王 軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引言

浮空器是一種依靠在氣囊內(nèi)充入密度小于空氣的氣體產(chǎn)生浮力克服自身重量而實(shí)現(xiàn)空中浮升,執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的航空飛行器。多數(shù)浮空器以惰性氣體氦氣作為產(chǎn)生浮力的介質(zhì),典型的浮空器包括飛艇、系留氣球、自由氣球等。其中,系留氣球是自身不帶動(dòng)力,依靠浮力升空的浮空器[1-2]。系留氣球通過系留纜繩滯留在空中預(yù)定位置,作為空中平臺(tái)搭載各種通訊、干擾、偵察、探測等電子設(shè)備。

整流罩安裝在系留氣球主氣囊下方,主要用于保護(hù)內(nèi)部設(shè)備免受空氣動(dòng)力載荷作用和大氣環(huán)境影響。整流罩一般采用流線型設(shè)計(jì)以盡量減少對(duì)系留氣球的多余氣動(dòng)阻力和流場干擾[3]。一般情況下,整流罩在系留氣球航線方向,前后端分別安裝鼓風(fēng)機(jī)和閥門用于適時(shí)調(diào)節(jié)整流罩內(nèi)部壓力,保證其內(nèi)部空間和外部形狀成形。

系留氣球可以停滯于地面乃至海拔數(shù)千米高度長期工作,受海拔高度、環(huán)境變化、太陽輻射以及任務(wù)設(shè)備本身發(fā)熱影響,如何保證整流罩內(nèi)部溫度滿足系統(tǒng)正常工作要求,盡量不增加額外設(shè)備以降低系統(tǒng)升空負(fù)載,需要根據(jù)系統(tǒng)工作模式以及設(shè)備環(huán)境控制需求進(jìn)行全面綜合考慮。本文以某型系留氣球?yàn)榉治鰧?duì)象,對(duì)其整流罩環(huán)境溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)分析。

1 設(shè)計(jì)要求

系留氣球的工作模式主要包括地面調(diào)試工作模式和升空工作模式,整流罩內(nèi)部環(huán)境指標(biāo)均需滿足設(shè)備工作需要,某型系留氣球與環(huán)境溫度有關(guān)的主要指標(biāo)要求如下:

(1)地面外部環(huán)境溫度指標(biāo):-40～50 ℃。

(2)整流罩內(nèi)部設(shè)備工作環(huán)境溫度指標(biāo):≤50 ℃。

(3)任務(wù)設(shè)備熱功耗:≤29 kW。

(4)整流罩工作高度:地面調(diào)試(海拔高度0 m)、低空工作(海拔高度不高于3 000 m)、高空工作(海拔高度不高于6 000 m)。

2 設(shè)計(jì)思路

系留氣球系統(tǒng)需保證整流罩內(nèi)部環(huán)境溫度在地面至升空到任意工作高度位置均滿足指標(biāo)要求。實(shí)際上,不同高度下系統(tǒng)工作模式、熱耗和環(huán)境溫度均不同,因此需要采取不同的設(shè)計(jì)思路滿足設(shè)備工作溫度指標(biāo)要求。

地面調(diào)試工作模式下,考慮地面外部環(huán)境溫度與整流罩內(nèi)部溫度上限相同均為50 ℃,極限工況下整流罩內(nèi)外熱能置換率極低。任務(wù)設(shè)備熱功耗為29 kW,地面調(diào)試時(shí),設(shè)備不需升空,因此考慮采用制冷設(shè)備將整流罩內(nèi)部熱量排出,達(dá)到控制整流罩內(nèi)部溫度目標(biāo)。

升空工作模式下,外界環(huán)境溫度隨海拔高度升高而降低,系留氣球升空至指定高度后,環(huán)境溫度低于整流罩內(nèi)部溫度。與此同時(shí),考慮整機(jī)重量的限制,散熱采用環(huán)境冷風(fēng)帶走整流罩內(nèi)部熱量的方案,即通過整流罩壓力調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)送入整流罩內(nèi),將熱風(fēng)通過閥門排送至外部環(huán)境,確保罩內(nèi)溫度滿足指標(biāo)要求[4]。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 地面調(diào)試工作模式

