民航應急定位發射機力熱防護設計研究

楊立明 劉亮堂 洪元 周旭 吳文才

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100194；2.中國民航科學技術研究院，北京 102206）

0.引言

應急定位發射機（Emergency Locator Transmitter，簡稱ELT）是一臺可以獨立工作的航空多用途緊急定位發射機，在飛機正常飛行過程中，發射機一直處于待機狀態，不工作。當發生緊急狀況后，發射機通過人為操作觸發或通過沖擊撞擊觸發啟動后，由GPS和BD接收天線接收GPS和BD導航信號，完成導航定位，再通過天線發送121.5MHz、243.0MHz、406.0MHz 3個固定頻率的遇險報警調制信號，將飛機的相關信息和位置信息發送給全球衛星搜救系統，以便開展緊急救援[2-3]。

在近年調查中，發現在大部分事故中ELT未能發揮其應有的作用。回顧過去30年的ICAO事故記錄，在257次事故中，攜帶ELT的案例有173次，而僅其中的39次ELT被成功激活，激活概率僅22.5%。依據調查結果，ELT無法正常工作有3個主要原因：（1）飛機殘骸對ELT天線進行物理遮擋，導致信號無法正常傳播至全球衛星搜救系統；（2）飛機墜毀后機體遭受嚴重損傷或損毀，導致ELT天線損壞，搜救信號無法正常發射；（3）ELT是事故發生后往往處于高溫（火燒）環境中，ELT在高溫中的存活時間少于少于搜救衛星兩次訪問之間的時間間隔，在衛星訪問事故區域前已停止工作。

本文針對ELT產品失效原因，提出了一種具有抗沖擊耐高溫火燒的力熱防護方法，以提高ELT的可靠性和生存概率。

1.結構方案設計

應急定位發射機包含發射/接收天線、發射機、控制面板、電池等系統。考慮到發射機需要承受強沖擊、擠壓等惡劣環境，整體防護結構設計為圓柱形結構以提高結構強度，天線發射區域設計具有耐高溫透波陶瓷天線罩結構。

應急定位發射機結構出于抗沖擊性能的考慮，整體設計為圓柱形結構，如圖1所示。柔性納米纖維隔熱層、石英陶瓷支撐結構、相變防熱層組成設備力熱防護系統。面板結構采用310s耐熱鋼，設備內部結構框架采用力學性能較好，導熱性能較低的聚酰亞胺材料。

圖1 結構組成示意圖

2.力學防護設計

石英陶瓷支撐結構是力熱防護系統的主要組成部分，首先依據內部電路結構尺寸和定位發射機所處力學環境開展石英陶瓷支撐結構厚度設計。

定位發射機需耐受500g（5ms）強沖擊和690kPa靜態擠壓，持續5min，保證內部設備不受損壞[4]。經過迭代設計，石英陶瓷支撐結構壁厚設計15mm，開展力學校核。

2.1 靜態擠壓仿真分析

靜態擠壓可從兩個方向進行分析，如圖2所示，取安全系數1.2～1.35。由于擠壓，結構主要承受壓縮力，陶瓷的壓縮強度σc在180MPa～270MPa之間，拉伸強度σt為15MPa～22MPa，通過計算得到應變應力云圖如圖3所示，陶瓷材料的應力最大值為20.8MPa。根據莫爾強度理論，滿足陶瓷結構強度要求。

圖2 靜力載荷下結構受力示意圖

圖3 陶瓷結構應力云圖

2.2 沖擊仿真分析

設備承受沖擊載荷500g（5ms），沖擊分析重點關注結構強度，對設備沖擊載荷下的應力分析如圖4所示，陶瓷各方向最大應力值如表1所示，陶瓷材料最大Von Mises值為23.0MPa，滿足結構強度要求。

表1 沖擊應力分布表

圖4 沖擊載荷下結構主應力云圖

3.熱防護設計

系統熱防護設計由兩級隔熱層和內部吸熱材料組成，保證在外部承受高溫火燒時，內部可穩定在允許范圍內。

第一級隔熱層，選用柔性納米纖維隔熱膜材料，具有高溫隔熱性能，兼具力學緩沖作用。使用溫度可達1200℃，導熱系數僅0.02W/mk，主要成分是二氧化硅材料。最大程度上隔絕熱量向設備內部傳遞。如圖5所示。

