一种用于飞行器变体头锥的可变形换热管路

技术领域

本发明属于空天飞行器和换热器领域，具体涉及一种用于飞行器变体头锥的可变形换热管路。

背景技术

空天飞行器是一种可重复使用的天地往返运输器，传统空天飞行器外形固定，无法满足复杂运作环境要求。为了提高对环境的自适应性，衍生出可自主改变机身外型的变体飞行器，其在不同飞行工况下对应着不同的最优气动外形。然而飞行器在临近空间巡航时，受激波和粘性的影响，将会承受严重的气动加热，依靠飞行器的热防护结构，可使温度大幅度降低，但现有冷却技术存在对余热的热能浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于飞行器变体头锥的可变形换热管路，通过在飞行器表面布置换热管路主动降热，将飞行器表面余热用来对燃料工质预热，保护飞行器内部设备安全的同时对热能实现了再利用，依托变体头锥的应用场景，提出了一种可变形的换热管路，其可实现轴向多级伸缩变形和径向弯曲变形，同时通过仿生学设计，提出一种仿蜂窝结构换热管路单元，以提高换热管路承受飞行器气动载荷的能力。

本发明提供了一种用于飞行器变体头锥的可变形换热管路，包括固定安装于变体头锥表面的主收缩换热管路及主伸展换热管路；所述主收缩换热管路及主伸展换热管路均包括不变形单元、伸缩变形单元及弯曲变形单元，各单元通过具有弯曲角度的插拔过渡管连接，其变形跟随变体头锥随动变形；

所述不变形单元为横截面六边形状管路，用于管路承载；所述伸缩变形单元伸缩变形单元由多级套筒结构组成；所述弯曲变形单元采用柔性Yoshimura折纸结构，设有Yoshimura热管，用于依靠Yoshimura热管的耦合运动，实现换热管路弯曲变形；所述主收缩换热管路的弯曲变形单元处于伸展极限状态；所述主伸展换热管路的弯曲变形单元处于收缩极限状态。

进一步地，所述变体头锥由依次相连的第一头锥外壳、第二头锥外壳、第三头锥外壳、第四头锥外壳、第五头锥外壳组成；其中，所述第一头锥外壳、第二头锥外壳交界处，以及所述第三头锥外壳、第四头锥外壳交界处的变形为头锥伸缩变形；所述第二头锥外壳、第三头锥外壳交界处，以及所述第四头锥外壳、第五头锥外壳交界处的变形为头锥弯曲变形；所述变体头锥表面以变形伸缩量为零的中性面为对称面，两侧对称分布各五条所述主收缩换热管路及主伸展换热管路。

进一步地，所述第一头锥外壳、第二头锥外壳、第三头锥外壳、第四头锥外壳、第五头锥外壳表面设有凹槽、切口及连接通孔，用于所述主收缩换热管路及主伸展换热管路安装。

进一步地，所述主收缩换热管路包括依次连接的第一不变形单元、第一过渡短管、第一刚性过渡单元、第一主收缩弯曲变形单元、第一连接件、第一过渡长管、第二不变形单元、第二过渡短管、第一伸缩变形单元、第三过渡短管、第三不变形单元、第二过渡长管、第二刚性过渡单元、第二主收缩弯曲变形单元、第二连接件、第三过渡长管、第四不变形单元、第四过渡短管、第二伸缩变形单元、第五过渡短管、第五不变形单元。

进一步地，所述第一伸缩变形单元、第二伸缩变形单元包括一级套筒、二级套筒、三级套筒，所述一级套筒、二级套筒、三级套筒分级嵌套连接，所述一级套筒内套所述二级套筒，所述二级套筒内套所述三级套筒；所述二级套筒端部凹槽装有第一密封圈，所述三级套筒端部凹槽装有第二密封圈；所述第一伸缩变形单元、第二伸缩变形单元通过两端的第一端盖及第二端盖与外部管路连接。

进一步地，所述Yoshimura热管两端通过由第一压紧螺母、第二压紧螺母，第一接头体、第二接头体，第一卡环、第二卡环及第一锁紧螺母、第二锁紧螺母组成的卡套结构与第二连接件及第二刚性过渡单元密封连接。

进一步地，所述主伸展换热管路包括依次连接的第一连接支座、第六不变形单元、第一主伸展弯曲变形单元、第二连接支座、第七不变形单元、第二主伸展弯曲变形单元；所述主伸展换热管路通过所述第一连接支座、第二连接支座与变体头锥固定。

进一步地，所述第一主收缩弯曲变形单元、第二主收缩弯曲变形单元的Yoshimura热管处于伸展极限状态；所述第一主伸展弯曲变形单元、第二主伸展弯曲变形单元的Yoshimura热管处于收缩极限状态。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明包含了换热管路伸缩变形单元，多级套筒结构逐级伸缩，每级套筒在端部放置密封圈，能够实现换热管路轴向伸缩变形。