地面調(diào)試工作模式下,由于整流罩內(nèi)部溫度控制目標(biāo)和外界環(huán)境溫度相同,當(dāng)罩內(nèi)環(huán)境溫度控制滿足指標(biāo)要求的時(shí)候,采用整流罩內(nèi)部環(huán)境下設(shè)備通風(fēng)的方式不能滿足溫度控制要求(如果采取通風(fēng)散熱的模式,罩內(nèi)空氣溫度必然高于罩外環(huán)境溫度,即溫控不滿足指標(biāo)要求),因此需要采取空調(diào)控制整流罩內(nèi)的空氣溫度,其制冷量需要大于整流罩內(nèi)的設(shè)備熱耗以及太陽能熱負(fù)荷,此時(shí)傳熱模型如圖1所示。

圖1 整流罩內(nèi)外傳熱模型

整流罩內(nèi)外置換熱量主要由太陽輻射Q1、整流罩內(nèi)外壁面輻射(Q2in、Q2out)以及整流罩壁面和其內(nèi)外空氣對(duì)流換熱(Q3in、Q3out)引起[5-6]?？紤]太陽輻射較強(qiáng)時(shí),整流罩壁面溫度高于罩內(nèi)外空氣溫度有

Q1=Q2in+Q2out+Q3in+Q3out

(1)

假設(shè):整流罩內(nèi)外空氣溫度分別為Tin,air、Tout,air,整流罩內(nèi)外壁面溫度分別為Tin,S、Tout,S;單面整流罩表面積為A(由于整流罩壁厚較薄,其內(nèi)外表面積差異可忽略);紅外吸收率和發(fā)射率為ε;黑體常數(shù)為β;天線罩內(nèi)外的對(duì)流換熱系數(shù)分別為hin和hout。由于整流罩厚度只有1.5 mm,其導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)小于內(nèi)外表面和環(huán)境之間傳熱熱阻,可忽略不計(jì),則整流罩內(nèi)外表面溫度相等,有

(2)

(3)

Q3in=hinA(Tin,S-Tin,air)

(4)

Q3out=houtA(Tout,S-Tout,air)

(5)

Tin,S=Tout,S

(6)

根據(jù)整流罩外形及尺寸,可以確定單面表面積為676.5 m2(忽略和飛艇底部接觸的面)。計(jì)算時(shí),外壁面對(duì)流換熱系數(shù)越低,則天線罩內(nèi)外的換熱量越大。考慮極端惡劣情況,將外部對(duì)流換熱系數(shù)hout取為自然對(duì)流最小值,即5 W·m-2·K-1,內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)hin取值為15 W·m-2·K-1。將外部空氣溫度Tout,air取為設(shè)計(jì)工況下最惡劣工況溫度50 ℃,內(nèi)部空氣溫度Tin,air取為設(shè)計(jì)目標(biāo)溫度50 ℃,太陽吸收率δ取為0.4,發(fā)射率ε取為0.8,黑體常數(shù)β取為5.67×10-8。

基于上述公式,根據(jù)整流罩的結(jié)構(gòu)可以通過計(jì)算得到其受到的太陽輻射的熱量Q1。

由于整流罩在飛艇底部且水平面投影面積遠(yuǎn)小于飛艇水平面投影面積,其太陽能輻射熱不需要考慮垂直面方向的熱量,根據(jù)模型可以計(jì)算出其豎直面的投影面積。

整流罩位于系留氣球底部且水平面投影面積遠(yuǎn)小于氣球水平面投影面積,因此其太陽能輻射熱可忽略垂直面方向熱量,只取其水平方向輻射熱量Qq,則有

Qq=δAqEq

(7)

