閆鵬慶

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

0 引言

在研制航空、航天設備的過程中，常通過在真實環(huán)境或近似環(huán)境中開展飛行試驗來檢驗設備的工作性能、環(huán)境適應性。機載試驗吊艙是開展這類飛行試驗的重要載體，其具有結構獨立、適應性強等特點。特別是對大質量、需要長時間滯空的大型載荷的掛飛試驗來說，能夠提供各種配套條件的運輸類飛機是理想的試飛平臺。

在開展機載試驗吊艙掛飛的過程中，由于飛行試驗環(huán)境與研制目標存在差異，因此部分在研設備對吊艙內部的溫度、壓力等環(huán)境指標提出了較高的要求。與此同時，運輸類飛機配有功能完備的環(huán)控系統(tǒng)，可以滿足艙內溫度控制、壓力調節(jié)的要求。針對某載荷掛飛中對吊艙環(huán)境溫度控制的需求，該文提出了利用運輸機平臺環(huán)境控制系統(tǒng)能力控制吊艙內部溫度的方法，通過有限元方法對吊艙內部的溫度場進行分析，并根據溫度場分析結果對吊艙內部設備的布局、結構進行更改，達到優(yōu)化溫度場、提高敏感部件周圍溫度均勻性的目的。

1 需求分析和實現(xiàn)方案

該文使用的某星載演示驗證設備質量大，演示驗證試飛中須保證良好的下視視野。因此，專門研制了外掛吊艙并將吊艙掛裝在某型運輸機機身下側面。

被試設備對環(huán)境的敏感度較高，工作環(huán)境需要保持在0℃以上并且溫度均勻、穩(wěn)定，氣壓高度小于或等于5 km。而吊艙掛載在艙外且冬季需要在約8 km 的高空進行掛飛試驗，因此吊艙需要進行增壓和加溫。針對該需求，為了以較小的代價同時實現(xiàn)對吊艙內部進行增壓和控溫的目標，該文提出了一種基于飛機平臺環(huán)控系統(tǒng)能力的改裝實現(xiàn)方法，如圖1 所示。在平臺環(huán)控系統(tǒng)空氣分配管路上增加支路，通過電動活門控制吊艙引氣，引取的熱空氣通過專用管路通入吊艙。吊艙內部的空氣通過另外一路回氣管導入氣密套艙，實現(xiàn)吊艙內部環(huán)境與氣密套艙的連通，吊艙與氣密套艙內部壓力實現(xiàn)統(tǒng)一，通過座艙壓力控制實現(xiàn)吊艙內部氣壓高度小于或等于5 km 的目標。吊艙引氣管路和回氣管路上分別安全活門和備份安全活門，在吊艙系統(tǒng)不使用或出現(xiàn)應急情況時保證客艙內部的氣密性。該方法不僅改裝量較少，而且在使吊艙內部壓力滿足要求的同時，還使吊艙內部能夠利用環(huán)控系統(tǒng)的熱氣進行加溫，但是被試設備對吊艙內部溫度及其均勻性仍有較高的要求，需要對吊艙內部溫度場進行分析，對通風管路和吊艙內部結構等設計要素進行優(yōu)化，使吊艙內部溫度滿足某星載演示驗證設備的工作需求。

圖1 吊艙環(huán)控改裝方法原理框圖

2 溫度場分析和優(yōu)化方法

機載吊艙內部溫度場同時受外部流場狀態(tài)、內部結構、設備布局以及內部空氣流動等多種因素的影響。在傳統(tǒng)的溫控吊艙設計中，一般將吊艙內部作為均一整體，利用經驗公式計算每種因素對熱載荷的影響。而對封閉吊艙的內流動來說，其內部溫度場并不均勻，特別是對溫度敏感的設備來說，不宜將艙內空間作為均勻整體進行考慮。因此，須對吊艙內部溫度場進行分析并進行針對性優(yōu)化，以提高吊艙內溫度場的均勻性[1]。

