一种高性能柔性蒙皮 |
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| 申请号 | CN202311804938.4 | 申请日 | 2023-12-26 | 公开(公告)号 | CN117902033A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 李华; 黄菊伟; 李铁风; 周昊飞; 张岑楠; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高性能柔性蒙皮，包括基底，所述基底上设置有多孔介质层；所述多孔介质层的表面为均匀的多孔结构；所述多孔介质层的内部有相互交错连通的微流孔；所述多孔介质层内设置有冷却剂主流道；所述基底内设置有若干个空腔，所述空腔内填充有液态金属。本发明的柔性蒙皮具有耐高温、应变量大、承载能 力 高等优点，可实现承受1300℃高温气流≤3min， 工作 温度 高，工作时间长；还可通过控制蒙皮的温度实现 玻璃态 度到 橡胶 态的转变，应用范围广泛，不仅适用于跨域变体 飞行器 ，还适用于返回式卫星、航天飞行器、火箭和战略导弹等。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高性能柔性蒙皮，其特征在于，包括基底，所述基底上设置有多孔介质层；所述多孔介质层的表面为均匀的多孔结构；所述多孔介质层的内部有相互交错连通的微流孔； |
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| 说明书全文 | 一种高性能柔性蒙皮技术领域背景技术[0002] 变体飞行器在飞行时会经历不同的速度域，这种跨域飞行要经历极高的温度区间，对柔性蒙皮提出了严峻的挑战。理想情况下，变体飞行器的蒙皮需要具备：耐高温、应变量大、承载能力高等性能，这对蒙皮提出了极高的要求。传统的柔性蒙皮多以低模量、高弹性的聚合物为基础，如橡胶、硅胶、PDMS等材料，其承载能力小，工作温度低。以金属基陶瓷复合材料、SMA复合材料为基础的蒙皮能实现在较高的温度下主动变形，但变形量较低。因此，能满足上述要求的高性能蒙皮还没有出现，亟需一种高性能的柔性蒙皮来推动变体飞行器的发展。 [0003] 受生物蒸发、排汗等方式降温启发，利用发汗相变方法降低蒙皮温度是一种非常有效的手段。相变散热是利用物质在相变过程中释放或吸收大量潜热来实现热量传递的散热方式。相变散热具有传热效率高、热稳定性高(能够保持物体的温度在一定范围内)等优点。首先利用传热效率高的特点，可以实现蒙皮的主动降温；其次利用相变的热稳定性特点，可以控制相变材料的使用量，实现控制物体的温度。 [0004] 当前有关柔性蒙皮的专利较多，但大部分集中于柔性蒙皮的结构、材料制备等方面，所获得的柔性蒙皮不具备在极端的高温下工作的特性。同样的，有关发汗相变相关的专利也较多，但大部分专利都集中于相变材料的制备、固体多孔介质的相变发汗，不具备变形性能或变形量小。当前，具有柔性蒙皮和相变发汗两者结合的主要研究有：现有技术1(名称：超限热防护与生存状态感知的高速飞行器柔性蒙皮，公开号CN109823508A，公开日：2019.5.31)采用贯通的微孔实现冷却剂渗透到蒙皮表面，然而由于冷却剂溢出孔的流量不均匀，该蒙皮不能在过高的环境中使用。现有技术2(基于多孔泡沫的高速飞行器超限热防护柔性蒙皮及其方法，公开号CN110696440A，公开日：2020.01.17)为同一发明人，对现有技术1的渗透不均匀问题实施了改进，将蒙皮设计成3层，中间层采用多孔泡沫，提高了渗透的均匀性。然而该蒙皮制备方法复杂，尤其是上层的微孔结构部分，制备不当时，仍可能会出现渗透不均匀现象，在高温环境下仍有失效的可能性。