小型無人機吊艙環控系統的研制*

2021-04-13 09:13:40謝明君

電子機械工程 2021年2期

謝明君，王建

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

引言

機載吊艙根據平臺特點和載荷設備熱特性常采用的散熱方式有自通風式散熱[1]、沖壓空氣直接冷卻[2]、逆升壓式空氣循環制冷系統[3–4]和蒸發循環制冷系統[5]。

各軍事強國高度重視軍用無人機的投入及頂層規劃[6]。我國以彩虹、翼龍為代表的小型無人機因其成本低、技術成熟可靠，在偵查、測繪、電子戰等領域有廣闊的市場前景。這些小型無人機的飛行速度一般為180 ～400 km/h，飛行高度上限一般為8 ～12 km，沖壓空氣壓頭較低，溫度也較低，一般采用沖壓空氣直接冷卻的制冷方式。依據載荷冷卻介質的不同，冷卻可進一步劃分為供風冷卻和供液冷卻。沖壓空氣供液冷卻具有散熱效率高、可控性強、擴展性好、載荷排布靈活的優點，可以滿足載荷設備日益增長的集成度和高熱流密度散熱需求，成為當前研究的熱點。

文獻[7]對電子吊艙熱設計及環控系統的研制進行了研究。文獻[8]提出了一種機載緊湊式液冷單元。文獻[9–10]對直升機載電子吊艙環控供液系統及TTC雙渦輪并行制冷吊艙環控系統的性能進行了研究。文獻[11]對逆升壓式環控系統進行了試驗研究。環控系統的研究多集中在高馬赫數條件下逆升壓空氣循環制冷系統的方向上，以優化系統指標、提高性能為目標，在地面時環控系統不具備制冷能力，需要外接冷卻設備。本文介紹了一種環控供液系統，依據系統最小化的設計原則，提出了一種空液換熱子系統結構。該結構提升了環控系統在無人機飛行包線中條件惡劣的范圍內的制冷性能，具有結構緊湊、重量輕、耗電量低的特點，在高空和地面均具備冷卻能力，可在中低速小型無人機平臺上推廣應用。

1 工作原理及系統組成

環控供液系統的核心作用是供液和熱交換。工作原理為：供液泵將膨脹水箱中的高溫冷卻液吸出并加壓送入空液換熱器，與低溫沖壓空氣完成熱交換后溫度降低，將低溫冷卻液送至載荷設備冷板進行設備冷卻，保證載荷設備的工作溫度滿足使用要求，熱交換后冷卻液溫度升高，經過濾器回到膨脹水箱。當無人機高速飛行時，引氣風道捕捉到一定壓頭的低溫沖壓空氣進入空液換熱器，與冷卻液進行熱交換后從排氣風道排出到大氣中。環控系統工作原理如圖1所示，依據功能的不同環控系統可劃分為空液換熱子系統、供液子系統和電控子系統3部分。

圖1 環控系統工作原理

2 環控系統的研制

環控系統的設計與載機的飛行包線密切相關。飛行包線是以飛行速度、高度和過載等作為界限的封閉幾何圖形，其作用是表示飛機的飛行范圍和飛行限制條件。

某環控系統要求制冷量不小于1.5 kW，供液溫度不大于50°C，供液流量不小于6 L/min，冷卻介質為65號冷卻液。載機平臺飛行包線如圖2所示，左邊表示最小速度限制，右邊表示最大速度限制，上面表示飛行高度限制。

圖2 某載機平臺飛行包線

在一定的飛行條件下，沖壓空氣可用流量是有限制的，其動力源是吊艙隨載機飛行通過引氣風道所捕捉到的沖壓空氣壓頭。沖壓空氣溫升由式（1）給出：

式中：?Tr為沖壓空氣溫升，K；M 為馬赫數[12]；Tamb為環境溫度，K。

沖壓空氣總壓由式（2）給出：

式中：?Pr為沖壓空氣壓力升高量，Pa；Pamb為環境大氣壓力，Pa。

環控系統布局如圖3所示。

圖3 某環控系統三維模型圖

2.1 空液換熱子系統

空液換熱子系統包含引氣風道、空液換熱器和排氣風道。假定冷卻液的熱量全部被沖壓空氣帶走，根據能量守恒定律，有：

式中：q 為空氣流量，kg/s；Cp,G為空氣定壓比熱容，J/（kg·K）；TG,in和TG,out分別為空氣進口和出口平均溫度；mL為液體流量，kg/s；Cp,L為液體定壓比熱容，J/（kg·K）；TL,in和TL,out分別為液體進口和出口平均溫度。