式中:Aq為整流罩水平方向投影面積;Eq為太陽能水平方向輻射強(qiáng)度。

根據(jù)某系留氣球的實(shí)際使用條件,可得整流罩外的換熱量(Q2in+Q3in)為7.2 kW,合成任務(wù)設(shè)備熱耗,可知整流罩內(nèi)外需交換總熱耗為36.2 kW。

考慮一定設(shè)計(jì)余量和整流罩內(nèi)溫度條件,選擇環(huán)境溫度為50 ℃,配備制冷量為45 kW空調(diào),送風(fēng)溫度為20 ℃,回風(fēng)溫度為40 ℃,風(fēng)量為6 900 m3·h-1,風(fēng)壓為100 Pa,可滿足地面調(diào)試工作模式下設(shè)備正常工作要求。

3.2 低空工作模式

升空高度工作模式同樣需要控制整流罩內(nèi)的溫度滿足指標(biāo)要求。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求,采用空調(diào)冷風(fēng)控制整流罩內(nèi)溫度會(huì)使系留氣球整體重量明顯增大,因此升空工作時(shí)無法采用該方式進(jìn)行控溫。

由于升空工作后整流罩外環(huán)境溫度隨高度升高而較低,根據(jù)溫度指標(biāo)的不同,可采用如下兩種方案來控制整流罩內(nèi)的溫度:

(1)整流罩仍采用封閉式的結(jié)構(gòu),整流罩內(nèi)介質(zhì)和周圍環(huán)境隔絕,工作時(shí)熱量通過整流罩壁面與周圍環(huán)境的直接進(jìn)行熱交換傳遞到環(huán)境中去。

(2)如果整流罩內(nèi)熱負(fù)荷過大,所需傳出的熱量無法通過整流罩壁面直接轉(zhuǎn)移到環(huán)境中去,則還需采用強(qiáng)迫通風(fēng)的方式將冷風(fēng)送入,由其將部分熱量交換到環(huán)境中去。

3.2.1 整流罩壁面?zhèn)鳠岱绞?/p>

采用壁面直接傳熱方式的整流罩結(jié)構(gòu)最為簡單,可靠性高,但傳熱能力有限。為評(píng)估其傳熱的效果,可通過仿真分析其實(shí)際應(yīng)用的可行性。采用FloEFD軟件對(duì)其進(jìn)行熱仿真分析以確定通過整流罩壁面?zhèn)鳠釙r(shí)罩內(nèi)空氣溫度。仿真分析的邊界條件為:罩內(nèi)設(shè)備負(fù)荷為29 kW,在天線陣面均布。到達(dá)工作高度后,整流罩外部環(huán)境溫度32 ℃,整流罩頂部和系留氣球接觸面無傳熱(考慮極端工況認(rèn)為副氣囊和整流罩內(nèi)部空氣溫度相同)。

圖2所示為仿真分析所得整流罩內(nèi)溫度切片云圖。由于整流罩封閉處于保壓狀態(tài),內(nèi)部空氣無外因擾動(dòng)保持靜止,天線設(shè)備發(fā)熱僅依靠傳導(dǎo)與周圍空氣熱交換。仿真分析結(jié)果表明,熱源在天線陣面非均勻分布,導(dǎo)致局部位置空氣的最高溫度可達(dá)80 ℃,而絕大部分內(nèi)部區(qū)域空氣的溫度在60 ℃左右。由此可知,單獨(dú)采用整流罩壁面?zhèn)鳠岱绞綗o法滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,不具可行性。

