施 紅,裴后舉,高志剛,錢曉輝

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003) (2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院,南京210016)

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展和信息化作戰(zhàn)概念的不斷演化,平流層飛艇的戰(zhàn)略價值吸引了越來越多國家的重視．與其他航空航天器相比,平流層飛艇具有耗資小、定點停留時間長、響應(yīng)快、覆蓋區(qū)域大等優(yōu)點[1-4]．近年來,由于平流層飛艇在通訊、監(jiān)視、防御等領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢,其在軍事和民用方面發(fā)展較為快速．目前已有的文獻(xiàn)主要致力于平流層飛艇飛行軌跡、熱力學(xué)、能源平衡等問題的研究[5-9]．然而,載荷艙及其設(shè)備的熱控問題作為平流層飛艇設(shè)計的一個關(guān)鍵問題由于保密等原因現(xiàn)有的報道較少．文獻(xiàn)[10]中以某型號高空定點飛艇平臺為背景,對飛艇平臺設(shè)備艙溫控系統(tǒng)進(jìn)行了分析論證,最后提出了詳細(xì)的設(shè)計方案．文獻(xiàn)[11]中對平流層飛艇設(shè)備艙進(jìn)行了保溫設(shè)計,并進(jìn)行飛艇飛行試驗,驗證設(shè)備艙的被動溫控效果．文獻(xiàn)[12]中提出了以被動熱控為主,主動熱控為輔的載荷艙熱控系統(tǒng)設(shè)計思路,給出了隔熱、等溫化、加熱和液體循環(huán)回路等熱控手段的具體設(shè)計方法．上述研究多集中于對平流層飛艇的概念設(shè)計亦或是保溫層的設(shè)計,對具體的艙室溫度控制計算涉及較少．平流層飛艇的工作高度一般為20 km,其環(huán)境溫度最低可達(dá)-56.5℃,由于載荷艙并非密閉結(jié)構(gòu)，因此若不采取適當(dāng)?shù)拇胧?艙內(nèi)的設(shè)備包括電子設(shè)備、通訊設(shè)備等均無法正常工作．其次,在飛艇升空或者下降過程中若遇到臨近地面的高溫度環(huán)境,若沒有相應(yīng)的制冷措施也會影響設(shè)備的使用性能．此外,飛艇在接近20 km處,由于大氣的密度相對較低,傳統(tǒng)的空冷系統(tǒng)會面臨質(zhì)量流量較低而帶來的制冷量不足的問題．綜上所述,平流層飛艇載荷艙中的電子設(shè)備需要局部的熱控制,將溫度控制在合理的范圍,一般取10～35℃,否則將無法正常工作．鑒于上述原因,文中對平流層飛艇載荷艙中的電子設(shè)備進(jìn)行局部熱設(shè)計方案研究,并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行方案的優(yōu)化,使得平流層飛艇電子設(shè)備艙的溫度在0～20 km均能控制在一個合適的范圍,該技術(shù)為平流層飛艇的整體熱控提供技術(shù)參考．

1 基于冷板的電子設(shè)備熱設(shè)計方案

平流層飛艇任務(wù)艙電子設(shè)備熱控系統(tǒng)的主要功能是:在飛艇的工作過程中,電子設(shè)備的溫度在總體指標(biāo)要求的范圍內(nèi)．而電子設(shè)備能否可靠工作，能否持久耐用很大程度上取決于電子儀器和器件能否有效散熱[13].考慮到平流層飛艇對電功率消耗及系統(tǒng)質(zhì)量有嚴(yán)格的限制,傳統(tǒng)的蒸發(fā)制冷循環(huán)優(yōu)勢并不明顯,因此應(yīng)充分利用周圍環(huán)境的冷量對電子設(shè)備及載荷艙進(jìn)行熱設(shè)計．基于上述要求，文中給出了圖1所示的基于冷板制冷及開放式送風(fēng)的平流層飛艇載荷艙及電子設(shè)備的冷卻方案．