為了解決上述問題，以圖2中C 點為設計點，對換熱器進行設計。空液換熱子系統結構如圖4所示，供液溫度滿足要求時，電控活門關閉，沖壓空氣經過單向閥排出艙外；當供液溫度不滿足要求時，電控活門開啟，啟動增壓風扇并調節轉速，沖壓空氣一部分經單向閥排出艙外，一部分經增壓風扇排入艙內。

圖4 空液換熱子系統三維模型圖

空液換熱器采用板翅式結構。板翅式換熱器最早于20世紀30年代由英國馬爾斯頓艾克歇爾瑟公司應用于航空發動機。文獻[14]采用區域離散方法通過迭代對板翅式換熱器換熱特性進行了研究。文獻[15]采用有限元分析方法對順逆流板翅式換熱器的換熱特性進行了分析。文獻[16]參考兩股流換熱器設計計算方法構建了三股流換熱器6個無量綱參數，并以此建立了換熱器通用數學模型。本文采用效率–傳熱單元數法計算換熱量并確定初步結構[17–18]?？找簱Q熱器采用逆叉流結構和鋸齒形翅片，芯體尺寸為284 mm×268 mm×128 mm，空氣腔為單流程，液體腔為兩流程[19]，液側換熱系數大，翅片高度為1.3 mm；空氣側要滿足低流阻、大換熱面積要求，設計翅片高度為11 mm。增壓風扇選用Ebmpapst 6314/2 TDHHP，最大風壓為810 Pa，最大流量為410 m3/h。

采用6SigmaET 13對（3 000 m，175 km/h）空液換熱器在A點進行性能仿真，結果如圖5所示。通過液體進出口溫差計算的換熱量約為1.6 kW。

圖5 空液換熱器仿真結果

引氣風道、三通風道、單向閥門主體部分等采用玻璃纖維復合材料，子系統重量相對常規設計方法降低了16.7%。

2.2 供液子系統

供液子系統主要由供液泵、膨脹罐、過濾器、空液換熱器及若干管路組成。為了滿足無人機飛行姿態對液路密封性能的要求，采用閉式系統，注液壓力為（50±10）kPa。

供液泵采用離心泵，具有結構簡單、運行可靠、抗污染能力強、最高壓力可控的優點。供液泵為冷卻液循環提供所需動力，供液壓力需要克服系統阻力，即在供液流量為6 L/min時，供液泵增壓值≥系統流阻損失。系統流阻損失包含冷卻液流經的各部件內部流道和管路的沿程阻力損失和局部阻力損失。

膨脹水箱的功能為儲存冷卻液、定壓膨脹、對冷卻液因溫度變化而產生的體積變化進行補償以及維持液冷泵入口壓力穩定。膨脹箱內的容積一般為整個循環系統總容積的4%～8%。

膨脹水箱采用活塞結構形式，其工作原理是依靠活塞隔離液體腔和氣體腔，通過氣體的壓縮與膨脹彈簧彈力實現體積補償與自增壓，內部結構如圖6所示。溫度升高時，冷卻液膨脹，壓縮活塞組件，進行體積補償；當溫度降低時，冷卻液收縮，活塞組件在自身彈性作用下開始膨脹，系統內部始終保持不會出現空腔。

圖6 膨脹水箱結構示意圖

過濾器的作用是過濾冷卻液中的雜質，防止環控系統及載荷冷板內流道堵塞。采用過濾精度為40 μm的過濾器，與壓差信號器共同集成在儲液罐上，當過濾器堵塞達到一定程度時，兩端壓差增大，提示清洗或更換。

液冷管路采用特氟龍軟管，內層是PTFE軟管，外層是304不銹鋼編織層。根據管內流速不大于3 m/s的原則，設計管路內徑為（6.8 ± 0.3）mm，外徑為（9.6±0.5）mm，最小彎曲半徑為19 mm。

2.3 電控子系統

電控子系統主要由控制器和電纜組件組成。控制器通過電纜組件與機上電源、機上計算機、溫度傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器、液位傳感器、液冷泵、電控活門和增壓風扇相連。控制器硬件部分由控制板和電源濾波板組成，包含CPU電路、電源轉換電路、電源濾波電路、28 V電壓過欠壓檢測電路、RS422通信電路、溫度檢測電路、液位檢測電路、開關量采集電路、電流檢測電路、壓力采集電路、驅動電路和信息存儲電路。軟件包含8個基本功能部件：系統初始化、上電自檢、數據采集、周期巡檢、故障處理、負載驅動、機上計算機通信和數據存儲。電控子系統主要功能如圖7所示。