發(fā)布時間：2020-07-24所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 飛機綜合熱管理技術作為飛機能量管理系統(tǒng)的主要功能之一，機載電子設備熱載荷增加，可用熱沉有限，需要綜合考慮飛機各部分制冷量需求，從熱量的產(chǎn)生、傳輸、熱沉等方面考慮，統(tǒng)一配置和管理，提高熱量管理的效率。熱管理系統(tǒng)試飛是在真實復雜環(huán)境下，考核座
飛機綜合熱管理技術作為飛機能量管理系統(tǒng)的主要功能之一，機載電子設備熱載荷增加，可用熱沉有限，需要綜合考慮飛機各部分制冷量需求，從熱量的產(chǎn)生、傳輸、熱沉等方面考慮，統(tǒng)一配置和管理，提高熱量管理的效率。熱管理系統(tǒng)試飛是在真實復雜環(huán)境下，考核座艙制冷、電子設備冷卻、流量分配、燃油溫度管理、故障預警和重構等一系列能力，并通過系統(tǒng)動態(tài)仿真，提高試飛效率，縮短試飛周期。
隨著先進技術的應用，導致了飛機熱載荷大幅增加，未來飛機熱載荷的主要來源包括①對于常規(guī)布局飛機，發(fā)動機性能穩(wěn)步提升，帶來飛機整機機動性能提高，長時間超音速，大機動飛行，熱載荷大幅增多;②任務系統(tǒng)升級，雷達、電子戰(zhàn)等大功率密度電子設備使熱載荷增加;③高高度高超音速飛行器飛行過程中，因氣動加熱，飛機蒙皮溫度在 100℃ 以上，熱量向外傳遞更加困難;④為充分利用能源，未來會使用更多的電氣設備，傳統(tǒng)的液壓驅動部件會被電驅動組件代替，對熱管理系統(tǒng)提出了更嚴酷的考驗;⑤未來高能激光等定向能量武器配置將在短時間內產(chǎn)生大量能量。
然而未來飛機的可用熱沉有限，主要在以下方面①為了獲得更輕的整機重量、更好的隱身性能，大量采用復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料，同時減少了機外散熱口來提升隱身性能，增加了熱量向機外傳遞的難度;②機上電子設備種類增加，占用了更多的油箱空間，攜帶燃油量不升反降，熱沉維持原狀或減少;③隨著飛行持續(xù)，燃油溫度升高，質量減少，熱沉的減少對系統(tǒng)優(yōu)化提出更高的要求。
由此可見，未來飛機急需對熱沉進行綜合管理，提高能量的利用率。為了應對挑戰(zhàn)，需要從更加宏觀的高度去應對熱管理問題，大批新技術目前已得到應用，主要用到的技術有綜合機電管理技術、綜合能量管理技術、開式空氣循環(huán)制冷技術、閉式液體冷卻技術、蒸發(fā)循環(huán)制冷技術，機載燃油的管理和綜合利用技術等。
國內外綜合熱管理技術的發(fā)展
國外十分重視環(huán)控與熱管理技術的發(fā)展，目前國內外廣泛使用的高壓除水升壓式空氣循環(huán)空氣系統(tǒng)，在 50 年代已能看到相關研究報告，至 70 年代中后期在飛機上得到廣泛應用，高壓除水空氣循環(huán)方式可明顯降低座艙和電子設備艙冷卻通風空氣的含濕量，并能達到很好的制冷效果，目前西方國家和俄羅斯廣泛采用這種升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。
在 70 年代末期，隨著機載電子設備功率密度的增加，已經(jīng)出現(xiàn)空氣循環(huán)和蒸發(fā)循環(huán)液冷混合的環(huán)境控制與熱管理系統(tǒng)的研究報告，隨著蒸發(fā)循環(huán)組件制造技術的完善，蒸發(fā)循環(huán)在飛機上的應用已經(jīng)成熟，這樣可以充分發(fā)揮液體冷卻功率大，冷卻效果穩(wěn)定的優(yōu)勢。
在 80 年代末，已經(jīng)有綜合熱管理相關的研究報告，強調飛機熱管理系統(tǒng)的研究應與飛機其他系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)綜合考慮。例如，比較典型的例子是美國第四代戰(zhàn)斗機 F - 22，采用綜合控制的環(huán)控與熱管理系統(tǒng)，以燃油和沖壓空氣作為熱沉，采用閉式蒸發(fā)循環(huán)液冷裝置，其熱量傳遞過程如圖 1 所示。
