現代飛行器高效換熱技術研究及應用

李愛成 王玉兵 左彥聲

1.中航工業南京機電液壓工程研究中心；2.航空機電系統綜合航空科技重點實驗室。

隨著先進飛機技術的不斷發展，大量裝備先進電子設備已經成為必然趨勢。如何利用高效換熱手段，提高機載設備的換熱能力與效率，滿足電子設備越來越高的熱載荷管理需求，已經成為航空裝備發展的研究重點之一。本文論述的國外現代飛行器高效換熱技術原理及應用情況，為我國未來先進飛機電子設備的冷卻及熱/能量管理提供借鑒與參考。

隨著先進飛機技術的不斷發展，在具有超音速巡航、隱身能力的飛機上大量加裝雷達、定向能武器為代表的先進電子設備，提高飛機的生存能力及戰斗能力，已經成為發展必然趨勢。大量裝備的先進電子設備對工作環境的要求越來越高，造成已掌握的冷卻手段不能滿足電子設備的冷卻需求。如何利用高效換熱手段，提高機載設備的換熱能力與效率，滿足電子設備越來越高的熱載荷管理需求，保證其安全、可靠、高效工作，已經成為先進飛機能否加裝先進電子設備的前提條件。

蒸發循環制冷技術

蒸發循環系統由蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥等組成，其核心為電動壓縮機。蒸發循環系統是一種閉環系統，工作原理如圖1 所示，與熱泵相似，把熱量從低溫介質取出并把它排到較高溫度的介質中去。其中熱載荷由蒸發器中的液體制冷劑（如“氟利昂”）的汽化而被吸收，然后制冷劑經過電動壓縮機相應地提高壓力和溫度，繼而在冷凝器中冷卻，將熱量排放至熱沉，最后制冷劑經膨脹閥膨脹降溫后流回蒸發器。

蒸發循環制冷系統制冷能力范圍3～70kw，其以燃油作為系統熱沉時，與外界大氣環境的關系較小，基本上不受飛機飛行高度和速度影響，并且其具有不需從發動機引氣，系統能效比高，飛機燃油代償損失小，能夠滿足大功率、高熱流密度電子設備的低溫冷卻需求，并且具有系統運轉費用低等明顯的優勢。由于以上特點，蒸發循環制冷系統是目前先進飛機熱載荷管理的重點研究系統之一。

20 世紀后期，蒸發循環制冷系統逐步在民用客機、直升機、戰斗機上開始廣泛使用。典型事例：波音公司研制的B787 雙發動機寬體民用客機采用了蒸發循環輔助制冷系統；美國西科斯基飛機公司研制的S-92 通用型/軍用型直升機，法國、德國、意大利和荷蘭四國聯合研制的NH-90 多用途直升機，均采用了蒸發循環制冷系統；美國F-22“猛禽”戰斗機，使用了以蒸發循環制冷系統為核心的綜合環境控制/熱管理系統。

噴霧冷卻制冷技術

噴霧冷卻系統由噴霧冷卻室、霧化噴嘴、泵、冷凝器等組成。其工作原理如圖2 所示，通過霧化噴嘴借助高壓氣體（空氣助力霧化噴射）或是依賴本身的壓力（壓力霧化噴射），使液態制冷工質霧化成約20～100μm 的小顆粒，強制噴射到被冷卻發熱單元表面，實現對其有效冷卻。

以水、甲醇、氨為冷卻工質時，噴霧冷卻的對應臨界熱流密度可達1000W/cm2、490W/cm2、500W/cm2。噴霧冷卻具有換熱系數大、過熱度小、臨界熱流密度高和低冷卻液流量等特點，能在很小過熱度的條件下產生極高的熱流密度。由于噴霧冷卻的特點，這項技術可以用來解決設備散熱載荷大、能耗高以及溫度控制精度不夠問題。

20 世紀70年代初期，最先利用氣液兩相流體混合形成霧狀射流噴射到金屬切削加工的加工區，通過微小液滴的相變換熱達到冷卻加工工件的效果。而隨著航空電子裝備武器技術的迅速發展，尤其是定向能激光武器的發展，噴霧冷卻作為一種解決高功率定向能武器散熱問題的技術得到了越來越多的關注。

圖1 蒸發循環制冷系統工作原理圖

圖2 噴霧冷卻系統工作原理圖

環路熱管制冷技術

環路熱管（Loop Heat Pipe）是一種高效的相變傳熱裝置，它由蒸發器、儲液罐、冷凝器、蒸汽管線、液體管線等組成。其工作原理如圖3 所示。環路熱管蒸發器從外部吸熱，使浸入毛細芯的制冷液體相變蒸發，提高蒸汽壓力，導致沿管長方向出現壓力差，這樣蒸汽就會流向壓力和溫度較低的冷凝器，在冷凝器中與外界環境交換放熱，重新凝結為液體。由于蒸發器的液體飽和度減小，依靠毛細芯的毛細作用，產生了液體自補償，將冷凝的工作液抽吸或由重力回流到加熱區，又再次蒸發，從而在環路熱管中形成蒸發-凝結-液體回流的自動循環系統。

