高速飞行器燃油热管理系统飞行热航时

目前高速飞行器机载热负荷呈指数上升趋势,而由于气动加热作用,机身温度随航时增长也持续上升,这两者严重限制了高速飞行器的续航时间和电子设备的使用时长。燃油作为飞行器所必须携带的大比热容液体工质,是机载热沉的优选。燃油热沉利用会受气动加热、耗油量、飞行时长的综合影响。本文以机载燃油热沉为核心,研究高速飞行器燃油热管理系统参数设计对飞行热航时的影响。建立了燃油-消耗性冷却剂热利用系统的动态特性方程,并提出热航时的概念以衡量热负荷作用下燃油不发生超温的飞行时长,详细讨论了上述各影响因素与热利用系统参数对热航时的影响。上述研究可为高速飞行器热管理系统设计选型提供参考。     

高速运载器发电/制冷联合系统稳态性能

目前高速运载器的研究已成为国内外航空科学领域的热点问题,速度的提高导致传统的空气热沉已经不能单独作为环境控制系统的制冷工质,同时电子设备的剧增带来更多的热负荷和更大的电量消耗,因此发电量和制冷量成为制约高速运载器性能提高的两大难题。从最基本的空气压缩制冷循环出发,结合现有的燃油作为热沉的环境控制系统,提出一种新型的高速运载器发电制冷技术方案,并对其稳态性能做出详细的分析研究。该方案可以充分利用燃油作为热沉,在保证燃油不超过安全温度限时将机载热负荷有效传递给燃油,最后送入发动机燃烧,而且可以实现利用高温高压的空气作为动力驱动发电装置,满足高速运载器对于电能的需求。经过详细的理论计算和计算机建模仿真,得出的研究结果表明,在1.45 kg·s^-1、644℃和3.89 bar（绝压）的引气条件下,通过调整系统的各个部件参数,保证燃油最高温度不超过150℃时,系统的发电量可以达到200 kW;同时在100 kW热负荷条件下可以将舱室的温度控制在30℃左右,能够很好地满足高速运载器对于电能的需求和热负荷的控制。     

新型直升机热泵空调系统驾驶舱热控性能

直升机飞行过程往往需要面临低温环境,为了保障人员和设备的正常工作,需要对驾驶舱进行加热,但发动机引气产生代偿损失。因此,提出了一种新型直升机热泵空调加热系统,该系统以经过滑油-冲压空气换热器加热的冲压空气为热源,采用热泵循环的方式对座舱进行供热,对滑油废热进行了回收利用。在所提出的热泵空调系统方案的基础上,建立了该系统仿真模型,对地面低温环境条件直升机全飞行任务阶段的驾驶舱温度瞬态响应以及热泵系统工作性能进行了动态仿真研究。结果表明,该新型热泵空调系统能够满足直升机低温环境下的供热需求,且在工作温度范围内其制热能力和制热效率均明显更高,系统低温工作性能得到提高,直升机的低温环境适应能力得到显著提升。     

机载综合环控系统的热管理

利用燃油作为主要热沉,同时引入液体PAO与R134a作为辅助热沉,提出了一种环控系统热管理的新方案。空气压缩制冷子系统与高温PAO子系统以空气-PAO换热器为连接点,耦合为座舱与电子舱室1的热管理子系统;低温PAO子系统与蒸发压缩制冷循环以蒸发器为连接点,耦合为电子舱室2的热管理子系统。采用数学理论计算与计算机建模仿真研究相结合的方法,建立了空气-液体换热器、液-液蒸发器/冷凝器等主要元件的仿真模型,对环控系统进行性能分析。结果表明,在一定的引气温度和压力条件下,燃油作为主要热沉可以吸收大量的热量,同时各子系统的热量互补能够满足驾驶舱与电子舱的温度控制,保证其稳定、高效的运行。     

行业信息

高超声速飞行碳氢燃料兼作冷却剂美国已退役高速侦察机SR–71黑鸟,最高速度3 Ma以上,已实现将其机载JP–7燃料兼做冷却剂。但要实现高超声速(>5 Ma)巡航,如美空军试验飞行器X–51乘波者,还需要更先进燃料,如吸热燃料。吸热燃料概念可追溯至20世纪60年代,基本思路是通过碳氢燃料的物理或化学反应吸热(热沉)来转移因空气摩擦产生的极端热量。     

飞行器燃料再生冷却热管理系统参数设计

考虑飞行器的服役环境以及热管理系统质量与几何尺寸的设计要求,探讨了以航空燃料再生冷却技术为基础的高超声速飞行器综合热管理系统的方案。根据不同的热载荷种类和换热方式,结合新提出的超临界压力碳氢燃料管内传热关联式,给出了飞行器热管理系统中两种类型换热设备的传热参数设计方法。利用MATLAB/SIMULINK平台的图形化交互界面创建并封装了飞行器热管理系统的主要功能模块,并以国内典型的RP-3型航空煤油为例,实现了以航空燃料为热沉的热管理系统参数设计过程。     