上 個 世 紀 90 年 代 就 開 始 了 一 系 列 分 系 統(tǒng) 綜 合 技 術(SUIT)，其核心是熱 / 能量管理組件(T/EMM)技術，主要包括“‘熱油箱’燃油熱管理系統(tǒng)計劃”，“多電飛機(MEA)計劃”，“分系統(tǒng)綜合技術驗證(J/IST)計劃”等。2008 年美國空軍研究實驗室(AFEL)為解決現(xiàn)有熱管理技術無法滿足飛機本身和高能武器上機問題，啟動了“綜合飛行器能量技術(INVRENT)”計劃，并向工業(yè)界招標書中提出“能量優(yōu)化飛機(EOA)”計劃，如圖 2 所示為“綜合飛行器能量技術(INVRENT)”計劃作為“能量優(yōu)化飛機”的核心，該計劃分三個階段。第一階段關注近期技術，解決 F - 35 飛機熱管理問題;第二階段，關注中期技術，以滿足下一代能量優(yōu)化飛機需求;第三階段關注遠期技術，主要面向高超聲速平臺、超聲速遠程攻擊系統(tǒng)等。國外戰(zhàn)斗機環(huán)控與熱管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢見表 1 所示。
熱管理核心關鍵技術及未來趨勢
蒸發(fā)循環(huán)制冷技術
在早期航空工業(yè)發(fā)展中，蒸發(fā)循環(huán)制冷技術存在重量大、體積大、可靠性差的問題，但有著制冷效能高的優(yōu)點，隨著技術進步，逐步解決了制冷劑泄漏、維修性等問題，在直升機和固定翼飛機上開始迅速廣泛應用。機載設備功耗急劇提高，燃油熱沉有限，蒸發(fā)循環(huán)能能夠為電子設備提供穩(wěn)定的工作的環(huán)境，在近幾年的預研項目中投入大量的人力和物力。
在直升機發(fā)展的初期，座艙環(huán)控系統(tǒng)只提供加溫、通風和除霧功能，不具備座艙制冷的功能，為滿足飛機在高場溫和高濕熱環(huán)境下，能夠為機組提供適宜的周圍溫度，上世紀 60 年代，國外飛機開始提出為直升機配置空調制冷或空氣循環(huán)制冷的方案，受直升機發(fā)動機提取功率限制，空氣循環(huán)制冷效果有限，隨著 70 年代，蒸發(fā)循環(huán)技術突破，美國從給電子吊艙配置蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的獲得經(jīng)驗，成功為“黑鷹”VH - 60N、“阿帕奇”AH - 64 等直升飛機座艙配置了蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)。
在戰(zhàn)斗機上采用蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的典型案例是 美 國 F - 22 隱 身 戰(zhàn) 斗 機， 由 于 相 較 上 一 代 戰(zhàn) 斗 機 10kW ～ 18kW 制冷量需求，F(xiàn) - 22 戰(zhàn)斗機的電子設備和座艙制冷量需求在 60kW 左右，熱負荷急劇增加，采用空氣循環(huán)制冷和蒸發(fā)循環(huán)液冷相結合的方案很好的解決座艙和電子設備的冷卻需求，F(xiàn) - 22 飛機蒸發(fā)循環(huán)液冷系統(tǒng)主要負責約 50kw 的雷達、電子戰(zhàn)等大功率密度電子設備，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)主要負責低功率密度電子設備和座艙溫度控制，并向生命保障系統(tǒng)提供溫度濕度相對合適的輸入氣。F - 22 飛機上第一次實現(xiàn)一體化的綜合能量管理，充分利用燃油作為熱沉，環(huán)境控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、故障診斷，告警等功能。
F - 22 飛機環(huán)控與熱管理系統(tǒng)控制示意圖如圖 3 所示，蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥組成，冷 PAO 循環(huán)子路與雷達、電子戰(zhàn)設備相連，將吸收的熱量傳遞給蒸發(fā)循環(huán)，熱 PAO 循環(huán)子路與氣 / 液、燃油 / 液散熱器向交聯(lián)，進行熱量傳遞。
未來隨著下一代飛機激光等高能發(fā)熱設備和長航程飛機任務需求，飛機對蒸發(fā)循環(huán)制冷量會提出更高功率、更高效率和適應性更強的制冷要求。
熱管理未來技術發(fā)展趨勢
從局部熱控到全機綜合熱管理
未來新一代作戰(zhàn)飛機熱環(huán)境會更加惡劣，熱載荷增幅明顯、超音速飛行、隱身等因素，限制沖壓空氣冷卻的使用;高速飛行器復合蒙皮材料限制了機內熱量向外界大氣輻射散熱。因此，飛行器需要具有更強、更智能的熱管理能力，需要發(fā)展數(shù)字控制綜合熱管理技術。
從狀態(tài)監(jiān)控到故障預測與健康管理
通過對環(huán)控與熱管理系統(tǒng)工作原理、故障機理、故障模式等諸多因素進行分析，運用綜合測試評估、仿真驗證等技術，提升環(huán)控與熱管理系統(tǒng)在故障預測、容錯重構、降級處理、自修復等方面的能力，實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)故障預測與健康管理，使熱管理系統(tǒng)具備對自主維護保障的支持能力，降低使用成本，提高使用完好率。
