本发明属于高速进气道设计领域，具体涉及一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法。高效传热是指尖前缘进气道在5s工作时间内，进气道壁面热流下降20%。
背景技术：
1、随着航空航天技术不断发展，高速飞行技术已成为竞相研究的热门领域。高速飞行器在大气层内高马赫数飞行，在飞行过程中气动加热十分严重，且马赫数越高气动加热越严重。进气道作为吸气式高速飞行器发展的关键技术之一，需承受气动载荷、气动热载荷和燃烧室内燃料燃烧形成对的高温高压，同时满足两个主要功能要求，一是整个飞行过程中承受住热流和气动力不发生破坏，二是保持其原有形状不发生大的变形。其性能的优劣往往对整个推进系统甚至飞行器性能产生重要的影响；由于进气道前缘结构和位置的特殊性，热防护不能采用常规的包覆式热防护材料，常规设计一般采用热沉式和热结构的防热方式，基于以上考虑，现有的高速进气道多为被动防热结构，特征为钝前缘、大壁厚，材料采用耐高温金属或者陶瓷基复合材料。耐高温金属进气道的主要缺点是重量大，前缘钝度较大导致进气道性能不佳，可能导致飞行器推阻不平衡、结构重量超出设计指标等。陶瓷基复合材料进气道的主要缺点是复杂曲面成型难度大、成品率低、成本高昂，开口处容易应力集中、机械接口可靠性低等。
2、为提升进气道性能，降低进气道结构重量，减小进气道气动阻力，理想的进气道结构一般被设计为尖前缘薄壁结构，除了提高材料的许用温度极限外，可以考虑采用适当的主动冷却方案来实现高性能进气道结构设计。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明旨在提供一种尖前缘进气道的高效传热主动冷却结构，在进气道尖前缘、压缩面、底部法兰的壁面内埋设主动冷却通道，冷却介质通过冷却通道对高温区域进行高效换热，在进气道工作时显著降低进气道的壁面温度，从而实现前缘尖锐化和结构轻量化，尖前缘薄壁结构的进气道可有效提升进气道性能，降低进气道结构重量，减小进气道气动阻力。
2、为达到上述目的，本发明具有如下技术方案：
3、一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，包括如下步骤：
4、s1、在尖前缘进气道壁面内埋设冷却介质通道，冷却介质通道包括冷却介质进口1、流入汇流槽2、流入通道3、尖前缘冷却通道4、流出通道5、流出汇流槽6、分流通道7及冷却介质出口8；
5、s2、冷却介质从冷却介质进口1进入流入汇流槽2，通过流入通道3和尖前缘冷却通道4向流出通道5流动，将进气道壁面的热量吸收并通过冷却介质出口8排出到进气道外；
6、s3、冷却介质从流入通道3出口进入尖前缘冷却通道4，通过尖前缘冷却通道4向流出通道5流动，将进气道前缘高热流区的热量吸收并通过冷却介质出口8排出到进气道外；
7、其中，高热流是指进气道尖前缘周向上温度超过1000k的热流。
8、进一步的，步骤s1所述的在尖前缘进气道壁面内埋设冷却介质通道，包括：
9、s101、定义从左向右的水平方向为自由来流方向，尖前缘进气道的外压缩段9的内表面朝上将尖前缘进气道沿自由来流方向放置；
10、所述尖前缘进气道从左向右依次包括外压缩段9、入口与外压缩段9末端连接的内压缩段10、入口端面与内压缩段10出口连接的底部法兰11；
11、s102、将尖前缘进气道压缩段的外表面和内表面在底部法兰11出口表面投影分别得到椭圆 c和椭圆 c1，面向底部法兰11的出口表面，以所述椭圆 c的中心为坐标原点 o，沿椭圆 c的长轴方向从左向右为 x轴的正方向，沿椭圆 c的短轴方向从下向上为 y轴的正方向建立平面直角坐标系 xoy，所述尖前缘进气道压缩段为外压缩段9和内压缩段10的总和；