2、本发明包含了换热管路弯曲变形单元，采用柔性Yoshimura折纸结构，两端通过卡套直通与刚性过渡单元密封连接，具有弯曲和伸缩两种变形模式，能够实现换热管路弯曲变形。

3、本发明包含了换热管路不变形单元，提出了一种仿蜂窝结构换热管路单元，能够提高管路的承载性能。

4、本发明以合理的布局，简单的变形模式，实现了换热管路的多变形组合及变形-承载的一体化设计，有利于对飞行器气动余热的合理利用。

附图说明

图1是本发明用于飞行器变体头锥的可变形换热管路在头锥表面的分布示意图；

图2是本发明用于飞行器变体头锥的可变形换热管路与头锥装配关系示意图；

图3是本发明用于飞行器变体头锥的可变形换热管路的结构示意图；

图4是本发明用于飞行器变体头锥的可变形换热管路的伸缩变形单元结构示意图；

图5是本发明用于飞行器变体头锥的可变形换热管路的弯曲变形单元结构示意图。

图中标号：

1-第一头锥外壳；2-第二头锥外壳；3-第三头锥外壳；4-第四头锥外壳；5-第五头锥外壳；6-主收缩换热管路；7-主伸展换热管路；

51-第一过渡短管；41-第二过渡短管；31-第三过渡短管；21-第四过渡短管；11-第五过渡短管；

42-第一过渡长管；32-第二过渡长管；22-第三过渡长管；

43-第一连接件；23-第二连接件；

53-第一刚性过渡单元；33-第二刚性过渡单元；

54-第一连接支座；34-第二连接支座；

61-第一不变形单元；62-第二不变形单元；63-第三不变形单元；64-第四不变形单元；65-第五不变形单元；71-第六不变形单元；72-第七不变形单元；

68-第一伸缩变形单元；66-第二伸缩变形单元；

661-一级套筒；662-二级套筒；663-三级套筒；

664-第一端盖；665-第二端盖；

6621-第一密封圈；6631-第二密封圈；

69-第一主收缩弯曲变形单元；67-第二主收缩弯曲变形单元；

671-第一压紧螺母；672-第二压紧螺母；

673-第一接头体；674-第二接头体；

675-第一卡环；676-第二卡环；

677-第一锁紧螺母；678-第二锁紧螺母；

679-Yoshimura热管；

79-第一主伸展弯曲变形单元；77-第二主伸展弯曲变形单元。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图5所示，本实施例提供了一种用于飞行器变体头锥的可变形换热管路，包括固定安装于变体头锥表面的主收缩换热管路6及主伸展换热管路7；主收缩换热管路6及主伸展换热管路7均包括不变形单元、伸缩变形单元及弯曲变形单元，各单元通过具有弯曲角度的插拔过渡管连接，其变形跟随变体头锥随动变形；不变形单元为横截面六边形状管路，用于管路承载，仿蜂窝结构提高了换热管路承受飞行器气动载荷的性能；伸缩变形单元由多级套筒结构组成，每一级在端部放置密封圈保证管路的气密性，单一单元可实现最大40mm的轴向伸缩变形量；弯曲变形单元采用柔性Yoshimura折纸结构，设有Yoshimura热管679，依靠Yoshimura热管679的耦合运动，实现换热管路弯曲变形。弯曲变形单元两端通过卡套结构与不变形单元密封连接，具有弯曲和伸缩两种变形模式，伸缩率约50％，弯曲量可达变体头锥弯曲15°的设计要求。所有管路单元中，Yoshimura热管679为柔性管路，其余管路结构皆为刚性管路。换热管路固定在头锥表面，各单元变形跟随变体头锥变形随动，自身无需安装驱动，伸缩和弯曲变形过程互不相干、独立进行，实现了变形-承载的一体化设计，有利于对飞行器气动余热的合理利用。