采用基于有限元方法的熱仿真對吊艙內部溫度場進行分析和優(yōu)化，通過分析得到吊艙內、外部溫度場，利用該方法可以有針對性地對吊艙內設備布局和吊艙結構進行改進，實現(xiàn)對空氣流動進行優(yōu)化的目標，從而優(yōu)化吊艙內部溫度場，保證載荷工作溫度條件[2-4]。

采用CFX 軟件開展吊艙內、外溫度場穩(wěn)態(tài)分析。為了對仿真工作進行適當簡化，吊艙溫度場的分析和優(yōu)化工作分為以下2 個步驟：1） 主要考慮吊艙與外流場的對流換熱、吊艙外表面的固體傳熱以及吊艙內部流場的對流換熱，對吊艙的熱載荷進行分析，確定通氣口尺寸。2） 將吊艙熱載荷模擬結果作為邊界載荷，對吊艙內部溫度場進行分析并根據分析結果優(yōu)化結構、布置飛行驗證所使用的溫度傳感器。

3 計算吊艙熱載荷

根據載荷掛飛試驗工況、吊艙外形以及吊艙結構形式對8 km 平飛時的吊艙的熱載荷進行有限元仿真分析，在計算吊艙對外換熱量的同時確定通氣口尺寸。

根據吊艙外形和假設繪制模型并進行網格劃分，由于吊艙為薄壁結構，其幾何尺寸與外場相差較大，因此為了保證網格質量，分別對內、外場進行結構化網格劃分，分別設置多種直徑通氣口直徑并進行仿真計算。

熱載荷分析時對計算條件進行簡化，簡化條件及主要邊界條件如下：1） 僅考慮吊艙與外流場的換熱，不考慮通過吊掛結構的傳熱。當計算外流場時，不考慮飛機機身對換熱的影響。2） 由于吊艙掛裝在機身側面，因此飛行中可能會出現(xiàn)被機身遮擋的情況，不考慮陽光輻射加熱作用。3） 不考慮吊艙內部的結構及設備，將吊艙作為均勻空腔考慮。4） 吊艙邊界為2 mm 厚的鋁制蒙皮，蒙皮內側貼10 mm 玻璃絲棉。5） 吊艙上分別設置進氣口、排氣口，2 個通氣口僅作為邊界，不考慮前、后端管道流動。6） 吊艙內壓力按照余壓39 kPa（即79 kPa）進行計算。7） 外場來流溫度為236 K。8） 進氣口平均溫度為333 K，排氣口所連接的飛機艙溫為298 K。

穩(wěn)態(tài)分析計算結果顯示，當從平臺加裝環(huán)控系統(tǒng)引入溫度為333 K、通氣流量約為120 kg/h 的熱空氣且通氣口直徑設置為40 mm 時，可以保證吊艙內部的平均溫度為283 K，最低溫度大于或等于273 K，滿足飛行試驗要求，此時吊艙壁面熱載荷為-1 360.5 W。

內、外場溫度場及速度矢量示意圖如圖2、圖3 所示。

圖2 內外場溫度場示意圖

圖3 內外場速度矢量示意圖

4 吊艙內溫度場分析和優(yōu)化

將上述吊艙熱載荷計算結果作為計算輸入條件之一，開展吊艙內流場的穩(wěn)態(tài)分析，再進行結構設計以及溫度測點布置設計。此時，將吊艙內部作為計算區(qū)域（不再作為均勻空腔），考慮設備布局及吊艙結構設計。同時，根據上述吊艙熱載荷計算結果，吊艙內流場入口（通氣入口）附近空氣流速較高，為了避免高溫射流直接沖擊設備，導致設備局部溫度過高，在出、入口增加擋流板。在計算吊艙內部溫度場的過程中對吊艙內部結構及設備進行簡化：1） 吊艙內部結構均作為絕熱固體，只考慮對流場的影響，不考慮除壁面外的其他結構傳熱。2） 將設備外形簡化為其包絡尺寸，在考慮發(fā)熱時認為其發(fā)熱均勻。3） 僅考慮主要框結構對流場的影響，不考慮較低的梁、長桁等其他結構。