如圖1,周圍環(huán)境中的空氣通過風(fēng)機(jī)送入艙內(nèi),送入的空氣分為兩個支路,一路用以冷板冷卻電子設(shè)備,另一路通過笛形管對艙內(nèi)進(jìn)行送風(fēng)．艙內(nèi)設(shè)有一風(fēng)扇用于控制艙內(nèi)溫度的均勻性．由于飛艇在上升過程中艙內(nèi)外的壓差是恒定的,因此艙內(nèi)有一個泄壓閥將艙內(nèi)多余的空氣排向艙外．同時,由于飛艇在20 km定點巡航時周圍環(huán)境溫度較低,長時間的定點巡航可能會導(dǎo)致艙內(nèi)溫度低于電子設(shè)備正常工作的溫度范圍,因此在艙底部裝有輻射電加熱膜．

圖1 飛艇載荷艙的溫控示意Fig.1 Thermal control system for the equipment cabin in the stratospheric airship

2 電子設(shè)備冷卻方案性能計算

2.1 冷板的換熱計算方法

(1) 計算溫度的變化量Δt:

(1)

式中:φ為冷板的散熱功率；qm為冷板中空氣的質(zhì)量流量；cp為空氣的定壓比熱．

(2) 計算冷板的換熱系數(shù)h:

h=JGcpPr-2/3

(2)

式中:J為摩擦系數(shù)；G為單位面積的質(zhì)量流量；Pr為空氣的普朗數(shù)．

(3) 計算定性溫度tf:

tf=0.25(ts+t1+t2)

(3)

式中:ts為冷板的溫度,t1和t2分別為冷板的進(jìn)、出口溫度．

(4) 雷諾數(shù)Re:

(4)

式中:de為當(dāng)量直徑;μ為動力粘度．

(5) 計算傳熱單元數(shù)NTU:

(5)

式中:η0為肋片的總換熱效率；A為冷板的總面積．

(6)

(7)

(8)

式中:Af為肋片面積；l為肋片的高度；k為冷板中肋片的導(dǎo)熱系數(shù)；δf為肋片厚度．

(6) 計算冷板的表面溫度：

(9)

2.2 近空間的環(huán)境參數(shù)

(1) 海平面的空氣物性參數(shù):

p0=101 325 Pa

T0=288.15 K

ρ0=1.225 kg/m3

(2) 對流層的空氣物性參數(shù)：

Tao=T0-α·z

(10)

(11)

(12)

式中：z為飛艇的飛行高度；α為溫度隨高度變化的比例系數(shù)；R為空氣常數(shù)．

(3) 平對流的空氣參數(shù)：

Tao=216.65 K

(14)

(15)

(16)

(4) 加速度：

g=g0-3×10-6z

(17)

式中：g0為海平面的加速度,9.806 65 m/s2．

(5) 定壓比熱：

cp=1 006.87-0.087 22×T+0.000 123 6×T2

(18)

式中，T是以攝氏度作為量綱的．

(6) 動力粘度：

(19)

(20)

對空氣而言,M的值為28.9644；σ的值為3.617；T以攝氏度作為量綱,T*=T/97；Ω為碰撞積分，是關(guān)于T*的函數(shù)，由式(20)計算可得.

(7) 導(dǎo)熱系數(shù)：

(21)

式中：λ0的值為 0.024 W/m·K,n的值為0.81.

2.3 冷板計算流程

圖2為冷板計算流程.

圖2 冷板計算流程Fig.2 Calculation flow chart for the thermal performance of the cold plate

值得說明的是,冷板的性能計算可以分為兩種:一種是定風(fēng)機(jī)流量,定風(fēng)機(jī)流量的以升空的最高點為最惡劣的設(shè)計點;第二種是采用的變頻風(fēng)機(jī)計算思路,即風(fēng)機(jī)根據(jù)外界空氣參數(shù)的變化實時的調(diào)整轉(zhuǎn)速來滿足恒定的風(fēng)機(jī)表面溫度的要求．

2.4 計算結(jié)果

地面的環(huán)境溫度取30℃,電子設(shè)備的散熱功率為220W;冷板高H為0.012 5 m,冷板深度D為0.19 m,冷板寬度b為0.278 m；冷板肋片選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:平直行肋片,肋高為9.5 mm, 肋厚為0.6 mm, 單位寬度通道截面積A2為8.37×10-3m2/m,單位面積通道截面積A1為11.10 m2/m2,當(dāng)量直徑de為3.02 mm．

2.4.1 定風(fēng)量情況下的冷板全高度性能

圖3、4分別為飛艇在地面溫度為25℃和40℃下起飛的冷板溫度ts隨高度z變化的曲線．

圖3 地面溫度為25℃時冷板溫度隨高度變化的曲線Fig.3 Variation of the temperature of the clod plate with the altitude for the ground temperature at 25℃

