具有热辐射涂层的航空航天运载器及其相关方法与流程

1.本主题大体涉及航空航天运载器，并且更具体地涉及具有用于改进热辐射的涂层的运载器。


背景技术：

2.当高速航空航天运载器在空气中移动时，运载器周围的空气由于与运载器的摩擦而变热。
3.随着运载器行驶得更快，运载器内部和周围的温度升高，这会导致围绕运载器本体形成等离子体层。围绕运载器的热层的存在会降低从运载器本体排出的能力，这会降低运载器的性能和能力，运载器可以容纳需要排出热量以操作的发动机和机载系统。
4.高速下围绕运载器的层可包含空气、等离子体或空气组分的分离种类，例如氧、氮或其分子的组合。
5.这些层可以通过对选定频率带宽中的辐射热传递完全或部分不透明来抑制来自运载器的热传输，这意味着它们将吸收来自运载器的辐射，加热并将其辐射回运载器，从而限制热量排出，有效地将热量困在那里。


技术实现要素：

6.本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践获知。
7.在本公开的一个示例性方面，一种航空航天运载器包括：本体，本体被构造为在操作期间生成热量；以及涂层，涂层设置在本体的至少一部分上，涂层被构造为将由本体生成的热量的至少一个波长的频率从第一频率转移到第二频率，与第一频率相比，第二频率相对于围绕本体的相邻介质具有更高透射率。
8.在本公开的另一个示例性方面，一种超音速运载器包括：运载器本体；发动机，发动机在操作期间生成热量；以及涂层，涂层设置在发动机、运载器本体或两者的至少一部分上，涂层被构造为在超音速操作期间将热量的波长转移到等于或高于发动机周围的相邻介质的等离子体频率(ω
p
)的频率。
9.在本公开的另一个示例性方面，一种从高超音速运载器散热的方法，该方法包括：将涂层应用到高超音速运载器的发动机、高超音速运载器的运载器本体或两者的至少一部分上，涂层被构造为在高超音速操作期间将由发动机发射的热量的波长转移到等于或高于运载器周围的相邻介质的期望等离子体频率(ω
pe
)的频率。
10.参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
11.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
12.图1是根据本公开的示例性实施例的航空航天运载器的简化示意图。
13.图2是根据本公开的实施例的沿图1中的线a-a所见的从发动机的表面辐射的热量的示意图。
14.图3是示出根据本公开的实施例的对应于地球大气的干燥空气成分中的化学物质的浓度的图表。
15.图4是示出根据本公开的实施例的以开尔文为单位测量的作为温度的函数的空气成分的等离子体频率(ω
p
)的图表。
16.图5是根据本公开的实施例的在高超音速运载器中散热的方法的流程图。
具体实施方式
17.现在将详细参考本发明的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母名称来指代附图中的特征。附图和描述中相同或相似的名称已用于指代本发明的相同或相似部分。
18.如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个部件与另一部件区分开并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
19.术语“前”和“后”指的是燃气涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且指的是燃气涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，对于高速航空航天运载器，前是指更靠近前缘的位置，后是指更靠近后缘的位置。
20.术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。
21.除非另有说明，否则术语“联接”、“固定”、“附接到”等指的是直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接。
22.除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数参考。
23.如本文在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言被用于修饰可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生改变的任何定量表示。因此，由诸如“约”、“大约”和“基本上”的术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在10％的范围内。
24.在此以及整个说明书和权利要求中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有指示，否则这样的范围被标识并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以彼此独立地组合。
25.由于相邻介质的热透射率有限，因此以高速(例如超过1马赫(770英里每小时(mph))的超音速，并且更特别地超过5马赫(3,800mph)的高超音速)操作的运载器表现出降低的散热。例如，等离子体(其在高超音速期间经历的高温下形成)可以在运载器周围形成并极大地限制热透射率。结果，发动机和运载器系统过热和/或经受严重退化和磨损。根据本文所述的一个或多个实施例，将涂层施加到运载器和/或发动机表面，或其一部分，以将
热量从非透射波长频率转移到透射频率，从而允许热量穿透空气物质和/或等离子体并远离运载器和/或发动机辐射。这种涂层的使用可以产生导致接近等温表面的可变有效能量发射率等值线(contour)，从而提高运载器和/或发动机的可靠性并延长使用寿命。
26.等离子体状态是除液态、气态和固态之外的材料的第四种状态。等离子体通常以多种方式(包括通过温度、电离程度、密度等)来描述和分类。等离子体具有多种形式，包括例如接近局部热力学平衡状态的热等离子体、非热等离子体和超冷等离子体。等离子体的电离程度通常描述带电粒子占粒子总数的比例。随着带电粒子比例的变化，等离子体的传播能力必然会发生变化。
