王 健
(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)
有源相控陣?yán)走_開辟了機載火控雷達的新時代,較傳統(tǒng)的機械掃描雷達,其目標(biāo)探測性能、目標(biāo)容量、可靠性等多項關(guān)鍵指標(biāo)大幅提升。以美國F-18飛機使用的有源相控陣APG-79火控雷達為例,與機械掃描雷達APG-73相比,對空中目標(biāo)的探測距離前者為后者的3倍,探測和跟蹤的目標(biāo)數(shù)量為2倍, 作戰(zhàn)性能大幅提升[1]。因此,為適應(yīng)未來空戰(zhàn)的需求,為三代戰(zhàn)機改換裝更加先進的有源相控陣?yán)走_,成為世界上很多國家非常迫切的現(xiàn)實需求[2]。
三代飛機使用的機械掃描雷達,功率密度低,普遍采用風(fēng)冷散熱形式。而有源相控陣?yán)走_的功率密度大幅提升,熱流密度達到20 W/cm2以上,采用液冷是解決雷達散熱問題的最有效方式,世界各國裝備的機載有源相控陣?yán)走_均采用液冷形式[3]。如美國F16A/B戰(zhàn)機在升級成F16C/D(Block60)后,使用的APG-80有源相控陣?yán)走_就采用了液冷散熱形式[4]。
火控雷達安裝在飛機的機頭位置,空間狹小,重量受限,對設(shè)備體積、重量提出了苛刻要求。美國Meggitt Defense System公司研制過一款機載全鋁鑄造液冷單元用于激光設(shè)備的散熱[5],但換熱量小、供液流量和壓力低,無法用于功率量級較大的相控陣?yán)走_。國內(nèi)也研制過類似的機載液冷系統(tǒng)和液冷單元[6-7],但集成度低,未經(jīng)環(huán)境試驗和試飛驗證。因此,研制一種集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的液冷單元,實現(xiàn)原位換裝,是三代飛機換裝有源相控陣?yán)走_的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。
針對上述需求和困難,本文開展了集成化、緊湊式、高效液冷單元的研究。該研究可以為我國現(xiàn)役大量的三代飛機換裝有源相控陣火控雷達提供參考,釋放換裝工程中的技術(shù)風(fēng)險。
該液冷單元的設(shè)計需要考慮多方面的因素,要能夠滿足雷達的液冷散熱需求、通用重量特性要求,要實現(xiàn)集成化、小型化、輕量化,要能夠適應(yīng)機載惡劣的環(huán)境條件,還要能夠克服飛機倒飛、側(cè)飛、翻轉(zhuǎn)等特殊飛行姿態(tài)對冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來的影響,設(shè)計難度大。
目前,常規(guī)液冷單元主要包括:儲水箱、膨脹罐、水泵、過濾器、換熱器、旁通閥、排氣裝置、供液接頭、回液接頭、溫度傳感器、壓力傳感器、旁通管路、若干連接管路、若干閥門以及用于固定的結(jié)構(gòu)底板和框架等。常規(guī)液冷單元與被冷卻的電子設(shè)備組成一個閉式循環(huán)系統(tǒng),工作原理如圖1所示。
圖1 常規(guī)液冷單元工作原理圖
為保證液冷單元安全可靠運行,常規(guī)液冷單元還要設(shè)置安全閥、補液口、排液口、截止閥等設(shè)備。常規(guī)液冷單元設(shè)備眾多,重量大,占用空間多,如果據(jù)此設(shè)計三代飛機換裝用液冷單元,將無法滿足使用要求。
為此,本文研制的液冷單元采用了多功能集成化設(shè)計的思路,通過合理的組合,將多個功能設(shè)備集成為一個設(shè)備,以減少空間和重量,如圖2 虛線框所示。
圖2 多功能集成設(shè)計示意圖
膨脹儲水箱具有容納冷卻液、定壓膨脹功能,內(nèi)置有彈簧活塞裝置,用于平衡系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液由于環(huán)境溫度差異帶來了的體積變化,同時將系統(tǒng)背壓維持在一定的范圍內(nèi),確保飛機在倒飛、翻滾等特殊飛行姿態(tài)下,水泵能夠正常運行,如圖3所示。該膨脹儲水器設(shè)計了溫壓一體傳感器可同時采集溫度、壓力2個信號,減少了傳感器的數(shù)量;過濾器采用快卸自封結(jié)構(gòu),取消了過濾器兩端的閥門;綜合底板內(nèi)部集成了5條流道,實現(xiàn)膨脹儲水箱、水泵、過濾器、換熱器等主要設(shè)備的連通,節(jié)省了管路占用空間和重量。
圖3 膨脹儲水箱結(jié)構(gòu)示意圖
本文研制的液冷單元簡化了旁通管路設(shè)計,在水泵內(nèi)部設(shè)計了彈簧式壓力調(diào)節(jié)器,當(dāng)水泵出水口壓力超過門限值時,活門自動打開實現(xiàn)系統(tǒng)旁通,原理如圖4所示。
圖4 水泵旁通原理圖