12、以 x轴的正方向为始边，逆时针方向旋转到第j条射线 olj的夹角 αj为第 j条射线的方位角，通过公式(1)计算出第 j条射线的方位角，即：
13、 (1)
14、其中， a是所述椭圆 c的长半轴长度， b是所述椭圆 c的短半轴长度， j是第 j条射线的序号， j=1～4且 j为整数， π=180°；
15、以坐标原点 o为端点，以 αj为方位角向所述椭圆 c的圆周绘制4条射线 ol1～ ol4，4条射线将所述椭圆 c沿周向分割成4个面积相等的椭圆扇形；射线 ol1、 ol4、椭圆 c、椭圆 c1围成的位于所述平面直角坐标系 xoy第一象限和第四象限之间的区域为前壁面1001，射线 ol2、 ol3、椭圆 c、椭圆 c1围成的位于所述平面直角坐标系 xoy第二象限和第三象限之间的区域为后壁面1002，射线 ol1、 ol2、椭圆 c、椭圆 c1围成的位于所述平面直角坐标系 xoy第一象限和第二象限之间区域的为上壁面1003，射线 ol3、 ol4、椭圆 c、椭圆 c1围成的位于所述平面直角坐标系 xoy第三象限和第四象限之间区域为下壁面1004；
16、s103、在步骤s102所述的前壁面1001内部及后壁面1002内部埋设流入通道3；
17、s104、在步骤s102所述的上壁面1003内部及下壁面1004内部埋设流出通道5；
18、s105、在步骤s101所述外压缩段9的尖前缘内部沿周向埋设尖前缘冷却通道4；
19、s106、在底部法兰11内，沿底部法兰11的周向埋设流入汇流槽2；
20、s107、在底部法兰11内，沿底部法兰11的周向埋设流出汇流槽6；
21、s108、在底部法兰11出口表面上开设冷却介质进口1；
22、s109、在底部法兰11出口表面上开设冷却介质出口8；
23、s110、在底部法兰11内开设分流通道7；
24、s111、将冷却介质进口1、流入汇流槽2、流入通道3、尖前缘冷却通道4、流出通道5、流出汇流槽6、分流通道7及冷却介质出口8连接在一起，形成冷却介质通道。
25、进一步的，s103在步骤s102所述的前壁面1001内部及后壁面1002内部埋设流入通道3，具体为：
26、s10301、流入通道3为多根在步骤s102所述的前壁面1001内部及后壁面1002内部沿步骤s101所述的自由来流方向延伸的横截面为矩形的通道，横截面是指垂直于在流入通道3中流动的冷却介质流动方向的截面；
27、s10302、流入通道3的中心线在底部法兰11出口表面的投影位于椭圆 c2的圆周上，椭圆 c2的中心与步骤s102所述坐标原点o重合，椭圆 c2的形状通过公式(2)确定：
28、(2)
29、其中， a2是所述椭圆 c2的长半轴长度， b2是所述椭圆 c2的短半轴长度， a21是步骤s102所述椭圆 c1的长半轴长度， b21是步骤s102所述椭圆 c1的短半轴长度， a22是步骤s102所述椭圆 c的长半轴长度， b22是步骤s102所述椭圆 c的短半轴长度；
30、s10303、在步骤s102所述的前壁面1001内部及后壁面1002内部，从底部法兰11入口表面到步骤s101所述外压缩段9的尖前缘之间，沿步骤s10302所述椭圆 c2的圆周等间隔布置流入通道3，靠近底部法兰11入口表面的一端为流入通道3的入口，靠近所述尖前缘的一端为流入通道3的出口。
31、进一步的，s104在步骤s102所述的上壁面1003内部及下壁面1004内部埋设流出通道5，具体为：
32、s10401、流出通道5为多根在步骤s102所述的上壁面1003内部及下壁面1004内部沿步骤s101所述的自由来流方向延伸的横截面为矩形的通道，横截面是指垂直于在流出通道5中流动的冷却介质流动方向的截面；
33、s10402、流出通道5的中心线在底部法兰11出口表面的投影位于椭圆 c3的圆周上，椭圆 c3的中心与步骤s102所述坐标原点o重合，椭圆 c3的形状通过公式(3)确定：