圖2 壁面?zhèn)鳠嵴髡謨?nèi)部切片溫度云圖

3.2.2 整流罩壁面?zhèn)鳠?強(qiáng)迫通風(fēng)方式

整流罩壁面?zhèn)鳠?強(qiáng)迫通風(fēng)方式利用整流罩壓力調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和閥門,使得整流罩內(nèi)部空氣與外部環(huán)境流通,通過環(huán)境冷風(fēng)帶走熱量與整流罩壁面?zhèn)鳠嵯嘟Y(jié)合的方式完成整流罩的散熱。其與整流罩壁面?zhèn)鳠岱绞街饕獏^(qū)別在于通過向整流罩通入一定量的環(huán)境風(fēng)而降低罩內(nèi)的溫度。

結(jié)合風(fēng)機(jī)的風(fēng)量指標(biāo),在抽風(fēng)風(fēng)量分別為1 000、2 000和2 500 m3·h-1條件下對(duì)整流罩散熱效果進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖3～5所示。當(dāng)抽風(fēng)風(fēng)量為1 000 m3·h-1,整流罩內(nèi)部空氣的溫度大部分區(qū)域都在55 ℃以下(圖3)。當(dāng)風(fēng)量達(dá)到2 000 m3·h-1,整流罩內(nèi)部空氣的溫度大部分區(qū)域都在50 ℃以下,但是仍有部分區(qū)域溫度高達(dá)51 ℃以上(圖4)。當(dāng)風(fēng)量達(dá)到2 500 m3·h-1,整流罩內(nèi)部絕大部分區(qū)域空氣溫度能達(dá)到50 ℃以下(圖5)。

圖3 強(qiáng)迫通風(fēng)方案(1 000 m3·h-1)內(nèi)部切片溫度云圖

圖4 強(qiáng)迫通風(fēng)方案(2 000 m3·h-1)內(nèi)部切片溫度云圖

相較整流罩壁面?zhèn)鳠岫?采用整流罩壁面?zhèn)鳠?強(qiáng)迫通風(fēng)方式能明顯降低整流罩內(nèi)部空氣的溫度,在其他條件相同時(shí)隨著風(fēng)量的增加整流罩內(nèi)部的空氣溫度不斷降低。根據(jù)仿真分析所得結(jié)果整流罩送風(fēng)風(fēng)量可設(shè)置為3 000 m3·h-1?；谏鲜龇治隹芍?采用整流罩壁面?zhèn)鳠?強(qiáng)迫通風(fēng)的方式整流罩內(nèi)空氣的溫度下降非常明顯,滿足整流罩內(nèi)部設(shè)備在不同環(huán)境下工作要求。

3.3 高空工作模式

當(dāng)系留氣球升空至海拔高度6 000 m高空時(shí),整流罩外部環(huán)境溫度約14 ℃,遠(yuǎn)比整流罩內(nèi)部環(huán)境溫度要低,因此可以考慮直接采用壁面?zhèn)鳠岱绞?。為了確定高空壁面?zhèn)鳠嵘岬目尚行?對(duì)其進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可見,整流罩內(nèi)大部分區(qū)域空氣溫度均在50 ℃以下,因此,高空工作模式下直接采用整流罩壁面?zhèn)鳠岱绞郊纯蓾M足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 高空壁面?zhèn)鳠嵴髡謨?nèi)部切片溫度云圖

4 結(jié)論

本文就某型系留氣球在不同工作模式下,如何保證整流罩內(nèi)部環(huán)境溫度滿足任務(wù)設(shè)備需求,采用仿真方法,結(jié)合氣球升空狀態(tài)、外部環(huán)境要求以及系留氣球本身進(jìn)行分析,所得結(jié)論如下:

(1)低空工作模式下,須采用強(qiáng)迫通風(fēng)和整流罩壁面?zhèn)鳠峤Y(jié)合的方式。通風(fēng)量為3 000 m3·h-1可使整流罩內(nèi)部空氣溫度低于50 ℃,滿足整流罩內(nèi)空氣溫度的要求;

(2)高空工作模式下,外部環(huán)境溫度較低,整流罩壁面?zhèn)鳠峒纯墒拐髡謨?nèi)部空氣溫度低于50 ℃,滿足整流罩內(nèi)空氣溫度的要求。