從多能源到單能源
目前飛機能量分配中，非推進能源主要有 3 種形式：氣壓能、液壓能和電能。傳統(tǒng)飛機能源體制存在二次能源類型多，轉換效率低，發(fā)動機功率提取大，系統(tǒng)可靠性和維護性差等缺點，缺乏從飛機整機進行優(yōu)化配置的能力。多電 / 全電技術是用電能取代其他二次能源，實現(xiàn)飛機上二次能源從多種形式向單一形式的轉變。環(huán)控與熱管理系統(tǒng)也需要適應這種轉變，在變化中穩(wěn)步提高效率。
從低比熱到高比熱的熱沉
針對下一代飛機高隱身、高馬赫數(shù)飛行器機內熱量不平衡現(xiàn)象，急需研制更高比熱的熱沉，滿足在相同溫升條件下，吸收更多的熱量。
試飛試驗方法探究
飛機綜合熱管理系統(tǒng)試飛試驗主要考核飛機在適宜溫度和邊界溫度(高溫、低溫、高溫高濕)等環(huán)境下座艙溫度控制能力、電子設備艙溫度控制能力和熱管理系統(tǒng)管理能力。隨著熱管理系統(tǒng)復雜化和智能化提高，對驗證試飛提出了更高的要求。
新的關鍵測量技術應用
座艙熱載荷測量主要測量座艙溫度場、流場、濕度場，給出座艙溫度場分布;同時采用柔性材料心電心率遙測設備監(jiān)測飛行員生理狀態(tài)。周圍溫度場測量采用艙內固定溫度采集、飛行員人體周圍溫度測量(含肩部、頭頂、胸部、腿部和腳部)、柔性體表溫度測量、熱場強儀測量。
為更深入研究熱量傳遞過程，需要在氣冷、液冷、蒸發(fā)、燃油、液壓和滑油組件上加裝管路或環(huán)境溫度、壓力、流量、濕度傳感器，針對液冷管路采用渦輪流量計、壓差法測量測量流量。
熱管理的常規(guī)試飛考核
座艙熱管理試飛考核科目有座艙地面瞬態(tài)加溫能力、地面穩(wěn)態(tài)加溫能力、地面瞬態(tài)制冷能力和地面穩(wěn)態(tài)制冷能力。飛行中考核座艙加溫能力、座艙制冷能力、座艙溫控能力以及座艙除霧能力。主要研究座艙溫度控制，流量控制，流量分配等性能。
電子設備熱管理試飛考核科目氣冷電子設備試飛和液冷電子設備試飛，主要考核飛機機體和任務系統(tǒng)在不同狀態(tài)、熱管理系統(tǒng)對氣冷電子設備持續(xù)供氣能力，以及對液冷電子設備冷卻能力。研究氣冷設備艙空氣流量分配，液冷供液分配，制冷量分配，供液溫度控制，燃油溫度變化趨勢控制，沖壓氣液散熱器、空氣 / 燃油散熱器性能考核。
熱管理系統(tǒng)控制能力試飛主要考核①熱管理系統(tǒng)對壓力、溫度、流量，超溫信號、故障告警等狀態(tài)的監(jiān)測;②故障狀態(tài)重構，降級狀態(tài)下仍然能夠滿足熱量傳遞;③故障自動定位，評估，預測。
熱管理系統(tǒng)極限性能考核
高溫試驗考核內容包括熱管理組件高溫適應性、座艙制冷性能、最大制冷性能、飛行中隨著燃油熱沉減少對系統(tǒng)影響規(guī)律和電子設備艙溫度控制等。
低溫試驗考核內容包括熱管理組件高溫適應性、液體管路密封性能、座艙加溫性能(多云、晝夜間等多種組合)、液冷適應性試驗、燃油系統(tǒng)試驗。
高溫高濕試驗考核內容包括座艙制冷試驗、除霧性能考核。
熱管理系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化仿真熱管理系統(tǒng)仿真就是采用數(shù)字化的方法建立分系統(tǒng)和各組件的動態(tài)模型，在仿真過程中，輸入各部件參數(shù)，并結合大量的試驗數(shù)據(jù)對部件參數(shù)進行優(yōu)化，提高模型的準確性。
仿真計算可以在執(zhí)行試飛任務前對熱管理系統(tǒng)關鍵指標動態(tài)變化進行預測，而且能為因天氣等因素未飛到的邊界狀態(tài)提供評估。仿真計算能夠充分暴露設計缺陷，具有縮短研制和試飛周期，提高試飛效率，節(jié)約試飛成本等重要意義。
結束語
飛機性能整機提高，大功率電子設備裝機等因素使得飛機熱載荷大幅增加，而復合材料的大量應用、燃油熱沉有限等因素使未來飛機更加注重熱量管理，熱管理技術從局部熱量控制到全機綜合熱管理，從簡單狀態(tài)控制到智能健康控制，單一能源利用使能源利用率提高等等都需要在進一步突破。試飛內容也在隨著熱管理變化而發(fā)生轉變，從以前只考慮簡單座艙制冷、供液溫度變化到現(xiàn)在全機熱管理能量分配考核，更加注重極限狀態(tài)考核和動態(tài)模型仿真，提高試飛效率。——論文作者：曹煜國 周 偉 王 鵬
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