34、 (3)
35、其中， a2是步骤s10302所述椭圆 c2的长半轴长度， b2是步骤s10302所述椭圆 c2的短半轴长度， a3是所述椭圆 c3的长半轴长度， b3是所述椭圆 c3的短半轴长度， d既是所述椭圆 c2的短半轴长度与椭圆 c3的短半轴长度之差，又是所述椭圆 c2的长半轴长度与椭圆 c3的长半轴长度之差；
36、s10403、在步骤s102所述的上壁面1003内部及下壁面1004内部，从底部法兰11入口表面到步骤s101所述外压缩段9的尖前缘之间，沿步骤s10402所述椭圆 c3的圆周等间隔布置流出通道5，靠近底部法兰11入口表面的一端为流出通道5的出口，靠近所述尖前缘的一端为流出通道5的入口。
37、进一步的，s105在步骤s101所述外压缩段9的尖前缘内部沿周向埋设尖前缘冷却通道4，具体为：
38、s10501、面向底部法兰11出口表面，在外压缩段9上位于步骤s102所述的平面直角坐标系 xoy的第三象限和第四象限对应的尖前缘区域沿尖前缘周向埋设第一条尖前缘冷却通道41，第一条尖前缘冷却通道首端的端面封口且位于所述第三象限内，第一条尖前缘冷却通道41首端不能达到 x轴的负半轴位置，第一条尖前缘冷却通道尾端的端面封口且位于所述第四象限内，第一条尖前缘冷却通道41尾端不能达到 x轴的正半轴位置；
39、在外压缩段9上位于步骤s102所述的平面直角坐标系 xoy的第一象限和第二象限对应的尖前缘沿尖前缘周向埋设第二条尖前缘冷却通道42，第二条尖前缘冷却通道首端的端面封口且位于所述第一象限内，第二条尖前缘冷却通道42首端不能达到 x轴的正半轴位置，第二条尖前缘冷却通道尾端的端面封口且位于所述第二象限内，第二条尖前缘冷却通道42尾端不能达到 x轴的负半轴位置；
40、第一条尖前缘冷却通道41和第二条尖前缘冷却通道42构成尖前缘冷却通道4；
41、s10502、将步骤s10302所述的流入通道3的中心线、步骤s10402所述的流出通道5的中心线分别与尖前缘冷却通道4的右侧表面相交得到一系列交点，从第一条尖前缘冷却通道41首端开始至第二条尖前缘冷却通道42尾端结束，在所述右侧表面上分别以所述交点为中心，分别开设与流入通道3出口正对的流入通道3出口对接孔和与流出通道5入口正对的流出通道5入口对接孔，所述流入通道3出口对接孔的形状与流入通道3横截面的形状相同，所述流出通道5入口对接孔的形状与流出通道5横截面的形状相同；
42、流入通道3横截面是指垂直于在流入通道3中冷却介质流动方向的截面，流出通道5横截面是指垂直于在流出通道5中冷却介质流动方向的截面，右侧表面是指尖前缘冷却通道4上与流入通道3出口和流出通道5入口正对的表面。
43、进一步的，s106在底部法兰11内，沿底部法兰11的周向埋设流入汇流槽2，具体为：
44、s10601、在距离底部法兰11入口表面的距离为底部法兰厚度的一半且平行于底部法兰11入口表面的平面内绘制步骤s10302所述的椭圆 c2，沿底部法兰11的周向开设横截面形状为直角梯形的流入汇流槽2，所述直角梯形的上底设计成圆弧形，梯形的锐角≤45°，面向底部法兰11出口表面，流入汇流槽2以所述椭圆 c2的圆周为中心线顺时针延伸，流入汇流槽2首端的端面封口，且位于步骤s102所述的直角坐标系 xoy的第三象限内，流入汇流槽2首端的端面与 x轴负半轴的夹角为3-8°，流入汇流槽2尾端的端面封口且位于步骤s102所述的直角坐标系 xoy的第四象限内，流入汇流槽2尾端的端面与 x轴正半轴的夹角为6-10°；
45、s10602、将流入通道3的中心线向流入汇流槽2的左侧表面延长得到一系列交点，以这些交点为中心在流入汇流槽2的左侧表面上，从流入汇流槽2的首端到尾端依次开设流入通道入口对接孔，流入通道入口对接孔的形状和尺寸与流入通道3横截面形状和尺寸相同；