環路熱管是采用毛細力驅動工質循環的回路型兩相傳熱設備，其傳熱量范圍由幾十瓦至千瓦。環路熱管系統具備傳輸距離遠（可達10m）、可反重力工作、自主啟動和自適應控溫，同時，由于不含任何機械運動部件，系統的可靠性高等特點。

從上世紀80年代至今，歐美等航空大國相繼開始環路熱管技術在航空領域的應用研究。典型示例：俄羅斯開展了采用環路熱管技術解決商用飛機飛行娛樂系統極小空間熱管理問題；美國陸續開展了采用環路熱管技術解決戰斗機電子光學設備局部散熱問題、解決電子舵機散熱問題、解決飛機局部位置防/除冰需求問題等方面的應用研究。

圖3 環路熱管示意圖

相變儲熱技術

相變儲熱技術不但可以利用儲熱材料巨大相變潛熱吸收熱載荷，為設備提供冷卻，還能利用儲熱材料的等溫相變儲熱能力緩解熱載荷釋放壓力，延長熱載荷釋放時間，保證熱載荷能夠得到合理、有效地利用。

相變儲熱技術是航空、航天及工業熱載荷存儲及運用的研究熱點，其在航天器太陽能利用、工業余熱回收和電力削峰填谷等領域已經推廣使用。目前美國正在研究的機載定向能武器散熱系統方案之一就是利用相變材料儲熱技術為噴霧冷卻系統提供冷源，其原理如圖4 所示。

圖4 蒸發冷卻與相變儲熱技術綜合的系統構思圖

朗肯循環技術

朗肯循環系統主要由蒸發器、冷凝器、循環泵、膨脹渦輪-電機等組成。其系統工作原理如圖5 所示，制冷介質通過循環泵增壓，變成高壓液體進入蒸發器，在蒸發器中吸收廢熱工質熱量發生相變，變為高壓氣體，然后進入膨脹發電機進行膨脹做功，利用產生的膨脹功推動發電機發電，而高壓氣體經過膨脹發電機膨脹降溫后，轉化為低壓氣體進入冷凝器，與冷凝器中冷卻工質進行熱量交換，轉化為低壓液體，最后低壓液體再次通過循環泵進行增壓。

朗肯循環系統利用制冷工質相變吸收熱源熱量，將其轉化為可用的軸功，驅動機電發電，不僅可以降低發熱熱源的熱載荷總量，還可以提供有效可用能源。由于這一特點，這項技術成為廢棄熱量回收利用的重點研究方向之一。

20 世紀60年代，國外就提出了應用有機朗肯循環回收低品位的熱能的設想，以氟利昂為工質回收低品位熱能的有機朗肯循環引起了廣泛關注。目前，朗肯循環系統發電技術已經廣泛用于工業廢熱回收、太陽能發電、地熱發電、生物質能發電等方面。而隨著在航空、航天技術的發展，為了降低飛行器整體熱載荷總量，增加飛行器可用能源總量，國外越來越重視利用朗肯循環回收飛行器廢熱的研究。典型示例：美國先后開展了將有機朗肯循環應用于噴氣式發動機廢熱回收、應用于航天電源和推進系統、應用于空氣渦輪發動機發電等研究，并且，霍尼韋爾公司獲得空氣渦輪發動機利用閉式朗肯循環發電研究專利授權。

圖5 朗肯循環系統原理圖

總結與展望

通過以上內容可以看出，國外現代飛行器高效換熱技術的研究及應用有以下幾個方向：1）大功率高效換熱方向,主要利用蒸發循環結合液體冷卻手段滿足大功率雷達等電子設備散熱需求；2）高熱流密度換熱方向，主要利用噴霧冷卻、相變儲熱材料等手段滿足定向能武器等瞬時殺傷性武器散熱需求；3）局部小功率熱載荷管理方向，主要利用環路熱管等手段滿足小空間、小功率電子設備的熱載荷管理需求；4）廢熱載荷回收利用方向，主要利用朗肯循環技術、環路熱管技術滿足機載設備廢熱載荷回收利用需求。

當今世界各航空大國都提出了下一代飛機研究需求，其更加強調機動能力和超音速巡航能力，更加重視隱身性能及長航時能力，這必然造成先進機載設備散熱問題更加突出，造成機載能源增加及利用效率提高的需求更加突出。文章通過論述國外現代飛行器高效換熱技術研究及應用情況，為我國未來先進飛機電子設備的冷卻及熱能量管理提供借鑒與參考。