電子吊艙溫度環境測試分析

包勝，胡博，褚鑫，王超，尹本浩

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036）

電子吊艙具有獨立性強、可擴展性好的優點，是進一步提升戰斗機作戰能力的主要方式之一。目前，各種類型電子吊艙（如電子偵察吊艙、激光吊艙、紅外吊艙和雷達吊艙等）已廣泛應用于載機平臺[1]。當載機在大氣中飛行時，氣動加熱效應使吊艙表面的附面層溫度升高，飛行速度越高，氣動加熱越明顯。吊艙表面溫度急劇升高，給艙內電子設備的散熱帶來風險。近20年來，眾多研究團隊開展了一系列專用于電子吊艙的環境控制系統相關研究[2-9]，提出沖壓空氣直接冷卻供液系統、蒸發循環制冷系統、逆升壓空氣循環制冷供液系統及改進或組合型的混合制冷系統，解決了大量工程實際應用難題。

隨著吊艙內電子設備的集成度越來越高，其熱耗也顯著提升，電子吊艙熱環境設計與分析顯得越來越重要。如某吊艙紅外測量窗口的溫度直接影響目標成像特性，需要實時測量檢測窗的溫度變化，利用該測量數據以及溫度與成像特性的相關性來消除熱噪聲的干擾，以便更準確地得到目標特性[10]。

為降低航空電子平臺環境控制系統的設計、試驗、使用的風險，多種仿真工具在環境控制系統仿真上的應用越來越多[11]，主要有 Dymola、SIMUL8、BuildSim、SimCreator等，其中 MATLAB/Simulink和 EASY5在航空平臺環境控制系統仿真上應用較多。國外從20世紀60—70年代開始，已經陸續開展了航空電子平臺的動態熱管理模型的建模工作[12]。國內從20世紀90年代至今，這方面的研究呈加速趨勢[13-22]。

綜上所述，受限于試驗條件及高昂的試驗成本，鮮有詳細報道航空電子平臺艙內溫度環境相關實測結果。文中以實際測試結果為研究對象，分析了不同飛行條件下電子吊艙艙內的溫度環境特性，尤其對艙內溫度環境的動態響應展開了詳細的分析，供相關研究人員在開展相關系統設計、仿真時參考。

1 測試系統介紹

1.1 測試原理

電子吊艙艙內溫度環境實測原理如圖1所示。電源分機負責為數據采集與記錄設備供電，數據采集與記錄設備負責采集并記錄各傳感器的測量結果，所有數據均實時存儲。載機起飛前，系統需在地面進行GPS授時，保證吊艙內所有測試環境參數具有同一GPS時鐘。如多個電子吊艙同時測量，需分別對各個測量和記錄設備進行 GPS授時，保證不同吊艙所測環境參數具有統一的GPS時間信號。

圖1 電子吊艙艙內溫度環境實測原理Fig.1 Schematic diagram of measurement of ambient temperature inside electronic pod

為確保測量得到的環境數據可用，還應同步獲取載機的飛行狀態參數。需獲取的參數主要包括：含GPS時鐘的氣壓高度、馬赫數（Ma）、指示空速、真攻角、大氣總溫、大氣壓力等。使測量得到的吊艙環境數據與飛行狀態數據同步，即飛參記錄儀和環境數據測量與記錄設備采用同一GPS時鐘進行時間記錄，從而實現飛參數據和吊艙環境測量數據的時標統一。

1.2 測點分布

為全面評估吊艙艙內溫度環境條件，吊艙內溫度環境測量的測點分布如圖2所示。共有5個溫度測量點，依次位于前端天線罩內壁、前端天線罩空氣、艙段內壁、后端天線罩空氣、后端天線罩內壁。吊艙艙體為薄壁框架結構，壁厚3 mm。除天線罩采用無堿布材料外，主體材質均為鋁材。

圖2 電子吊艙艙內溫度環境測量的測點分布Fig.2 Distribution of ambient temperature measurement points inside electronic pod

2 測試結果及分析

為便于數據分析，盡量選取穩定的飛行工況進行分析。同時為對比氣候對吊艙內部溫度環境的影響，分別選取不同季節的測試結果開展分析研究。

2.1 冬季工況

某年冬季某日，地面溫度為 4 ℃，地面壓力為99.1 kPa（絕對壓力），飛行參數如圖3所示。載機在同一飛行高度（約 3000 m）持續飛行，期間經歷一次加速、一次減速。為便于進行數據分析，依次將穩定飛行工況段定義為工況 1、工況 2、工況 3，各工況穩定持續時間依次約為610、540、1430 s，每個工況之間為過渡段。