46、左侧表面是流入汇流槽2靠近底部法兰11入口表面的表面；
47、s10603、根据步骤s10302所述椭圆 c2的圆周与步骤s102所述 x轴的负半轴的交点为起点，作垂直于底部法兰11出口表面的垂线，以所述垂线为中心线在流入汇流槽2的右侧表面上，开设与冷却介质进口1的输出端横截面形状相同、大小相等的冷却介质进口输出端对接孔，右侧表面是指流入汇流槽2靠近底部法兰11出口表面的表面；
48、s10604、在流入汇流槽2的内侧表面即面向步骤s102所述坐标原点 o的表面上，以步骤s102所述的直角坐标系 xoy的第四象限且与 x轴正半轴的夹角为6°的直线与步骤s10302所述椭圆 c2的圆周的交点为中心，开设与分流通道7的入口横截面形状相同、大小相等的分流通道入口对接孔，所述对接孔的中心线与步骤s10302所述椭圆 c2的圆周垂直相交；
49、横截面是指垂直于在流入汇流槽2中冷却介质流动方向的截面。
50、进一步的，s107在底部法兰11内，沿底部法兰11的周向埋设流出汇流槽6，具体为：
51、s10701、在距离底部法兰11入口表面的距离为底部法兰厚度的一半且平行于底部法兰11入口表面的平面内绘制步骤s10402所述的椭圆 c3，沿底部法兰11的周向开设横截面形状为直角梯形的流出汇流槽6，所述直角梯形的上底设计成圆弧形，梯形的锐角≤45°，面向底部法兰11出口表面，流出汇流槽6以所述椭圆 c3的圆周为中心线顺时针延伸，流出汇流槽6首端的端面封口且位于步骤s102所述的直角坐标系 xoy的第二象限内，流出汇流槽6首端的端面与 x轴负半轴的夹角为15-20°，流出汇流槽6尾端的端面封口且位于步骤s102所述的直角坐标系 xoy的第三象限内，流出汇流槽6尾端的端面与 x轴负半轴的夹角为8-10°；
52、s10702、将流出通道5的中心线向流出汇流槽6的左侧表面延长得到一系列交点，以这些交点为中心在流出汇流槽6的左侧表面上，从流出汇流槽6的首端到尾端依次开设流出通道出口对接孔，流出通道出口对接孔的形状和尺寸与流出通道5横截面形状和尺寸相同；
53、左侧表面是流出汇流槽6靠近底部法兰11入口表面的表面；
54、s10703、根据步骤s10402所述椭圆 c3的圆周与步骤s102所述 x轴的正半轴的交点为起点，作垂直于底部法兰11出口表面的垂线，以所述垂线为中心线在流出汇流槽6的右侧表面上，开设与冷却介质出口8的输出端横截面形状相同、大小相等的冷却介质出口输入端对接孔，右侧表面是指流出汇流槽6靠近底部法兰11出口表面的表面；
55、s10704、在流出汇流槽6的内侧表面即面向步骤s102所述坐标原点 o的表面上，以步骤s102所述的直角坐标系 xoy的第四象限且与 x轴正半轴的夹角为6°的直线与步骤s10402所述椭圆 c3的圆周的交点为中心，开设与分流通道7的出口横截面形状相同、大小相等的分流通道出口对接孔；
56、横截面是指垂直于在流出汇流槽6中冷却介质流动方向的截面。
57、进一步的，s108在底部法兰11出口表面上开设冷却介质进口1，具体为：
58、在底部法兰11出口表面上，步骤s102所述x轴的负半轴位置，开设冷却介质进口1，冷却介质进口1的横截面形状为圆形，冷却介质进口1靠近底部法兰11出口表面的一端为冷却介质进口1的输入端，冷却介质进口1靠近流入汇流槽2的一端为冷却介质进口的输出端，冷却介质进口1的中心线与步骤s10301所述椭圆 c2的圆周垂直相交；
59、横截面是指垂直于在冷却介质进口1中冷却介质流动方向的截面。
60、进一步的，s109在底部法兰11出口表面上开设冷却介质出口8，具体为：