本文研制的液冷單元主要設(shè)備包括:膨脹儲水罐、水泵、過濾器、換熱器、傳感器和綜合底板等設(shè)備,還設(shè)置了安全閥、漏液收集器、快速接頭等。液冷單元通過綜合底板上的定位銷、松不脫螺釘與飛機剛性固定,并實現(xiàn)與飛機供風(fēng)系統(tǒng)的密封連接。液冷單元設(shè)置的漏液收集器,用于收集安全閥排出或水泵滲出冷卻液,防止冷卻液隨意排放造成隱患,同時便于觀察和維護,及時發(fā)現(xiàn)問題。液冷單元結(jié)構(gòu)和設(shè)備布局如圖5所示。
圖5 液冷單元設(shè)備組成示意圖
為提高換熱器空氣側(cè)的換熱效率,在本液冷單元設(shè)計時對進風(fēng)口的靜壓腔進行了仿真優(yōu)化設(shè)計,使換熱器的風(fēng)速分布盡量一致,提高換熱效率,換熱器內(nèi)部風(fēng)速分布如圖6所示。
圖6 換熱器截面風(fēng)速示意圖
換熱器采用逆叉流鋁合金板翅式換熱器,液側(cè)兩流程,空氣側(cè)單流程。液側(cè)的翅片節(jié)距b1=1.7 mm,波高h(yuǎn)1=2 mm,波厚δ1=0.2 mm,空氣側(cè)的翅片b2=2 mm,波高h(yuǎn)2=4.7 mm,波厚δ2=0.15 mm。經(jīng)過校核計算,換熱效率η=85.4%,換熱器量超過5 600 W,滿足設(shè)計要求。
通過對整個液冷單元的結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真可知,液冷單元在豎直方向加速度量值條件下,具有最大應(yīng)力為212 MPa,在綜合底板與定位銷的連接位置,如圖7所示。而底板材料為7A09,屈服強度為410 MPa,超過最大應(yīng)力,因此滿足強度要求。
圖7 液冷單元整機強度分析云圖
膨脹儲水箱是液冷單元的關(guān)鍵設(shè)備之一。為降低重量,膨脹儲水箱采用了薄壁、柱狀結(jié)構(gòu)形式,在其外壁設(shè)置了環(huán)肋,以加強結(jié)構(gòu)強度。液冷單元系統(tǒng)的最大壓力為1.5 MPa,在安全系數(shù)1.5的條件下對膨脹儲水箱進行力學(xué)分析,仿真結(jié)果表明殼體最大應(yīng)力值為100 MPa,如圖8所示,遠(yuǎn)低于膨脹儲水箱所使用的5A06鋁合金材料的屈服強度350 MPa,滿足產(chǎn)品使用要求。
圖8 膨脹儲水箱結(jié)構(gòu)強度分布示意圖
按照設(shè)計需求,液冷單元及雷達整改系統(tǒng)冷卻液為3.5 kg,要求膨脹儲水箱容積不小于0.5 L、體積補償量不小于0.2 L。本文液冷單元設(shè)計的膨脹儲水箱容積約為0.6 L,水箱內(nèi)的活塞直徑為75 mm,活塞幾何系數(shù)K為0.87,活塞截面A為0.004 4 m2,正常工作時系統(tǒng)背壓P約為0.1 MPa,體積補償設(shè)計值為0.25 L,因此活塞壓力為:
Fh=KAP=383 N
膨脹儲水箱的彈簧采用1Cr18Ni9材料,相關(guān)參數(shù)如下:
彈簧鋼絲直徑:d=5 mm;
彈簧外徑:Dw=65 mm;
彈簧有效圈數(shù):n=5;
壓縮量:L=67 mm;
自由長度:H0=100 mm;
壓縮后長度:H1=33 mm;
節(jié)距:t=18 mm。
通過柱狀彈簧的計算公式可知,彈簧的壓力:Ft=392 N。彈簧壓力與補償體積要求的活塞壓力383 N基本一致,滿足設(shè)計要求。
本文研制的液冷單元對外換熱能力大于5 500 W,外形尺寸為220 mm×210 mm×200 mm,質(zhì)量約為15.8 kg,采用乙二醇冷卻液,額定供液流量600 L/h,額定供液壓力為0.5 MPa,耗電量為500 W,順利通過了-55 ℃~70 ℃高、低溫儲存和工作試驗以及苛刻的溫度-高度、濕熱、振動、沖擊和加速度試驗。
美國F16C/D戰(zhàn)機APG-80雷達使用的液冷設(shè)備采用分散安裝形式,設(shè)備量大,連接管路復(fù)雜,占用較大空間,而本文研制的液冷單元,實現(xiàn)了一體化設(shè)計,設(shè)備少、體積小、重量輕,可整體拆卸換裝,維護方便快捷。
美國Meggitt Defense System公司研制的液冷單元與本文研制的液冷單元相比(折算成單位換熱量和同等供液溫差),兩者的體積重量相當(dāng),但后者的供液流量和供液壓力達到了前者的2倍以上。
文獻[7]中的一種超小型液冷系統(tǒng)的換熱量為2 500 W,外形尺寸為200 mm×250 mm×100 mm,質(zhì)量約10 kg,耗電量為300 W。與之相比(折算成單位換熱量),本文研制的液冷單元供液壓力更高,而體積減小約8.6%,重量減小約26%,能效比提高約25%,綜合使用性能更加優(yōu)異。本文研制的液冷單元與其他同類液冷單元的指標(biāo)對比如表1所示。
表1 液冷單元性能指標(biāo)對照表
該液冷單元已經(jīng)通過了試飛測試,性能穩(wěn)定,安全可靠,各項性能達到了設(shè)計要求,為我國三代飛機換裝有源相控陣?yán)走_,提供了一條可靠的技術(shù)途徑。該液冷單元對機載、彈載條件下的液冷單元、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計,也具有現(xiàn)實的借鑒意義。