同时，该专利采用的蒙皮材料优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、硅橡胶等柔性聚合物，不具备有形状记忆性能，在应用时需要极高的驱动力推动蒙皮变形。 [0005] 综上所述，通过引入新材料、与发汗相结合等方式，蒙皮的耐温极限得到了一定程度的提高，但最高温度仍低于1000℃的状态，与应用需求差距较大。为了提高柔性蒙皮的耐高温极限，实现柔性蒙皮在极端环境中仍保持应变量大、承载能力高的能力，亟需发明一种高性能柔性蒙皮，以推动变体飞行器的发展。 发明内容[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高性能柔性蒙皮，该柔性蒙皮具有耐高温、应变量大、承载能力强等特点，能够应用于跨域变体飞行器，实现飞行器的变形飞行。 [0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高性能柔性蒙皮，包括基底，所述基底上设置有多孔介质层；所述多孔介质层的表面为均匀的多孔结构；所述多孔介质层的内部有相互交错连通的微流孔；所述多孔介质层内设置有冷却剂主流道；所述基底内设置有若干个空腔，所述空腔内填充有液态金属。 [0008] 进一步地，所述多孔介质层内均匀设置有若干个仿生流道；每个所述仿生流道均与冷却剂主流道连通。 [0009] 进一步地，所述冷却剂主流道包括直流道和回型流道。 [0010] 进一步地，所述多孔介质层内设置有若干个液态金属通道孔；所述液态金属通道孔内填充有液态金属。 [0011] 进一步地，包括冷却剂控制系统，所述冷却剂控制系统包括过滤器、流量控制阀、流量计和主管道且依次连接；所述主管道连通若干个分流管道，所述分流管道连通冷却剂主流道；所述柔性蒙皮内部设置有第一温度传感器，所述多孔介质层的表面设置有第二温度传感器，所述第一温度传感器和第二温度传感器均连接测量元件，所述测量元件连接比较元件；所述比较元件产生的反馈信号输入到流量控制阀中控制流量大小。 [0012] 进一步地，所述分流管道通过多通管连通多张所述柔性蒙皮的冷却剂主流道。 [0013] 进一步地，通过调节冷却剂的注入率大小，调节蒙皮表面温度。 [0014] 进一步地，所述基底和多孔介质层的材料均为柔性材料。 [0015] 进一步地，所述柔性材料包括SMP、SMA、PEEK、SMPI、硅胶、Ecoflex、PDMS和橡胶。 [0016] 进一步地，对于具有形状记忆功能的柔性材料，使用3D/4D打印或者烧结成型方法制备所述柔性蒙皮； [0017] 对于无形状记忆功能的柔性材料，使用3D打印方法制备所述柔性蒙皮。 [0018] 本发明的有益效果是： [0019] (1)本发明实施例的柔性蒙皮具有耐高温、应变量大、承载能力高等优点； [0020] (2)本发明实施例的柔性蒙皮可实现承受1300℃高温气流≤3min，工作温度高，工作时间长。 [0021] (3)本发明实施例的柔性蒙皮通过控制蒙皮的温度实现玻璃态度到橡胶态的转变，实现机翼变形量的控制； [0022] (4)本发明承载能力高，在蒙皮底部及内部部分区域耦合液态金属，提高了承载能力，与一般的蒙皮相比，承载能力有所提高； [0023] (5)本发明适用于多种材料，具有通用性，对于大部分柔性材料均适用； [0025] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0026] 图1为本发明实施例的柔性蒙皮结构示意图； [0027] 图2为本发明实施例的蒙皮浇注成型模具方案示意图； [0028] 图3为本发明实施例的两种冷却剂主流道结构示例图； [0029] 图4为本发明实施例的大面积蒙皮及管道连接示意图； [0030] 图5为本发明实施例的蒙皮间管道连接示意图； [0031] 图6为本发明实施例的冷却剂控制示意图； [0032] 图7为本发明实施例的液态金属填充部位示例图； [0033] 图8为本发明实施例的柔性蒙皮高温实验结果图。 [0034] 其中：1柔性蒙皮；1‑1基底；1‑2多孔介质层；1‑3仿生流道；1‑4微流孔；1‑5多孔结构；1‑6冷却剂主流道；1‑7液态金属通道孔；2‑1蒙皮内部温度传感器；2‑2蒙皮表层温度传感器；3测量元件；4比较元件；5流量控制阀；6流量计；7主管道；8分流管道；9大蒙皮；10过滤器；11四通管；12浇注模具；13流道模具。 具体实施方式[0035] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。 [0036] 下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。 [0037] 本发明的一种高性能柔性蒙皮，如图1所示，包括基底，所述基底1‑1上设置有多孔介质层1‑2；所述多孔介质层1‑2的表面为均匀的多孔结构1‑5；所述多孔介质层1‑2的内部有相互交错连通的微流孔1‑4；所述多孔介质层1‑2内设置有冷却剂主流道1‑6；所述基底1‑1内设置有若干个空腔，所述空腔内填充有液态金属，使柔性蒙皮增加抵抗外载荷。 [0038] 当冷却剂主流道1‑6通入冷却剂时，冷却剂之后通过相互交错连通的微流孔1‑4使多孔介质层1‑2均匀充满冷却液，之后冷却剂会到达表面区域，即多孔结构1‑5，与热流接触，冷却剂发生相变，从而带走蒙皮的热量。 [0039] 在一实施例中，所述多孔介质层1‑2内均匀设置有若干个仿生流道1‑3；每个所述仿生流道1‑3均与冷却剂主流道1‑6连通。其中，所述仿生流道均匀分布在多孔介质层1‑2内，增加柔性蒙皮内部流体的均匀性，使柔性蒙皮传热更加均匀。 [0040] 在一实施例中，如图3所示，为冷却剂主流道1‑6的两种结构示意图，其中图3中的(a)为直流道；图3中的(b)为回型流道。但并不限于这两种结构，也可以是密集交错的流道、仿树叶的交叉流道(分形流道)、血管等不同的管道形式。上述结构的冷却剂主流道1‑6可以实现冷却剂均匀地充满多孔介质层1‑2。 [0041] 在一实施例中，所述冷却剂主流道1‑6的间距中设置有若干个液态金属通道孔1‑7；所述液态金属通道孔1‑7内填充有液态金属。具体的，如图7所示，利用冷却剂主流道1‑6的间距预设了个液态金属通道孔1‑7，在柔性蒙皮成型后，将液态金属注入并封装，实现加强柔性蒙皮的法向支撑力的能力。当采用不同的排布式流道时，根据冷却剂主流道1‑6的间距设置液态金属通道孔1‑7。 [0042] 在一实施例中，本发明的基底1‑1和多孔介质层1‑2均由一种类型材料构成；方便一体合成基底1‑1和多孔介质层1‑2。 [0043] 在一实施例中，还包括冷却剂控制系统，如图4所示，所述冷却剂控制系统包括过滤器10、流量控制阀5、流量计6和主管道7且依次连接；所述主管道7连通若干个分流管道8，所述分流管道8连通冷却剂主流道1‑7；如图6所示，所述柔性蒙皮内部设置有第一温度传感器2‑1，所述多孔介质层1‑2的表面设置有第二温度传感器2‑2，所述第一温度传感器2‑1和第二温度传感器2‑2均连接测量元件3，所述测量元件连接比较元件4；所述比较元件产生的反馈信号输入到流量控制阀5中控制流量大小并通过流量计6进行监控。具体的，以初始分解温度为500℃，玻璃化温度为300℃的SMP为例(整张柔性蒙皮由单种材料SMP所制备)，当飞行器高速飞行时，第二温度传感器2‑2测量的温度达到材料的初始分解温度时，注入冷却剂进行冷却；当飞行器需要进行变形飞行器，通过第一温度传感器2‑1所测量的蒙皮内部温度，在比较元件4中处理信号，所获得的信号输入到流量控制阀5中控制的流量大小并通过6‑流量计进行监控，将蒙皮温度控制在100℃～400℃，从而实现蒙皮玻璃态与橡胶态的互相转换。