61、在底部法兰11出口表面上，步骤s102所述x轴的正半轴位置，开设冷却介质出口8，冷却介质出口8的横截面形状为圆形，冷却介质出口8靠近底部法兰11出口表面的一端为冷却介质出口8的输出端，冷却介质出口8靠近流出汇流槽6的一端为冷却介质出口8的输入端，冷却介质出口8的中心线与步骤s10401所述椭圆 c3的圆周垂直相交；
62、横截面是指垂直于在冷却介质出口8中冷却介质流动方向的截面。
63、进一步的，s110在底部法兰11内开设分流通道7，具体为：
64、s11001、连接流入汇流槽2上分流通道出口对接孔的中心和流出汇流槽6上分流通道入口对接孔的中心，得到分流通道的中心线；
65、s11002、以所述分流通道的中心线为中心，在底部法兰11内的流入汇流槽2和流出汇流槽6之间开设分流通道7，分流通道7靠近流入汇流槽2的一侧为分流通道的出口，分流通道7靠近流出汇流槽6的一侧为分流通道的入口，分流通道7横截面的形状与流入汇流槽2和流出汇流槽6的横截面形状相同，分流通道7横截面的大小与流入汇流槽2上的分流通道入口对接孔及流出汇流槽6上的分流通道出口对接孔的大小相同；
66、横截面是指垂直于在分流通道7中冷却介质流动方向的截面。
67、进一步的，s111将冷却介质进口1、流入汇流槽2、流入通道3、尖前缘冷却通道4、流出通道5、流出汇流槽6、分流通道7及冷却介质出口8连接在一起，形成冷却介质通道，具体为：
68、s11101、冷却介质进口1的输入端与冷却介质输入管道连通，冷却介质进口1的输出端通过流入汇流槽2上的冷却介质进口输出端对接孔与流入汇流槽2贯通；
69、s11102、流入通道3的入口通过流入汇流槽2上同流入通道3入口相对应的流入通道入口对接孔与流入汇流槽2贯通，流入通道3的出口通过尖前缘冷却通道4上同流入通道3出口相对应的流入通道出口对接孔与尖前缘冷却通道4贯通；
70、s11103、尖前缘冷却通道4通过尖前缘冷却通道4上同流出通道5入口相对应的流出通道入口对接孔与流出通道5贯通；
71、s11104、流出通道5出口通过流出汇流槽6上同流出通道5出口相对应的流出通道出口对接孔与流出汇流槽6贯通；
72、s11105、冷却介质出口8的输入端通过流出汇流槽6的冷却介质出口输入端对接孔与流出汇流槽6贯通，冷却介质出口8的输出端与尖前缘进气道外部其他设备相连；
73、s11106、分流通道7入口通过流入汇流槽2的分流通道入口对接孔与流入汇流槽2贯通，分流通道7出口通过流出汇流槽6的分流通道出口对接孔与流出汇流槽6贯通。
74、进一步的，当流入通道3及流出通道5中冷却介质的压力大于将尖前缘进气道冷却到指定温度所需要的冷却介质压力的50%时，分流通道7将多余的冷却介质从流入汇流槽2直接汇入到流出汇流槽6中，并通过冷却介质出口8流出进气道外。
75、进一步的，步骤s111所述的冷却介质通道的横截面面积相等。
76、进一步的，步骤s111所述的冷却介质通道采用3d打印成型。
77、进一步的，流入通道3与流出通道5等间隔布置的间距确定方法包括：
78、s1501、取内流道面积的40%为流入通道3和流出通道5的底面总面积；
79、s1502、根据流入通道3长方形底面的长度和宽度、流出通道5长方形底面的长度和宽度，获得每根流入通道3和流出通道5的底面面积，再根据流入通道3和流出通道5的底面总面积，求出流入通道3和流出通道5的根数；
80、s1503、根据椭圆 c2的周长、流入通道3和流出通道5的根数，分别求出每根流入通道3在椭圆 c2圆周上的均匀分布的间距及流出通道5在椭圆 c3圆周上均匀分布的间距；
81、其中，底面是指流入通道3和流出通道5中靠近尖前缘进气道内流道的表面。
82、本发明可以达到以下效果：