27.处于热力学平衡的系统通常在由普朗克定律定义的黑体辐射光谱上描述。辐射光谱通常以温度为特征。然而，与材料的其他三种状态相比，等离子体表现出不同的辐射传播。低于特定频率(称为等离子体频率ω
p
)的辐射无法通过等离子体传播。因此，一些辐射(即频率高于等离子体频率的辐射)可以通过等离子体传播，而其他辐射(即频率低于等离子体频率的辐射)不能在不被吸收的情况下传播。
28.黑体辐射通常被描述为具有理想化不透明、非反射构成的黑体内部或周围的热电磁辐射。通过非理想化本体(即非黑体)的热辐射可以近似为黑体辐射。在热力学平衡时，黑体辐射可以被表征为发射和吸收发生相等的辐射平衡。因此，在热力学平衡时，与吸收的热辐射相比，在每个波长处发射的热辐射量相等。通常有两个属性或特性导致非黑体辐射差异：本体的辐射特性，例如发射率、吸收率、反射率和透射率；以及本体几何形状。
29.在低于等离子体频率ω
p
的频率下，等离子体不像黑体那样起作用。也就是说，等离子体的行为不像理想化的不透明、非反射体。相反，低于等离子体频率的辐射波长被阻止传播，而高于等离子体频率的辐射波长可以通过等离子体传播。这种现象会导致过多的辐射，即热量在以足以产生等离子体层的速度(例如高超音速)穿过大气的物体上积聚。在如此高的速度下，物体周围会形成等离子体层，从而在物体与周围大气之间产生屏障。对于以高超音速行进的飞行器和喷气发动机等物体，这种等离子体屏障会产生热锁，从而困住热量并导致飞行器或喷气发动机过热。因此，发动机性能可能会降低，并且高超音速行进的好处可能会被实际问题所抵消。
30.图1示出了在高速下使用的示例性航空航天运载器100的实施例。如本文所用，高速是指由于相对于运载器100周围的相邻介质的低透射率而使发动机的散热受限的任何速度范围。例如，等离子体层可以以高超音速(例如，超过3,800mph)形成在运载器100周围，大大减少了发动机的散热。例如，高速可以指速度超过1000mph，例如超过1,500mph，例如超过2,000mph，例如超过3,000mph，例如超过4,000mph，例如超过5,000mph，例如超过7,500mph，例如超过10,000mph，例如高达15,000mph。
31.图1中描绘的特定航空航天运载器是飞行器100，然而，应当理解，根据本文所述的其他实施例，其他运载器也可以适用。图1中所示的飞行器100通常包括机翼(未示出)、鼻锥体6和稳定器8。飞行器100可以使用例如涡轮机10和冲压发动机(或超燃冲压发动机)12以超音速或甚至高超音速运载器操作。涡轮机10包括冲压空气入口门14和排气口16。气流f可以穿过涡轮机10并且推进飞行器100向前。冲压发动机12包括冲压发动机入口门18和冲压发动机排气口20。当激活时，冲压发动机12可以提供推力以推进飞行器100向前。在某些情况下，涡轮机10和冲压发动机12可以同时操作。在其他情况下，涡轮机10和冲压发动机12可
以彼此独立地操作。
32.图2示出了在高速操作期间沿线a-a看到的图1中示出的运载器100的表面的横截面视图。运载器100通常包括设置在其本体204的至少一部分上的涂层202。在运载器100的图示部分中，涂层202设置在本体204的外表面上。涂层202可进一步或替代地设置在本体202、运载器100的另一部分或其任何组合的一个或多个内表面上。在实施例中，涂层202设置在本体204的至少一部分上并且被构造为将由本体204(或附近环境)产生的热量的至少一个波长的频率从第一频率转移到第二频率，与第一频率相比，第二频率相对于围绕本体204的相邻介质具有更高的透射率。第一频率可以低于围绕发动机本体的相邻介质的等离子体频率(ω
p
)，而第二频率可以高于ω
p
。在更具体的实施例中，至少一个波长包括具有第一频率的波长谱。涂层202被构造为将波长谱的至少一部分转移到一个或多个第二频率，与第一频率相比，第二频率相对于围绕发动机本体的相邻介质具有更高的透射率。
33.如图2所示，热量h从运载器100向本体204周围的相邻介质辐射。相近介质通常可以包括运载器100周围的区域。在所示实施例中，相邻介质形成在运载器100周围的空气中。相邻介质被示意性地描绘为包括等离子体p，然而在其他情况下，相邻介质可以是不同于等离子体p的不同材料或不同相材料。例如，在较低速度下，相邻介质可以是气态的空气。在等离子体p和运载器100之间可以存在间隙g。间隙g可以是至少0.1mm，例如至少0.5mm，例如至少1mm，例如至少5mm，例如至少10mm。虽然在等离子体p和运载器100之间示出了间隙g，但在某些情况下，间隙g可以不存在或是名义上的。即，等离子体p可以紧邻运载器100设置。
34.等离子体p可以包括在由运载器100中的燃烧引起的高温下形成的离子和自由电子的气体、运载器100与周围环境e之间形成的摩擦界面、另一源、或其任何组合。在某些情况下，等离子体p可以像针对从本体204辐射和/或由本体204反射的电磁辐射(例如热量h)的不可渗透屏障一样起作用。也就是说，等离子体p可以阻止热量h从等离子体p和本体204之间包含的环境中逸出，而是导致热量以反射热量r的形式辐射回本体204。反射的热量r可能在运载器100和等离子体p之间被困住并被运载器100重新吸收，从而减轻运载器100的热冷却并导致一个或多个运载器和/或发动机部件的过热和/或过早磨损。因此，希望热量h穿透等离子体p作为透射到周围环境e的热量t，以允许运载器冷却。
35.热不平衡对等离子体特性的影响取决于化学成分。即，用透射的热量t穿透等离子体p取决于形成等离子体p的周围环境e的化学成分。图3是示出与地球大气相对应的干燥空气成分中的化学物质浓度的图表。这些浓度假设在大气温度和压力下以摩尔百分比表示大约80％的氮n2和20％的氧o2的分布。随着空气成分的温度(以开尔文(k)表示)升高，其中成分的摩尔百分比发生变化。例如，在大约5,000k时，空气成分包括各种摩尔百分比的n2、o、o2、n、no、o2、no