由圖3可知,冷板的表面溫度先下降后上升．產(chǎn)生該變化規(guī)律的主要原因是,隨著飛艇的上升,外界環(huán)境溫度降低,在定風(fēng)機(jī)流量的情況下冷板的溫度逐漸下降．盡管在該過程中環(huán)境的密度也在降低,而溫度的降低對冷板的影響程度相對于密度的降低對冷板的影響程度要大,因此冷板總的溫度下降．然而在P點以后外界的環(huán)境溫度不變,而環(huán)境的密度進(jìn)一步的降低,因此導(dǎo)致冷板的散熱能力變差,最后冷板的溫度隨著高度升高逐漸上升．

圖4 地面溫度為40℃時冷板溫度隨高度變化的曲線Fig.4 Variation of the temperature of the clod plate with the altitude for the ground temperature at 40℃

由圖4可知,在地面溫度為40℃時冷板在飛艇上升過程中的溫度變化規(guī)律跟地面溫度為25℃時候的變化曲線一致．然而由于起飛時外界的環(huán)境溫度較高,在2 000 m以下的高度內(nèi),冷板的溫度大于設(shè)計溫度40℃,冷板在該環(huán)境溫度下的性能不滿足設(shè)計要求．因此,對于該電子設(shè)備的冷卻,必須在設(shè)計時候考慮冗余設(shè)計,并聯(lián)一個制冷方案以滿足其散熱需求．

同時,由圖3、4可知,升空過程中冷板的溫度降低至-10℃左右,顯然這是不符合設(shè)計要求的,因此定流量的方案在實際的飛艇飛行過程中并不合理．因此文中推薦采用變風(fēng)量的冷板冷卻方案．

2.4.2 變風(fēng)量情況下的冷板全高度性能

圖5為風(fēng)機(jī)風(fēng)速vf隨飛行高度的變化曲線.由圖可知,當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境溫度為30攝氏度時,為了保證電子設(shè)備的溫度維持在40攝氏度則風(fēng)機(jī)的風(fēng)速隨著高度的增加先減少后增加．并且在0～4 000 m及13 000～20 000 m的過程中變化幅度較大．

圖5 風(fēng)機(jī)風(fēng)速隨著飛行高度的變化Fig.5 Variation of the blower velocity with the altitude

跟定風(fēng)量系統(tǒng)一樣,若飛艇起飛時的地面環(huán)境溫度較高尤其是高于40℃時,由于艙內(nèi)設(shè)備使用環(huán)境的限制,則飛艇起飛階段基于冷板冷卻的電子設(shè)備散熱系統(tǒng)將無法起到冷卻的效果．同時,高空時由于外界環(huán)境的密度較低,為了滿足空冷系統(tǒng)的設(shè)計要求則風(fēng)機(jī)的風(fēng)速較大,然而風(fēng)機(jī)的引氣不僅要滿足冷板的需求同時要滿足艙內(nèi)制冷的需求,因此在高空時可能會引起支路進(jìn)氣流量不足的問題．綜上所述,從設(shè)計可靠性的角度來說,盡可能的設(shè)計一套完善的制冷系統(tǒng)以滿足飛艇在全高度的工作要求．因此，文中提出了兩種優(yōu)化設(shè)計方案．

3 優(yōu)化的電子設(shè)備制冷設(shè)計方案

3.1 基于二氧化碳開放式制冷的冷卻方案

圖6為電子設(shè)備冷卻系統(tǒng),當(dāng)飛艇從環(huán)境溫度較高的低空向上運動時,基于二氧化碳制冷的第一溫度控制子系統(tǒng)開啟,高壓氣罐中的冷氣輸送至冷板,冷卻與之聯(lián)接或靠近的設(shè)備;同時,冷氣輸送至換熱器,風(fēng)扇將換熱器附近的空氣吹至機(jī)艙的其他部分,形成氣流循環(huán);

圖6 基于二氧化碳開放式制冷的電子設(shè)備冷卻方案Fig.6 Adding cooling method for the electronic equipment using a carbon dioxide refrigeration system

