高速飞行器机载综合热管理系统设计与优化

先进的高速飞行器面临着气动加热与大功率电子设备发热的双重热负荷,使得机载热沉与能量需求呈指数上升趋势,进而导致发动机性能下降、耗油量增加,严重制约着飞行器的功能和性能提升。机载热管理系统的优化设计,旨在提升系统制冷和供电性能的同时减小发动机性能损失。以Mach数Ma=1~4.4的大热负载高速飞行器为背景,针对三种机载综合热管理系统,开展适应飞行任务的系统优化设计,实现燃油热沉、外涵道引气热沉、冲压空气引气、发动机引气与飞行任务的最优匹配。研究过程采用等效质量方法,将各系统质量、能耗、气源消耗等成本统一等效为燃油代偿损失,并作为目标函数,对多种工况进行优化设计。研究结果表明：在Ma≤2时,采用外涵道空气热沉模式更为合适,但随飞行速度的进一步提高,其制冷循环压比显著上升制冷效率降低,燃油代偿损失急剧上升;基于燃油热沉的综合热管理模式更适用于Ma=2~4.5的飞行任务,其制冷循环功耗和能耗在各飞行工况下性能表现较为稳定,燃油代偿损失仅因飞行速度增大而增大;与发动机引气相比,冲压空气引气更适合Mach数较高的飞行任务规划。因此,对于巡航Ma≤2的飞行器,搭载“外涵道引气热沉+发动机引气”的机载综合热管理系统,发动机性能损失更低;对于巡航Ma=2~4.5的飞行器,搭载“燃油热沉+可切换发动机引气/冲压空气引气”的机载综合热管理系统,发动机性能最优。     

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。     

考虑非平衡效应的对流换热特性耦合模拟及热壁修正新思路

高超声速飞行产生的化学非平衡效应及其与表面结构/材料传热的相互作用,带来更为复杂的耦合对流换热特性,并造成用于气动热环境快速预测与评估的热壁修正方法适用性变差。针对上述问题,以碳氧离解环境碳基材料耦合催化加热为研究对象,在高超声速气动热与结构传热耦合数值模拟的研究基础上,进一步考虑化学非平衡效应和气固界面高温化学效应,分析耦合条件下飞行器对流换热特性,并根据耦合模拟结果提出了通过对气动加热按物理过程的贡献进行分解来改进热壁修正方法的新思路。     

轻质烧蚀材料的研究现状与展望

随着对太空探测的深入，高速飞行器在飞行过程中面临着越来越严峻的气动加热问题，对飞行器热防护材料的轻量化、隔热以及高热流条件下长时间飞行提出了更高的要求，所以轻质烧蚀材料的研究受到了国内外的广泛关注。本文针对我国航天器对热防护系统轻量化的需求，重点介绍了蜂窝增强烧蚀材料和气凝胶材料，并针对轻质烧蚀材料的发展进行了展望。     

窗口材料热力耦合模拟

当飞行器以超声速在大气中飞行时,飞行器表面将受到强烈的气动力和气动热的影响,从而使飞行器表面温度升高,外部边界层厚度增加,这对窗口材料提出了严格的要求。为了给窗口材料的气动力和气动热的研究提供理论依据,本文采用有限元分析方法,分别计算了三种窗口材料在超声速飞行时的温度场和应力场分布。通过计算和对比,结果表明,在恒定热通量为1×10⁶ W·m^-2时,多光谱ZnS和蓝宝石窗口材料的最大应力小于材料的许用应力,满足设计要求。     

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。     

热防护涂料(RT-Ⅲ)的性能改进研究

热防护涂料的应用是对超高音速飞行器气动加热进行有效防护的主要手段。涂层在进行模拟气动加热时出现了严重的龟裂和粗糙现象,通过试验,发现涂料的粒径和施工时喷涂的遍数是导致涂层龟裂和粗糙的主要因素,通过降低涂料的粒径和增加喷涂遍数,龟裂现象基本消失,表面粗糙现象得到明显改善。     

爆炸热作用所致的铝粉颗粒温度响应

采用高速运动分析系统研究了硝基甲烷爆轰产物在空气中的膨胀飞散过程,并利用热渗透理论计算了硝基甲烷爆炸热作用下铝粉颗粒温度响应。结果表明,硝基甲烷液体炸药爆轰产物膨胀初期阶段对铝粉颗粒的热作用明显优于其爆轰区阶段的热作用;而在许多研究中往往忽略了爆轰区对铝粉热作用的影响,小尺寸铝粉颗粒在炸药爆轰区也能够迅速被加热至活化温度而可能参与化学反应。     

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。     

国内简讯

研制低空高超音速飞行器表面的防热保护涂层低空高超音速飞行器表面的防热保护是宇航工业必须解决的难题之一,因其表面的气动加热速率随气流速度呈3—3.6次方增加,如以9—12M飞行的最大热流在5000—15000千卡/米~2·秒范围内。所以,洲际导弹的重返大气、地空导弹和低空拦截导弹的发射,都必须解决在低空高速飞行的热保护问题。化工部涂料工业研究所以有机硅为粘合剂,无机盐为填料,研制成功YJ—66A有机消融防热涂层。该涂层具有优良的抗高速气流冲刷和防热性     