和电子(e-)。相反，与5000k时的空气成分相比，在大约10,000k时，空气成分包括不同摩尔百分比的n、o、n2、n

、o

、no、no

、n
2
、o2、o-和e-。这清楚地示出了大气压下空气等离子体在热平衡时和热平衡外的化学物质和电子浓度之间存在的高度差异。
36.由于自由电子气体的介电函数的不稳定性，等离子体振荡作为电子密度的快速振荡发生。等离子体定义由以下等式(1)所示的等离子体频率(ω
p
)，
[0037][0038]
其中ω
p
是等离子体频率，是弧度，η是数密度(即每单位体积的粒子数)，ε0是自由
空间的介电常数，m是电子的质量。等离子体频率的数值表示ω
p
由以下等式(2)所示，
[0039][0040]
图4示出了作为温度(以开尔文为单位测量)的函数的空气成分的等离子体频率(ω
p
)。如图所示，干燥空气成分中的等离子体在大约3600k处开始形成，其中等离子体频率大约为3x10
10
hz。等离子体频率作为温度(k)的函数而增加，其中与温度相关的近似等离子体频率如下表1所示。
[0041]
温度(k)等离子体频率(hz)波长(pm)35803.8x10
10
26.346258.68x10
10
11.557701.68x10
11
5.9570923.25x10
11
3.0782766.29x10
11
1.5993211.03x10
12
9.7x10-1
107721.73x10
12
5.8x10-1
121152.45x10
12
4.08x10-1
131302.97x10
12
3.36x10-1
140153.34x10
12
2.99x10-1
146723.57x10
12
2.8x10-1
150303.66x10
12
2.73x10-1
[0042]
表1
–
作为温度的函数的等离子体频率(ω
p
)和波长
[0043]
如表1中所述，等离子体频率ω
p
作为温度的函数而增加，而波长作为温度的函数而减小。再次参考图4，通过等离子体的热透射率通常仅在高于等离子体频率(即高于图4中描绘的绘制线)的频率下发生。因此，例如，在10772k温度下通过等离子体透射热量通常需要热量具有等于或高于1.73x10
12
hz的频率，或等于或低于5.8x10-1
皮米(pm)的波长。在低于1.73x10
12
hz的频率下，热量通常不会通过等离子体，而是会被困在发动机上。
[0044]
根据本文所述的实施例，运载器100的外表面200由沿本体204施加的涂层202限定。在某些情况下，涂层202可以限定小于本体204的厚度tb的厚度tc。举例来说，tc可以小于0.99tb，例如小于0.95tb，例如小于0.75tb，例如小于0.5tb，例如小于0.25tb，例如小于0.15tb，例如小于0.1tb，例如小于0.01tb。在其他情况下，tc可以大于tb。
[0045]
涂层202通常可以包括被构造为将电磁辐射(例如热量)的波长从第一频率hz
l
转移到不同于第一频率的第二频率hz2的材料。第二频率hz2可以高于第一频率hz
l
。因此，虽然热量的第一频率hz
l
可以低于等离子体频率(即不能透射通过等离子体)，但热量的第二频率hz2可以高于等离子体频率(即可以透射通过等离子体)。以这种方式，涂层202可以将从发动机辐射的热量的频率从不可透射通过等离子体的频率转移到可透射通过等离子体的频率。因此，可以发生如图2所示的通过等离子体p的透射的热量t的辐射。
[0046]
在某些实施例中，热辐射的频率转移可以通过上转换发生，从而两个或更多个较低频率的光子被吸收到材料中，该材料变得被激发并且通过将吸收的光子组合成更高频率的较少数量的光子(或甚至一个光子)而被去激发。这可以是反斯托克斯型发射。