圖5 隔熱材料耐溫與隔熱試驗驗證

第二級隔熱層，選用耐高溫熔融石英陶瓷材料，兼具支撐結構，具有高溫力學性能優異、隔熱性能好、使用溫度高等點。導熱系數1.2W/mk，使用溫度1200℃。

內部吸熱材料選用相變石蠟，填充于防熱層與內部電子設備之間的縫隙中。通過相變潛熱吸收經隔熱層傳入設備內部的熱量，保證內部溫度在允許范圍內。相變石蠟采用微膠囊結構形式，導熱系數0.3W/mk，相變潛熱180J/g～190J/g。

3.1 熱防護設計計算

定位發射機所受極端熱環境需要承受高溫火燒1100℃惡劣環境，最長可持續15min。據此開展熱防護計算[2]。已知陶瓷支撐結構和內部電路結構可計算出內部填充相變石蠟材料不少于0.8kg。假設熱防護內外表面均為平面，外界溫度恒定，傳入內部的熱量均有相變材料吸收。隔熱膜材料、陶瓷石英材料吸熱以及間隙傳熱影響忽略不計。各層壁之間平面接觸良好，因此熱防護滿足多層圓通穩態傳導條件，可建立2層圓通熱分析模型。如圖6所示。

圖6 圓筒熱分析模型

已知相變材料總重量G，得：

圓筒隔熱層熱傳導模型：

式中：

Q―總熱流量，J；

A―外表面積，mm2；

T3―外界溫度，℃；

T1―相變材料相變溫度，℃；

b―高溫防護層材料厚度，mm；

Kb―高溫防護材料導熱系數，W/（m·℃）；

a―隔熱層材料厚度，mm；

Ka―隔熱層材料導熱系數，W/（m·℃）；

τ―工作時間，h；

H―隔熱層高度。

上下各層之間熱防護滿足多層平壁穩態熱傳導條件，可建立一維2層平壁熱分析模型，如圖7所示。

圖7 一維2層傳熱模型

一維平壁熱傳導模型：

式中：

b1―高溫防護層材料厚度，mm；

λ1―高溫防護層材料導熱系數，W/（m·℃）；

b2―隔熱層材料厚度，mm；

λ2―隔熱層材料導熱系數，W/（m·℃）；

T1―外界溫度,℃；

T3―相變材料相變溫度，℃。

由計算可知，第一級隔熱層的厚度為15mm。

3.2 熱仿真分析

考慮高溫火燒的環境條件下，假設天線罩外壁面承受1100℃火焰燒蝕。因此設置隔熱層外表面溫度1100℃，設備初始溫度為50℃。設備耐受時間15min。散熱方式為傳導、對流和輻射。通過15min瞬態熱仿真分析，結果如下。

ELT熱防護層溫度整體溫度分布如圖8所示；ELT隔熱層溫度分布如圖9所示，內壁最高溫度約為71℃，低于微膠囊石蠟的耐受溫度180℃；石蠟防熱模塊的溫度分布如圖10所示；設備內部溫度分布如圖11所示，結構框架與陶瓷接觸位置溫度最高為66.6℃，天線表面溫度約為55℃，基帶板表面溫度約為52℃。滿足設備的工作要求。

圖8 整體溫度分布

圖9 隔熱層溫度梯度分布

圖10 相變石蠟溫度分布

圖11 內部溫度分布

4.產品研制

面板結構選用310S不銹鋼結構，內部支撐結構選用耐高溫陶瓷―熔融石英陶瓷材料，結構設計圓柱形結構，壁厚7mm，具體參數如表2所示。產品實物如圖12所示。

表2 熔融石英陶瓷材料參數

圖12 石英陶瓷天線罩實物圖

隔熱層選用柔性納米纖維隔熱膜材料纏繞，具有高溫隔熱性能，總厚度15mm，最外層采用石英纖維布防護。具體參數如表3所示。

表3 柔性納米纖維隔熱膜材料參數

吸熱層選用防熱層選用有機相變石蠟，通過相變潛熱吸收經隔熱層傳入設備內部的熱量，保持內部溫度溫度在合理范圍內。相變石蠟采用微膠囊相變石蠟，材料參數如表4所示。

表4 石蠟材料參數

最外層設計亞克力裝飾結構，同時對內部隔熱層進行物理防護，產品組裝后實物如圖13所示。

圖13 防護性應急定位發射機實物圖

5.結論

本文建立應急定位發射機力熱防護系統，對內部電子設備進行有效力熱防護，通過仿真分析滿足極端惡劣強沖擊擠壓、高溫火燒等條件。可顯著提高應急定位發射機生存率。