルチェックテストデータを表1のようにまとめる。
実施例1~4からわかるように、本発明が提供する熱シールド構造は、最大で10W/m2の熱負荷に耐えることができ、能動型熱シールドメカニズムの有効時間が30minに達することができる。 As can be seen from Examples 1 to 4, the heat shield structure provided by the present invention can withstand a heat load of up to 10 W/ m2 , and the effective time of the active heat shield mechanism can reach 30 min. .
実施例1~4から、本発明の熱シールド構造における能動型熱シールドメカニズムは、優れた熱シールド効果を有し、内部の飛翔体内部キャビンの外面温度を100℃以下に制御することができ、かつ、多孔質断熱構造の厚さ、熱流束により能動型熱シールドメカニズムの時間を調節することができることをさらに明らかにした。 From Examples 1 to 4, the active heat shield mechanism in the heat shield structure of the present invention has an excellent heat shield effect, and can control the outer surface temperature of the internal cabin of the flying object to 100°C or less, Moreover, it was further clarified that the time of the active heat shield mechanism can be adjusted by changing the thickness and heat flux of the porous insulation structure.
実施例1及び比較例1から(例えば、図4)、実施例1のスキンの外面温度が865℃であり、比較例1のスキンの外面温度が1170℃であることがわかり、本発明が提供する熱シールド構造は、受動型熱シールドメカニズムにおける内部放射により材料の熱シールド効果を向上させることができると証明されている。 From Example 1 and Comparative Example 1 (for example, FIG. 4), it is found that the outer surface temperature of the skin of Example 1 is 865° C., and the outer surface temperature of the skin of Comparative Example 1 is 1170° C., and the present invention provides It has been proven that the heat shielding structure can improve the heat shielding effect of the material by internal radiation in passive heat shielding mechanism.
以上、上記実施例は、本発明の技術的解決手段を制限するものではなく、それを説明するものであり、上記実施例を参照しながら本発明を詳しく説明したが、当業者であれば理解できるように、それが依然として上記各実施例に記載の技術的解決手段を変更することができ、あるいは、その一部の構成要件を等価置換することができ、また、これらの変更又は置換により、技術的解決手段の本質が本発明の各実施例の技術的解決手段の趣旨及び範囲から逸脱することはない。 As mentioned above, the above embodiments do not limit the technical solutions of the present invention, but are intended to explain them, and the present invention has been explained in detail with reference to the above embodiments, but those skilled in the art will understand. As such, it can still modify the technical solutions described in each of the above embodiments, or equivalently replace some constituent elements thereof, and these modifications or replacements may The essence of the technical solution does not depart from the spirit and scope of the technical solution of each embodiment of the present invention.
Claims (10)
前記断熱層は、多孔質断熱構造と、前記多孔質断熱構造中に設けられた温度感応性ハイドロゲルと、前記温度感応性ハイドロゲル中に吸着する冷却作業物質と、を含み、
前記熱シールド構造が熱シールドを行わない場合、前記温度感応性ハイドロゲルは、膨潤状態にあり、前記冷却作業物質を固相の存在形式で前記温度感応性ハイドロゲル中に吸着させ、
前記熱シールド構造が熱シールドを行う場合、前記温度感応性ハイドロゲルは、前記スキン及び前記空洞層から内部へ放射する熱を吸収し、解膨潤状態となり、前記冷却作業物質の存在形式を固相から順次に液相及び気相に転移し、気相の前記冷却作業物質を前記空洞層へ放出した後に排出させる
ことを特徴とする熱シールド構造。 an insulating layer, a cavity layer, and a skin disposed in sequence, the insulating layer being disposed on an exterior surface of an interior cabin of the vehicle;
The heat insulating layer includes a porous heat insulating structure, a temperature sensitive hydrogel provided in the porous heat insulating structure, and a cooling substance adsorbed in the temperature sensitive hydrogel,
When the heat shielding structure does not provide heat shielding, the temperature sensitive hydrogel is in a swollen state and the cooling agent is adsorbed into the temperature sensitive hydrogel in the form of a solid phase;
When the heat shielding structure performs heat shielding, the temperature-sensitive hydrogel absorbs the heat radiated inward from the skin and the hollow layer, becomes a de-swelled state, and converts the cooling working material into a solid phase. A heat shield structure characterized in that the cooling substance in the vapor phase is sequentially transformed into a liquid phase and a gas phase, and is discharged after being released into the cavity layer.
前記冷却作業物質の温度を第2の所定温度に低下させ、前記冷却作業物質を固相の存在形式で前記温度感応性ハイドロゲル中に吸着させ、断熱層を得るステップであって、前記第2の所定温度下で、前記温度感応性ハイドロゲルが膨潤状態にあるステップと、
前記断熱層とスキンとを固定し、前記断熱層と前記スキンとの間に空洞層を設置し、熱シールド構造を形成するステップであって、前記断熱層が飛翔体内部キャビンの外面上に設けられるステップと、
を含む、ことを特徴とする熱シールド構造の製造方法。 disposing a temperature-sensitive hydrogel and a porous insulation structure in a container containing a cooling working substance, and allowing the temperature-sensitive hydrogel to enter the porous insulation structure, the temperature of the cooling working substance increasing the temperature of the cooling working substance; is a first predetermined temperature, and the temperature-sensitive hydrogel is in a de-swelled state under the first predetermined temperature;
lowering the temperature of the cooling substance to a second predetermined temperature and adsorbing the cooling substance in the form of a solid phase into the temperature-sensitive hydrogel to obtain a heat insulating layer, the temperature-sensitive hydrogel is in a swollen state at a predetermined temperature;
fixing the heat insulating layer and the skin, and installing a hollow layer between the heat insulating layer and the skin to form a heat shield structure, the heat insulating layer being provided on an outer surface of the interior cabin of the aircraft; and the steps
A method of manufacturing a heat shield structure, comprising:
ネジとナットとの係合を利用して前記断熱層とスキンとを固定すること、を含むことを特徴とする請求項6に記載の熱シールド構造の製造方法。 The step of fixing the heat insulating layer and the skin includes:
7. The method of manufacturing a heat shield structure according to claim 6, further comprising fixing the heat insulating layer and the skin using engagement between screws and nuts.
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