其中，冷却剂为具有高比热容的物质或混合物，如：水、液氮、乙醇、水‑甘醇混合溶液和水‑糖混合溶液等；优先采用水作为冷却剂。以冷却介质为液态水为例，所需水的用量 2 ≤70ml/min即可保护S＝1500mm的蒙皮，保护效率高。 [0044] 如图4所示，可将多张柔性蒙皮1连接在一起形成一张大蒙皮9；在一实施例中，所述分流管道通过多通管连通多张所述柔性蒙皮的冷却剂主流道。具体的，如图5所示，冷却剂到达8‑分流管道末端后经过四通管11将流量均匀分配到四张柔性蒙皮中。 [0045] 本发明的柔性蒙皮的材料均为柔性材料，包括具有形状记忆功能的柔性材料，例如SMP、SMA、PEEK、SMPI；和无形状记忆功能的柔性材料，例如，硅胶、Ecoflex、PDMS和橡胶。 [0046] 对于具有形状记忆功能的柔性材料，使用3D/4D打印、烧结成型方法制备所述柔性蒙皮。优选3D/4D打印方法，3D/4D打印方法，通过调节打印参数，实现可控的多孔结构且一体成型，还可以控制蒙皮表面的孔隙结构，实现扩大或减小表面孔隙结构，提高渗透性能。当蒙皮以烧结成型时，将颗粒状的SMP材料(以熔融温度180℃为例)挤压成基础形状(此时，多孔介质层1‑2的内部即形成相互交错连通的微流孔1‑4)，并将成型体放入到180℃氛围中一段时间，即可得到具有均匀渗透性能的柔性蒙皮。 [0047] 对于无形状记忆功能的柔性材料，同样的也可以使用3D打印方法制备，实现蒙皮的多孔发汗结构。也可以使用浇注成型方法制备所述柔性蒙皮，当采用浇注成型时，先预设仿生流道1‑3和冷却剂主流道1‑6的水溶性支撑材料，经一段时间固化并去除了支撑后，即可获得柔性蒙皮。具体的，以硅胶浇注方案为例，如图2所示，通过浇注模具12和流道模具13制备柔性蒙皮(根据不同流道方案，模具设置将会做出调整)；其中，对于该柔性蒙皮的多孔介质层1‑2，有两种方式实现微孔/多孔介质状态： [0048] 方法1：在浇注前对多孔介质层1‑2预设微孔支撑材料，待材料固化后，去除支撑材料即可。 [0049] 方法2：在蒙皮成型后，对多孔介质层1‑2进行表面机加工，实现微孔结构。 [0050] 如图8所示，经实验验证，本发明的柔性蒙皮可实现承受1300℃高温气流≤3min，工作温度高，工作时间长。在一定流量范围内，通过控制流量大小，可以实现调节蒙皮温度。任意选取上述实施例中的一种柔性蒙皮均可得到上述效果，以SMP材料一体合成的柔性蒙皮为例，其冷却剂主流道如图3中的(b)所示，在实验时，采用商用的火焰喷枪进行热防护性能实验，喷枪可实现1300℃；使用热电偶检测距离蒙皮表面1‑2mm温度，温度显示在1150℃左右，如图8(a)所示；通过调节喷枪到蒙皮的距离可以调节蒙皮的热流量大小。以如图8(b)所示蒙皮进行实验，将火焰调整到合适距离使火焰最高温度与蒙皮相接触，在开启火焰前，蒙皮先通入一定的冷却剂，之后开启火焰进行加热。使用热电偶检测蒙皮表面温度(图8c，虚线)，及内部温度(图8c，实线)，两处的温度均不超过100℃，如图8(c)所示，实现了高效的热防护效果。 [0051] 同样的，以硅胶材料制成的蒙皮为例，其结构与SMP蒙皮类似，对该蒙皮进行高温实验，验证其热防护效果。在距离蒙皮加热表面1.5mm处，测量得到的蒙皮温度如图8(e)所示，蒙皮内部温度低，与SMP蒙皮内部温度相近，起到了良好的保护效果。但相比于形状记忆聚合物材料制成的蒙皮，蒙皮在加热过程中发汗效果不均匀，表面存在烧蚀区域，如图8(d)所示，蒙皮加热面部分被烧蚀，但发汗过程总体上保护了蒙皮大面积的烧蚀，因此本发明提出的高性能发汗蒙皮适用于不同的材料，具有广泛的适用性。 |
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