[0047]
用于涂层202的示例性材料包括氮化硅、碳化硅、碳、氮化硼、氧化钡、氧化镁、二氧化硅、氧化铝、高温陶瓷9606、射线陶瓷8、硝基陶瓷、反应键合氮化硅(rbsn)、热压氮化硅(hpsn)、钡长石、一种或多种催化剂及其组合。此外，涂层202可包括填料、添加剂、纳米颗粒、稀土金属(例如，钇、钪等)等。
[0048]
可以使用例如热分解、共沉淀、水热应用，通过溶胶-凝胶、燃烧、微波、微乳液等将涂层202施加到本体204。热分解可允许控制涂层202内的颗粒尺寸和/或形状，同时允许短反应时间。共沉淀可包括同时沉淀两种物质。该处理可以减少有毒副产品，并且需要廉价的设备和简单的程序。水热应用可以依赖于在具有高环境安全性的低反应温度下在水基系统中发生的基于溶液的方法。溶胶-凝胶可用于制备薄膜涂层。所得涂层可以表现出高强度且易于大规模应用。燃烧是可扩展、节能且成本低的高产出方法。这些方法不一定是排他的，并且在某些情况下，涂层202的施加可以包括两种或更多种方法。
[0049]
在实施例中，涂层202可以具有导致本体204的近似等温表面的可变有效能量发射率等值线。即，作为非限制性示例，可以沿着运载器本体的温度最高的那些部分进行涂层的放置。这可以让那些区域向空间辐射并冷却到平均运载器本体温度。
[0050]
图5示出了在以高速(例如高超音速)行进的运载器中散热的示例性方法500。方法500包括在步骤502处，将涂层施加到运载器(例如运载器的发动机或其另一部分)。涂层可以被构造为在高速操作期间(例如在高超音速行进期间)，将来自发动机的热量的波长转移到等于或高于发动机周围的相邻介质的预期等离子体频率(ω
pe
)的频率。在实施例中，步骤502可以通过热分解、共沉淀、水热应用，通过溶胶-凝胶、燃烧、微波、微乳液等进行。
[0051]
在实施例中，方法500还可以包括步骤504，在步骤504处鉴于在飞行器的一个或多个操作速度下发动机周围的相邻介质的一个或多个期望温度确定ω
pe
的预期范围。方法500还可以包括鉴于所确定的ω
pe
从多个涂层中选择涂层的步骤506。确定ω
pe
的预期范围的步骤504和鉴于其选择涂层的步骤506可以在将涂层施加到运载器或其一部分的步骤502之前进行。
[0052]
本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：
[0053]
实施例1.一种发动机，包括：发动机本体，所述发动机本体限定由燃烧区域间隔开的入口和排气口，其中所述发动机被构造为在操作期间生成热量；以及涂层，所述涂层设置在所述发动机本体的至少一部分上，所述涂层被构造为将由所述发动机生成的所述热量的至少一个波长的频率从第一频率转移到第二频率，与所述第一频率相比，所述第二频率相对于围绕所述发动机本体的相邻介质具有更高透射率。
[0054]
实施例2.根据任何一个或多个实施例所述的发动机，其中所述热量的所述至少一个波长包括具有第一频率的波长谱，并且其中所述涂层被构造为将所述波长谱的至少一部分转移到一个或多个第二频率，与所述第一频率相比，所述一个或多个第二频率相对于围绕所述发动机本体的所述相邻介质具有更高透射率。
[0055]
实施例3.根据任何一个或多个实施例所述的发动机，其中所述第一频率低于围绕所述发动机本体的所述相邻介质的等离子体频率(ω
p
)，并且其中所述第二频率高于ω
p
。
[0056]