基于热电效应的高效环控系统

部分空间科学实验对环境温度有较高的要求,环境温度高于或低于空间科学系统能够提供的热沉温度,需要有可靠有效的加温降温处理措施。使用可靠性强的热电制冷片作为制冷制热方式和气液换热器二次换热来实现环境温度控制的需求,并对不同流体温度制冷制热效果进行分析,结果表明流体温度和目标温度差越小,热电制冷制热的效果越好。在环境温度制冷工况中,热电单元数量随电流增加先减少后增加,在制热工况中则单调递减,设计中需按照制冷工况进行热电单元数量的确定。当流体温度接近制冷制热的目标温度时,会出现整个系统总效率优于热电系统效率的区间。通过对热电单元和气液换热器的组合系统的性能计算,提供一种适于热电环控系统的计算方法和部件选型思路,对空间站环控系统的设计有重要参考意义。     

高温甲醇燃料电池热管理系统设计

针对某型号高温甲醇燃料电池单电池模块,以实现精确控温、快速启动为目的进行了燃料电池热管理系统的设计、制造和测试。应用Matlab/Simulink平台开发了一种拟合简化方程的控制系统算法及其仿真计算平台,并对所设计的控制算法进行了仿真计算;同时对燃料电池内外传热介质循环回路及冷却系统换热器进行了重新设计与样件试制。完成了热管理系统单电池模块运行试验,将实测数据与仿真计算结果进行了对比分析。试验结果表明,所设计热管理系统成功将电池预热时间缩短了678s,稳定工况下冷却介质温度误差保持在±2℃以内,达到了预定的设计要求。样件试制及测试结果验证了热管理系统设计的可行性、准确性及实用性,为今后高温甲醇燃料电池热管理系统设计优化提供了理论和实际参考。     

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。     

SOFC System Operating Strategies for Mobile Applications

SOFC systems, working at high temperatures of about 800 °C, have recently attracted significant interest for application as automotive and stationary power supply systems, based on gasoline or diesel heating. For periodically changing operation, the thermal management of the system, including start‐up and load following capability, is considered a crucial point. In this work, the thermal behaviour during start‐up, operation, shut down, and restart of a simple SOFC system for mobile applications is studied. Different operating strategies, such as keeping the system at operating temperature and thermal cycling, are investigated and compared with respect to heat management, energy consumption, and start‐up performance. The characteristics depend on the system size and weight. For a 50 kW_el system, with suitable insulation, immediate restart of the vehicle should be achievable for up to three days, hence no external heat is needed within that period of time. Smaller systems, e.g., Auxiliary Power supply Units (APU), replacing the conventional alternator in vehicles, cool down more rapidly. If an immediate restart is desirable ‘keeping the system at temperature’ would be the more favourable strategy.     

翅片重力热管传热性能实验研究

热管是一种利用工质相变传热,具有传热温差小、热响应速度快、换热量大等优点的传热元件。为研究翅片重力热管的传热性能,实验测试了翅片重力热管与平板重力热管（铝-丙酮工质）的传热性能,比较了其瞬态热响应速率,获得了翅片与平板重力热管在蒸发段不同电功率稳定加热条件下表面温度沿高度方向的变化规律,计算了平板热管的等效热导率,并与铝板测量结果进行了对比。结果表明：重力热管传热速度快、表面均温效果好,热导率随功率的增大先升高后降低,整体上热导率高达纯铝的84~258倍,翅片热管相比于平板热管具有更好的均温性和散热效果,在建筑供暖、车载电池散热、余热利用等领域具有广泛的应用前景。     

非共沸不互溶混合工质脉动热管启动特性分析

针对低加热功率下脉动热管难启动的问题,本文提出一种用于脉动热管相变传热的非共沸不互溶混合工质（HFE-7100和水）,其中低沸点工质潜热小、比热容低、密度大,高沸点工质潜热大、比热容高、密度低。选取水为高沸点工质, HFE-7100为低沸点工质,并将两者按照4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4比例混合,实验研究了不同混合比例工质在不同充灌率和不同加热功率下的启动特性。结果表明：相对于水,HFE-7100的低汽化潜热值和高(dp/dT)_sat值等特点能够加快蒸发段气泡的形成,加速脉动热管的启动;相对于纯工质脉动热管,非共沸不互溶混合工质相当于缩短了脉动热管的有效长度,加快系统启动;在低加热功率下,纯工质脉动热管无法启动,但混合工质脉动热管能够正常启动,且混合比例为2∶1、1∶1和1∶2时启动较快;在高加热功率下,混合比例2∶1启动最快。同时,对于非共沸不互溶混合工质脉动热管,充灌率为30%时启动效果最好。