直升机液冷/蒸发制冷联合系统关键部件试验性能

现代军用直升机经常执行特殊飞行任务,其机载电子设备具有功率大、瞬间振荡、高热通量等特点,使得环控系统的冷却需求呈指数上升趋势,进而制约着直升机的巡航功能和战斗性能的提升。针对直升机机载大功率电子设备的冷却需求,结合制冷剂、冷却液循环等子系统,搭建地面稳态试验台,针对蒸发器、冷凝器等关键部件进行了地面稳态试验。研究过程采用仿真与试验相结合的方法,开展了制冷循环中蒸发器、冷凝器等关键部件稳态仿真计算,且完成了蒸发器、冷凝器的换热性能试验研究,对所建立的仿真模型进行了有效性校核与参数修正。上述研究可为后续直升机液冷/蒸发制冷系统的关键部件设计提供一定的参考。     

药物存储用热电除湿装置性能实验及参数优化

热电冷却除湿是一种新型节能、环保的除湿技术。鉴于目前热电除湿装置除湿速率和效率较低,采用两片TEC-12705型半导体制冷片进行对角布置,设计了一套热电除湿装置,对影响其性能的因素做了系统的分析并针对实际环境工况提出相应的设计和优化理念。结果表明,风速、热电制冷片驱动电压、气流组织形式都对热电除湿装置性能有一定的影响,确定风速时应综合考虑空气与冷端热沉换热能力和空气与冷端热沉接触时间。     

药物存储用热电除湿装置性能实验及参数优化

热电冷却除湿是一种新型节能、环保的除湿技术。鉴于目前热电除湿装置除湿速率和效率较低,采用两片TEC-12705型半导体制冷片进行对角布置,设计了一套热电除湿装置,对影响其性能的因素做了系统的分析并针对实际环境工况提出相应的设计和优化理念。结果表明,风速、热电制冷片驱动电压、气流组织形式都对热电除湿装置性能有一定的影响,确定风速时应综合考虑空气与冷端热沉换热能力和空气与冷端热沉接触时间。     

热障陶瓷涂层与红外辐射涂层在气动热防护中的作用

飞行器在大气中高速飞行时,由于空气摩擦,使飞行器表面蒙皮温度迅速升高,例如飞行器以4马赫的速度飞行,其表面温度最终接近800℃[1]。高温使蒙皮材料的力学性能降低,甚至达不到设计性能要求,同时高温使飞行器内部器件存在高温失效的危险。因此,采用各种技术手段来降低蒙皮材料的表面温度,是各国开展高速飞行器研究中必须解决的问题。本文采用等离子喷涂锆酸镁热障涂层材料,并在其表面刷涂20~30μm高红外辐射陶瓷涂层涂料,由此组成的复合陶瓷涂层,在640℃动态环境下可以使表面降低300℃以上,可以满足飞行器4马赫飞行速度的钛合金蒙皮材料防护要求。     

高空长航时无人机综合热能管理的构型分析

高空长航时无人机机载机电系统中,有供电、燃油、液压和环境控制系统等独立分系统,在热量的需求和使用上,它们又是相互紧密关联的。根据现有技术,提出了一种无人机的综合热能管理构型,针对该构型进行系统参数匹配计算,并对关键产品——热交换器、回热器、冷凝器、压气机、涡轮进行部件级的初步设计和仿真建模,得到可工程化的结构参数,并在Flowmaster仿真平台上完成两轮升压式制冷/液冷一体化系统仿真,仿真结果与设计目标匹配良好,用于将空气循环制冷系统与液冷系统热量交换的空-液热交换器,将不同使用工况下不同系统的富裕制冷量进行综合利用,得到综合热能管理可以减少飞机代偿损失的依据,体现出综合热能管理构型在节能方面的优越性。     

新型金属泡沫-微柱群复合热沉内流动传热性能分析

高效热管理技术是大功率微电子设备安全运行的可靠保障。为进一步强化高功率电子器件的冷却效果,本文提出了一种新型泡沫铝-微柱群复合热沉结构。采用实验和数值模拟相结合的方法对新型水冷泡沫铝-微柱群复合热沉内的流场分布、壁面温度分布、阻力系数、换热性能及柱鳍与泡沫铝间的耦合传热规律等开展了深入分析。研究结果表明,与传统微柱群热沉相比,20PPI泡沫铝-微柱群复合热沉的壁面最高温度大幅降低,平均换热性能提升了33.9%~41.5%。然而,微柱群内填充泡沫铝却导致流动阻力增大,增加了7.9~10.5倍。泡沫铝-微柱群复合热沉的强化换热机理为：微柱群热沉内填充高热导率泡沫铝提升了热沉整体的有效导热性能,热量可通过金属泡沫固体骨架迅速传递,同时多孔界面较强的传热能力能够保证热量及时被冷却流体散除。本文相关研究成果可为高热流密度电子器件散热装置的研发提供理论指导。     