83、①本发明通过冷却介质在冷却介质通道的流动，使工作过程中进气道壁面产生的热量得到转移，保证进气道温度在正常区间，确保进气道不会因高温带来破坏；②本发明将冷却介质通道埋设在与进气道壁面内，既能保证进气道的散热效率，又解决了进气道冷却结构安装麻烦的问题；③本发明利用冷却介质在冷却介质通道的运动对高温区域进行高效换热，能够在进气道工作时显著降低进气道的壁面温度，从而实现进气道前缘尖锐化和结构轻量化，从而有效提升进气道性能，降低进气道结构重量，减小进气道气动阻力；④冷却介质通过进气道吸收的热量，可用于发动机其他系统；⑤本发明技术可适用于多种进气道构型，如内转式、二元矩形进气道等的设计。
1.一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，步骤s1所述的在尖前缘进气道壁面内埋设冷却介质通道，包括：
3.根据权利要求2所述的一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s103在步骤s102所述的前壁面内部及后壁面内部埋设流入通道，具体为：
4.根据权利要求3所述的用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s104在步骤s102所述的上壁面内部及下壁面内部埋设流出通道，具体为：
5.根据权利要求4所述的用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s105在步骤s101所述外压缩段的尖前缘内部沿周向埋设尖前缘冷却通道，具体为：
6.根据权利要求5所述的用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s106在底部法兰内，沿底部法兰的周向埋设流入汇流槽，具体为：
7.根据权利要求6所述的用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s107在底部法兰内，沿底部法兰的周向埋设流出汇流槽，具体为：
8.根据权利要求7所述的用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s108在底部法兰出口表面上开设冷却介质进口，具体为：
9.根据权利要求8所述的用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s109在底部法兰出口表面上开设冷却介质出口，具体为：
10.根据权利要求9所述的用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s110在底部法兰内开设分流通道，具体为：
11.根据权利要求10所述的用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，s111将冷却介质进口、流入汇流槽、流入通道、尖前缘冷却通道、流出通道、流出汇流槽、分流通道及冷却介质出口连接在一起，形成冷却介质通道，具体为：
12.根据权利要求11所述的一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，当流入通道及流出通道中冷却介质的压力大于将尖前缘进气道冷却到指定温度所需要的冷却介质压力的50%时，分流通道将多余的冷却介质从流入汇流槽直接汇入到流出汇流槽中，并通过冷却介质出口流出进气道外。
13.根据权利要求12所述的一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，步骤s111所述的冷却介质通道的横截面面积相等。
14.根据权利要求13所述的一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，步骤s111所述的冷却介质通道采用3d打印成型。
15.根据权利要求14所述的一种用于尖前缘进气道的高效传热主动冷却方法，其特征在于，流入通道与流出通道等间隔布置的间距确定方法包括：