实施例4.根据任何一个或多个实施例所述的发动机，其中所述涂层包括氮化硅、碳化硅、碳、氮化硼、氧化钡、氧化镁、二氧化硅、氧化铝、高温陶瓷9606、射线陶瓷8、硝基陶瓷、反应键合氮化硅(rbsn)、热压氮化硅(hpsn)、钡长石、一种或多种催化剂、或其任何组
合。
[0057]
实施例5.根据任何一个或多个实施例所述的发动机，其中所述相邻介质包括等离子体，并且其中由所述发动机生成的所述热量至少为4000开尔文(k)。
[0058]
实施例6.根据任何一个或多个实施例所述的发动机，其中所述涂层具有导致所述发动机本体的近似等温表面的可变有效能量发射率等值线。
[0059]
实施例7.根据任何一个或多个实施例所述的发动机，其中所述发动机被构造为以高超音速操作。
[0060]
实施例8.一种超音速运载器，包括：运载器本体；发动机，所述发动机在操作期间生成热量；以及涂层，所述涂层设置在所述发动机、所述运载器本体或两者的至少一部分上，所述涂层被构造为在超音速操作期间将所述热量的波长转移到等于或高于所述发动机周围的相邻介质的等离子体频率(ω
p
)的频率。
[0061]
实施例9.根据任何一个或多个实施例所述的超音速运载器，其中所述涂层包括氮化硅、碳化硅、碳、氮化硼、氧化钡、氧化镁、二氧化硅、氧化铝、高温陶瓷9606、射线陶瓷8、硝基陶瓷、反应键合氮化硅(rbsn)、热压氮化硅(hpsn)、钡长石、一种或多种催化剂、或其任何组合。
[0062]
实施例10.根据任何一个或多个实施例所述的超音速运载器，其中所述超音速运载器被构造为以高超音速行进。
[0063]
实施例11.根据任何一个或多个实施例所述的超音速运载器，其中所述涂层被构造为在远离所述发动机、所述运载器本体或两者的方向上反射或消散所述热量。
[0064]
实施例12.根据任何一个或多个实施例所述的超音速运载器，其中当所述超音速运载器以超音速速度操作时，发射的方向大致远离地球定向。
[0065]
实施例13.根据任何一个或多个实施例所述的超音速运载器，其中所述热量至少为4000k。
[0066]
实施例14.根据任何一个或多个实施例所述的超音速运载器，其中所述热量由燃烧区域、所述发动机与所述相邻介质之间的摩擦界面或两者生成。
[0067]
实施例15.根据任何一个或多个实施例所述的超音速运载器，其中所述涂层具有导致所述发动机的近似等温表面的可变有效能量发射率等值线。
[0068]
实施例16.根据任何一个或多个实施例所述的发动机，其中所述涂层具有导致所述发动机的近似等温表面的可变有效能量发射率等值线。
[0069]
实施例17.一种从高超音速运载器散热的方法，所述方法包括：将涂层应用到所述高超音速运载器的发动机、所述高超音速运载器的运载器本体或两者的至少一部分上，所述涂层被构造为在高超音速操作期间将由所述发动机发射的热量的波长转移到等于或高于所述运载器周围的相邻介质的期望等离子体频率(ω
pe
)的频率。
[0070]
实施例18.根据任何一个或多个实施例所述的方法，进一步包括：鉴于在一种或多种操作速度下所述发动机周围的所述相邻介质的一个或多个期望温度，确定期望等离子体频率ω
pe
的预期范围或值；以及鉴于所确定的ω
pe
，从多个涂层中选择所述涂层。
[0071]
实施例19.根据任何一个或多个实施例所述的方法，其中所述涂层选自多个涂层，所述多个涂层包括氮化硅、碳化硅、碳、氮化硼、氧化钡、氧化镁、二氧化硅、氧化铝、高温陶瓷9606、射线陶瓷8、硝基陶瓷、反应键合氮化硅(rbsn)、热压氮化硅(hpsn)、钡长石、一种或
多种催化剂、或其任何组合。
[0072]
实施例20.根据任何一个或多个实施例所述的方法，其中进行施加所述涂层使得所述涂层在大致朝向空间的方向上散热。