當(dāng)飛艇升至一定高度,艙外的溫度低于艙內(nèi)設(shè)備的最高許可溫度時,停止第一溫度控制子系統(tǒng)．基于周圍空氣直接送風(fēng)的第二溫度控制子系統(tǒng)開啟,將機(jī)艙外的冷空氣運送至機(jī)艙內(nèi)和冷板中．當(dāng)飛艇上升至高空風(fēng)機(jī)流量不夠時,可以開啟第一溫度控制子系統(tǒng),此時跟第二溫度控制子系統(tǒng)共同工作．當(dāng)飛艇滯空過程中艙內(nèi)的溫度低于艙內(nèi)設(shè)備的最低許可溫度時,開啟電加熱絲加熱,同時開啟艙內(nèi)風(fēng)扇,在機(jī)艙內(nèi)形成氣流循環(huán)．

同樣的,當(dāng)飛艇下降時,首先開啟第二溫度控制子系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,當(dāng)其不能滿足要求時,開啟第一溫度控制子系統(tǒng)．

值得說明的是:基于二氧化碳的開放式制冷系統(tǒng)是不可逆系統(tǒng),在電能受限的制冷領(lǐng)域使用較多[14-17],在飛艇的設(shè)備艙及其電子設(shè)備的制冷中,其作為一個備用及補(bǔ)充方案的設(shè)計．在設(shè)計之初應(yīng)根據(jù)飛艇的滯空時間、滯空高度、飛艇的起飛環(huán)境等來正確的計算所需求的二氧化碳量．

3.2 二氧化碳質(zhì)量計算

對于開放式二氧化碳制冷系統(tǒng),可采用式(22)對所需CO2的質(zhì)量進(jìn)行估算：

(22)

式中：m為所需CO2質(zhì)量；q為電子設(shè)備的功率；hex為CO2排氣焓值；uinit為初始條件下CO2的內(nèi)能；Δt為飛艇上升過程持續(xù)時間．

假設(shè)所研究的飛艇上升過程:

(1) 設(shè)備的功率為1 000 W,飛艇的上升時間為3 700 s[18].

(2) 假設(shè)初始存儲狀態(tài)參數(shù)為：P1=6.5 MPa,T1=298.1 K．此時利用REFPROP軟件計算可得uinit=264.79 kJ/kg.

(3) 飛艇在上升過程中設(shè)備艙的壓力與外界平衡,其壓力狀態(tài)一直在變,設(shè)計時采用保守算法,假設(shè)設(shè)備全部采用CO2進(jìn)行制冷，并取最小排氣壓力狀態(tài)參數(shù):P2=5 472 Pa,T2=303.15 K．此時利用REFPROP軟件計算可得hex=510.96 kJ/kg．

根據(jù)以上條件及公式計算可得m=15 kg．出于安全因素的考慮,CO2在灌裝是不能灌滿的,必須留有一定的余量．通常,溫帶地區(qū)不能超過鋼瓶體積75%,熱帶地區(qū)不能超過66.7%．文中選擇充氣系數(shù)α=0.6 kg/L,則鋼瓶體積V=m/α=7.05 L．考慮到常用鋼瓶的體積規(guī)格以及使用過程中的損失,選擇體積為20 L的鋼瓶,充氣系數(shù)為0.6 kg/L,凈重12 kg．因此CO2氣瓶的總質(zhì)量為27 kg．

4 結(jié)論

(1) 在定風(fēng)量條件下,冷板的表面溫度先下降后上升,最低溫度可達(dá)到-10℃．

(2) 提出了變風(fēng)量冷板換熱系統(tǒng),該系統(tǒng)在面對外界大氣參數(shù)變化較大的情況下更具有合理性．然而,跟定風(fēng)量系統(tǒng)一樣,若飛艇起飛時的地面環(huán)境溫度較高尤其是高于40℃時,由于艙內(nèi)設(shè)備使用環(huán)境的限制,則飛艇起飛階段基于冷板冷卻的電子設(shè)備散熱系統(tǒng)將無法起到冷卻的效果．

(3) 為滿足空冷系統(tǒng)低空及高空制冷量不足的情況,提出了基于二氧化碳開放式制冷的優(yōu)化的設(shè)計方案,并對其進(jìn)行了計算．在文中給定的計算條件下,可選擇體積為20 L的鋼瓶,充氣系數(shù)為0.6 kg/L,CO2氣瓶的總質(zhì)量為27 kg．