参图1所示，变体头锥由依次相连的第一头锥外壳1、第二头锥外壳2、第三头锥外壳3、第四头锥外壳4、第五头锥外壳5组成；其中，第一头锥外壳1、第二头锥外壳2交界处，以及第三头锥外壳3、第四头锥外壳4交界处的变形为头锥伸缩变形；第二头锥外壳2、第三头锥外壳3交界处，以及第四头锥外壳4、第五头锥外壳5交界处的变形为头锥弯曲变形。变体头锥的弯曲变形模式类似球铰结构，存在一个弯曲变形伸缩量为0的中性面，中性面两侧在弯曲变形时变形趋向不同，一侧趋向伸展，另一侧趋向收缩。考虑上述情况，在变体头锥表面共布置10条换热管路，以变形伸缩量为零的中性面为对称面，两侧对称分布各五条主收缩换热管路6及主伸展换热管路7。变体头锥发生弯曲变形时，中性面两侧换热管路的弯曲变形单元变形结果不同，一侧弯曲伴随伸展，另一侧弯曲伴随收缩。因此，主收缩换热管路6的弯曲变形单元处于伸展极限状态；主伸展换热管路7的弯曲变形单元处于收缩极限状态。两种换热管路的安装固定及工作方式类似，本文主要对主收缩换热管路6进行详细描述，对主伸展换热管路7的不同点进行简略描述。

在本实施例中，第一头锥外壳1、第二头锥外壳2、第三头锥外壳3、第四头锥外壳4、第五头锥外壳5表面设有凹槽、切口及连接通孔，用于主收缩换热管路6及主伸展换热管路7安装，固定方式采用螺栓紧固。变体头锥带动换热管路变形单元运动，完成伸缩和弯曲变形。

参图2所示，主收缩换热管路6包括依次连接的第一不变形单元61、第一过渡短管51、第一刚性过渡单元53、第一主收缩弯曲变形单元69、第一连接件43、第一过渡长管42、第二不变形单元62、第二过渡短管41、第一伸缩变形单元68、第三过渡短管31、第三不变形单元63、第二过渡长管32、第二刚性过渡单元33、第二主收缩弯曲变形单元67、第二连接件23、第三过渡长管22、第四不变形单元64、第四过渡短管21、第二伸缩变形单元66、第五过渡短管11、第五不变形单元65。

参图4所示，第一伸缩变形单元68、第二伸缩变形单元66包括一级套筒661、二级套筒662、三级套筒663，一级套筒661、二级套筒662、三级套筒663分级嵌套连接，一级套筒661内套所述二级套筒662，二级套筒662内套三级套筒663；二级套筒662端部凹槽装有第一密封圈6621，三级套筒663端部凹槽装有第二密封圈6631；第一伸缩变形单元68、第二伸缩变形单元66通过两端的第一端盖664及第二端盖665与外部管路连接。伸展变形时，三级套筒663首先伸展，三级套筒663达到最远行程带动二级套筒662运动，之后直到二级套筒662达到最远行程，运动直到达到伸展极限锁定，完成换热管路轴向伸展变形。

参图5所示，Yoshimura热管679两端通过由第一压紧螺母671、第二压紧螺母672，第一接头体673、第二接头体674，第一卡环675、第二卡环676及第一锁紧螺母677、第二锁紧螺母678组成的卡套结构与第二连接件23及第二刚性过渡单元33密封连接。弯曲变形单元变形时，Yoshimura热管随头锥发生弯曲并伴随伸展/收缩。

参图3所示，第一主收缩弯曲变形单元69、第二主收缩弯曲变形单元67和第一主伸展弯曲变形单元79、第二主伸展弯曲变形单元77存在结构差异，体现在Yoshimura热管679布置状态、连接支座布置位点和不变形单元数量上。

Yoshimura热管布置状态不同：第一主收缩弯曲变形单元69、第二主收缩弯曲变形单元67的Yoshimura热管处于伸展极限状态；第一主伸展弯曲变形单元79、第二主伸展弯曲变形单元77的Yoshimura热管处于收缩极限状态。

连接支座布置位点不同：主伸展换热管路7包括依次连接的第一连接支座54、第六不变形单元71、第一主伸展弯曲变形单元79、第二连接支座34、第七不变形单元72、第二主伸展弯曲变形单元77；主伸展换热管路7通过第一连接支座54、第二连接支座34与变体头锥固定。主收缩换热管路6则依靠刚性过渡单元与变体头锥固定。

不变形单元数量不同：主伸展换热管路7相比主收缩换热管路6多出第六不变形单元71、第七不变形单元72。

该可变形换热管路具有如下技术效果：

1、本发明包含了换热管路伸缩变形单元，多级套筒结构逐级伸缩，每级套筒在端部放置密封圈，能够实现换热管路轴向伸缩变形。

2、本发明包含了换热管路弯曲变形单元，采用柔性Yoshimura折纸结构，两端通过卡套直通与刚性过渡单元密封连接，具有弯曲和伸缩两种变形模式，能够实现换热管路弯曲变形。

3、本发明包含了换热管路不变形单元，提出了一种仿蜂窝结构换热管路单元，能够提高管路的承载性能。

4、本发明以合理的布局，简单的变形模式，实现了换热管路的多变形组合及变形-承载的一体化设计，有利于对飞行器气动余热的合理利用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。