對初步設計的吊艙結構、設備布局進行簡化，得到計算用三維模型（如圖4 所示）。根據該三維模型對吊艙內部結構化網格進行劃分，當在CFX 中進行邊界條件設置時，將上述吊艙熱載荷計算結果作為吊艙壁面熱載荷，同時保持通氣出/入口尺寸、空氣溫度等設置不變。通過該結構設計和布局下的穩(wěn)態(tài)分析計算可以得到吊艙內溫度場分布，如圖5 所示。

圖4 吊艙內流場計算簡化模型

由圖5 可知，吊艙內部溫度的均勻性較差，不利于被試設備工作，當最高溫度達到25 ℃時，設備附近部分區(qū)域溫度仍低于0℃。對該結果進行分析，造成該結果的原因主要是吊艙內結構設計導致空氣流動不合理，在部分路徑流速過高的同時仍有空間內流動較弱。針對暴露的問題，對吊艙內結構進行針對性優(yōu)化。優(yōu)化重點是通過結構設計調整吊艙內空氣流動，結構優(yōu)化內容如下：1） 將前、后端框高度由45 mm 升至90 mm，避免熱空氣大量流入無用空間。2） 增大后部雙偏振設備安裝底板，使其與中間加強框貼合，利用底板封堵熱氣通過中間加強框流通的通道，迫使氣流流經這2 臺設備，提高流動的均勻性。3） 將中間加強框開口通過尺寸由550 mm（寬）×320 mm（高）增至700 mm（寬）×350 mm（高），進一步提高流動的均勻性，降低設備周邊空氣的流速。4） 將出口及入口擋流板流道截面直徑由60 mm 增至100 mm，降低局部流動損失。

圖5 吊艙內溫度場分布示意圖

重新對結構優(yōu)化后的模型進行網格劃分，并采用與上述計算相同的邊界條件計算穩(wěn)態(tài)內流場。仿真計算得到的吊艙內部流場及溫度場分布如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化后的吊艙內溫度場分布示意圖

計算結果顯示，吊艙內溫度均勻性提高，吊艙內整體平均溫度為285 K，除出入口外，設備附近最高溫度為292 K，最低溫度為275 K，能夠保證吊艙內部環(huán)境滿足設備的工作需求。

吊艙三維溫度場分布如圖7（a）所示，將3 枚空氣溫度傳感器探頭分別安裝在吊艙內高、中和低溫典型區(qū)域（如圖7（b）所示），以保證在飛行試驗中能夠采集最具代表性的吊艙內部溫度，以此為基礎進行吊艙溫度場分析和優(yōu)化效果評估。

圖7 吊艙溫度傳感器的安裝

5 應用效果

在吊艙溫度場優(yōu)化工作結束后進行吊艙結構加工和裝配，試驗飛機平臺掛載吊艙進行多次飛行試驗。飛行結果顯示，試驗中吊艙內的溫度始終高于0 ℃且被試溫度敏感設備旁高低溫差小于或等于15 ℃，與仿真分析結果的一致性較高。

6 結語

針對某星載演示驗證設備在某運輸機平臺試驗吊艙上的掛飛試驗，該文提出了基于平臺環(huán)控系統(tǒng)能力的吊艙增壓和加溫改裝方案，采用基于有限元方法的熱仿真對吊艙的熱載荷及內部溫度場進行分析，根據分析結果對吊艙內結構設計進行改進，從而優(yōu)化吊艙內部的溫度場，滿足被試設備對工作環(huán)境的要求。通過飛行試驗對該文的分析方法和優(yōu)化后的效果進行驗證。結果顯示，該文的分析方法較好地反映了吊艙內部的溫度場，基于該分析方法開展的結構優(yōu)化設計取得了顯著的效果。