Experimental study on performance and emissions of a high speed diesel engine fuelled with n-butanol diesel blends under premixed low temperature combustion

In the present paper, results of an experimental investigation carried out in a modern diesel engine running at different operative conditions and fuelled with blends of diesel and n-butanol, are reported. The exploration strategy was focused on the management of the timing and injection pressure to achieve a condition in which the whole amount of fuel was delivered before ignition. The aim of the paper was to evaluate the potential to employ fuel blends having low cetane number and high resistance to auto-ignition to reduce engine out emissions of NOx and smoke without significant penalty on engine performance. Fuel blends were mixed by the baseline diesel (BU00) with 20% and 40% of n-butanol by volume. The n-butanol was taken by commercial production that is largely produced through petrochemical pathways although the molecule is substantially unchanged for butanol produced through biological mechanisms.The experimental activity was performed on a turbocharged, water cooled, DI diesel engine, equipped with a common rail injection system. The engine equipment includes an exhaust gas recirculation system controlled by an external driver, a piezo-quartz pressure transducer to detect the in-cylinder pressure signal and a current probe to acquire the energizing current to the injectors. Engine tests were carried out at 2500 rpm and 0.8 MPa of BMEP exploring the effect of start of injection, O₂ concentration at intake and injection pressure on combustion behavior and engine out emissions. The in-cylinder pressure and rate of heat release were investigated for the neat diesel and the two blends to evaluate engine performance and exhaust emissions both for the conventional diesel and the advanced premixed combustion processes.The management of injection pressure, O₂ concentration at intake and injection timing allowed to realize a partial premixed combustion by extending the ignition delay, particularly for blends. The main results of the investigation made reach smoke and NOx emissions due to the longer ignition delay and a better mixing control before combustion. The joint effect of higher resistance to auto ignition and higher volatility of n-butanol blends improved emissions compared to the neat diesel fuel with a low penalty on fuel consumption.     

3D printing of alumina ceramic heat sink with mini-channels for thermal management

Thermal management has become one of the most challenging issues for high-power, integrated, and miniaturized electronic devices. In this paper, an alumina ceramic heat sink with mini-channels was fabricated using a digital light processing 3D printing technology. Microstructures of the ceramic were investigated by scanning electron microscopy. A proper flow rate of water in the mini-channels was figured out for efficient cooling by infrared thermal imaging and micro-thermocouple characterizations. The ceramic heat sink was further integrated with a high-power laser diode module; cooling performance was evaluated by investigating the thermal resistance of the ceramic heat sink and the optoelectronic property of the laser diode module. Results indicated that the laser diode module could be operated at high driving power of 115.6 W. This study provided a new strategy for a highly efficient thermal management of electronic devices and highlighted the technical potential of ceramic heat sink with more compact coolant channels.     

Fuelling of aircraft radial piston engines by ES95 and 100LL gasoline

The cost of maintaining aeroplanes is still considerable. It concerns especially operation cost where fuel is a substantial part. At the moment the special 100LL gasoline is used to fuel aircraft piston engines. It is about 20% more expensive than ES95 gasoline featuring comparable properties.The article shows the results of test-bed research conducted on the radial piston aircraft engine fuelled by aircraft 100LL gasoline and automotive ES95 gasoline. The object of research was ASz-62IR engine by WSK PZL-Kalisz that was equipped with an experimental fuel injection system. Power, fuel consumption, head temperatures and indicated pressure in cylinders were analysed in the selected typical operating points. The testing was carried out in steady state. It was proved that it is possible to exchange fuels with no engine power loss and merely an insignificant increase of fuel consumption but with significant increase of IMEP cycle-to-cycle variation.     

基于随机配置网络的机载电子吊舱多工况热模型

机载电子吊舱是搭载多功能机载电子设备的主要平台，能够显著提升战机性能。然而，不断增加的电子设备功率和高度低气压力飞行环境会造成吊舱内恶劣的热环境，严重影响电子设备的可靠性。因此，十分有必要建立准确的电子吊舱热模型，用于预测不同飞行工况下的电子设备热响应。综合热网络分析思想和随机网络算法思想，提出一种基于随机配置网络的热模型建立方法，并通过采用冲压空气冷却系统的电子吊舱实验数据加以验证。为了建立准确的舱内温度响应模型，通过传热机制将高温贮存、高温工作、低温贮存、低温故障和低温工作工况下的实验数据分为3组并分别用于建立设备贮存热模型、设备工作热模型和综合热模型，利用热网络分析获取随机配置网络的有效输入，采用四折交叉验证和灰度图分析综合确定了3个热模型的超参数。建模结果表明：3个热模型的范围序列可统一为[1～40]，最大隐含层节点数可分别设为6、9、11，设备温度拟合效果较好，仅在边界条件约束下进行多工况全过程的电子设备温度预测，预测误差在3.512℃内。总体看来，该热建模方法从数据挖掘的角度较为简单、准确、快速地描述了电子设备热关系，可用于开展预期飞行环境下的机载电子吊舱温度预测，用于评估热管理系统的性能。