圖3 某冬季工況飛行參數Fig.3 Parameters of flight condition in winter: a) height; b)mach number

該冬季工況飛行架次中，吊艙內部環境溫度實測結果如圖4所示。由圖4可知，隨飛行工況變化，大氣總溫同步實時變化，受熱慣性影響，吊艙內部溫度變化相對滯后。在工況1、工況2中，飛行工況穩定時間較短時，吊艙內部環境溫度不能達到平衡狀態，但溫度變化梯度隨穩定時間增長而變小。在工況 3中，飛行工況穩定時間超過1200 s時，吊艙內部環境溫度趨于穩定，各檢測點溫度穩定值均與大氣總溫相近，差別小于3 ℃。對比分析吊艙內部不同位置的溫度響應特性，隨飛行工況變化，溫度變化由快到慢的位置依次為艙段內壁、前端天線罩內壁/后端天線罩內壁、后端天線罩空氣/前端天線罩空氣。其主要原因在于艙體壁面為鋁材，天線罩為非金屬材料，鋁材導熱率遠高于天線罩材料，而空氣導熱率最低。

圖4 某冬季工況吊艙內部溫度環境測試結果Fig.4 Temperature measurement results inside electronic pod in winter

2.2 夏季工況

某年夏季某日，地面溫度為 31.5 ℃，地面壓力為96.4 kPa（絕對壓力），飛行參數如圖5所示。載機在同一飛行高度（約 5000 m）持續飛行，期間經歷2次減速。為便于進行數據分析，依次將穩定飛行工況段定義為工況 4、工況 5、工況 6，各工況穩定持續時間依次約為 500、450、480 s，每個工況之間為過渡段。

圖5 某夏季工況飛行參數Fig.5 Parameters of flight condition in summer: a) height; b)mach number

該夏季工況飛行架次中，吊艙內部環境溫度實測結果如圖6所示。由圖6可知，隨飛行工況變化，大氣總溫同步實時變化，受熱慣性影響，吊艙內部溫度變化相對滯后。在工況4、工況5、工況6中，飛行工況穩定時間較短（≤500 s），吊艙內部環境溫度不能達到平衡狀態，但溫度變化梯度隨穩定時間增長而變小。對比分析吊艙內部不同位置的溫度響應特性，隨飛行工況變化，溫度變化由快到慢的位置依次為艙段內壁、前端天線罩內壁/后端天線罩內壁、后端天線罩空氣/前端天線罩空氣。

圖6 某夏季工況吊艙內部溫度環境測試結果Fig.6 Temperature measurement results inside electronic pod in summer

2.3 數據統計分析

不同季節工況的測試結果匯總見表1，每個工況飛行時間均不少于20 min，吊艙內部僅參數采集設備處于加電狀態。其中，地面氣溫取值為載機起飛前的地面大氣溫度，當地大氣總溫為載機平臺測試結果。因飛行速度在一定范圍內變化，某些工況的當地大氣總溫也在一定范圍。當地大氣靜溫是根據當地大氣總溫實測結果換算得出，艙內環境溫度指電子吊艙內部環境溫度，表中數據取值為艙內空氣溫度測試結果，具體為測點2、測點4的測試結果。分析表1可知，在不同飛行工況下，穩定飛行時，艙內溫度高于當地大氣靜溫，這一結論在不同飛行高度、不同季節均成立。以高空飛行工況為例，當地大氣靜溫為-50~-60 ℃，但由于艙體蒙皮受氣動加熱影響，艙內環境溫度仍然維持在-40 ℃以上。

表1 不同季節工況的測試結果匯總Tab.1 Summary of test results in different seasons

3 結論

1）隨飛行工況變化，吊艙內部溫度環境的變化相對滯后，其響應速度與材料導熱能力正相關。當飛行工況穩定時，某電子吊艙內部溫度環境的穩定時間約為1200 s，穩定值與當地大氣總溫的差別小于3 ℃。

2）在不同飛行工況下穩定飛行時，艙內溫度高于當地大氣靜溫。以高空飛行工況為例，當地大氣靜溫為-50~-60 ℃，但由于艙體蒙皮受氣動加熱影響，艙內環境溫度仍然維持在-40 ℃以上。