試驗機改裝中的電子設備冷卻技術研究*

賈麗姣，胡國星

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 引 言

雷達等機載電子設備工作時80% 左右的輸入功率都轉變成了熱量，如果這些熱量不能及時散發出去,將直接影響電子設備的可靠性,甚至引起電子設備的損毀[1-2]。根據統計，電子設備的工作溫度每降低10℃，其工作可靠性可增加一倍，這正是飛機環控系統把為電子設備冷卻作為其重要功能的原因[3]。

近年來，我國航空、航天工業快速發展,各型號工程配套的雷達等電子設備紛紛提出了飛行試驗需求。隨著技術指標和性能的不斷升級，機載電子設備的功率也在不斷增大，同時封裝體積逐漸縮小，導致電子設備的熱流密度急劇上升。在試驗機改裝工程中，機載電子設備往往需要載機提供冷卻散熱，根據電子設備的冷卻要求和載機平臺的資源條件研制配套的冷卻系統，確保被試系統電子設備穩定可靠工作，成為此類試驗機改裝的關鍵技術之一[4-5]。

為滿足飛行試驗中不同電子設備的冷卻需求，筆者通過對機載電子設備冷卻要求及載機環境進行分析，針對不同電子設備的散熱需求提供了相應的冷卻方式及改裝方案，從而實現設備換熱，確保了機載設備工作的可靠性。

1 機載電子設備的冷卻要求

1.1 機載電子設備冷卻方式的選擇

機載電子設備既要承受地面熱帶高溫，又要經歷高空低溫低氣壓環境，高速飛機的蒙皮還要承受沖壓空氣的高溫作用。熱沉的形式可以包括壓縮空氣、沖壓空氣、燃料、消耗性蒸發冷卻劑及制冷裝置等。飛機在高空時，自然對流在負壓艙內的冷卻效果很小，而且機載電子設備安裝密集，支承結構少，由于要求重量輕，限制了把結構支撐件作為導熱構件的價值[6]。電子設備元器件發出的熱量通過傳導作用傳遞給設備表面，設備表面通過自然冷卻、強迫風冷和強迫液冷等方式實現冷卻散熱。

一般小功率電子設備最好采用不使用外部動力(如風機、泵和壓縮空氣)的自然冷卻方式。自然冷卻通過傳導、對流和輻射的單獨作用或組合作用傳熱，機載設備主要通過金屬導熱將內部元器件發出的熱量傳給機殼，機殼通過傳導和對流傳給設備安裝結構和周圍空氣。機殼表面的最大熱流密度值不超過0.039 W/cm2，可通過自然冷卻方式實現散熱。

當電子設備的熱流密度超過0.08 W/cm2，體積功率密度超過0.18 W/cm3時，自然冷卻已無法滿足電子設備的冷卻要求，需采取外加動力進行直接式或間接式強迫空氣冷卻。當電子設備的熱流密度超過0.31 W/cm2，或內部有較集中的熱源時，大功率電子器件產生的熱量已無法通過自然冷卻和強迫風冷帶走，此時應選擇液體循環冷卻來代替空氣冷卻，冷卻效果可以得到顯著提升。如圖1所示，可根據熱流密度和溫升限制要求選擇合適的冷卻方式。

圖1 冷卻方法的選擇

1.2 電子設備對載機冷卻系統的要求

電子設備的冷卻方式確定之后，通過換熱計算、數值分析和地面試驗確定對載機冷卻系統的要求。需確定的技術指標包括：冷卻介質流量、冷板通道的流阻特性、入口溫度、出口溫度等。

根據能量守恒原理，電子設備發熱量等于冷卻介質吸熱量，即：

Q=C×m×Δt

(1)

式中：Q為電子設備發熱功率；C為冷介質的比熱；m為冷卻介質的質量流量；Δt為冷卻介質的溫升。

不管采用空氣冷卻或是液體冷卻，冷板中的熱交換主要通過對流方式完成，根據對流換熱公式：

Q=h×A×(Tw-Tf)

(2)

式中：h是對流換熱系數；A是換熱面積；Tw為冷板壁溫；Tf是冷卻介質溫度。

根據傳熱學基本原理，同時考慮載機飛行包線，可以確定機載電子設備的冷卻要求：首先根據電子設備可靠性要求確定冷板壁溫，通過換熱計算確定冷卻介質溫度；通過計算和地面試驗確定冷卻介質流量及其流阻特性。

2 機載電子設備冷卻系統改裝設計

試驗機改裝工程中通過從原機環控系統引氣對被試系統電子設備進行強迫通風冷卻，或者改造原機液冷系統以滿足被試系統電子設備液體冷卻需求；對于電子試驗機等平臺改裝，則研制并改裝機載液冷系統滿足任務系統試驗要求。

2.1 強迫通風冷卻

2.1.1 環控系統引氣冷卻

載機環控系統自發動機壓氣機引取壓縮空氣，經溫度和壓力調節后供給座艙增壓和電子設備冷卻。低速飛行時，沖壓空氣的溫度和壓力一般可以滿足電子設備冷卻要求，直接利用沖壓空氣進行強迫通風冷卻，具有簡單易行的優點。試驗機高速飛行時，沖壓空氣進氣溫度較高，無法直接用于電子設備的通風冷卻。如果設備布局遠離環控系統，可以在沖壓進氣口處加裝小型渦輪冷卻器，使高溫高壓沖壓空氣的能量消耗后用于設備通風。通過分析載機環控系統的基本原理并協調載機布局，對原系統采用適當的改裝即可滿足電子設備通風冷卻需求。

如果電子設備安裝在原機設備艙，可以自原機設備通風管上引氣至被試設備通風口，或拆除原機設備，利用其通風接口為被試設備通風。

如果電子設備安裝在增壓艙外部，如圖2所示，可以通過加裝引氣關斷活門和限流文氏管引取增壓艙空氣為被試設備通風，通過設計計算確定文氏管喉道直徑。

圖2 增壓艙引氣至設備艙

如果電子設備安裝在座艙排氣活門附近，如圖3所示，可以將排氣活門排出的空氣引至電子設備通風口，利用排氣活門排出的溫度適宜的空氣對電子設備進行冷卻，如果電子設備冷板流阻較大則不宜采用。

圖3 利用增壓艙排氣進行通風冷卻

如果電子設備安裝在座艙內，可以利用通風機對電子設備進行強迫風冷，也可以自增壓艙增壓管路上引氣至電子設備通風口。

2.1.2 沖壓空氣冷卻

根據空氣動力學，沖壓空氣溫度與馬赫數的關系式：

Tr=Ta+0.2Ma2Ta

(3)

式中：Tr為沖壓空氣攝氏溫度；Ta為環境空氣攝氏溫度；Ta為環境空氣絕對溫度；Ma為飛行馬赫數。沖壓空氣壓力與馬赫數的關系式：

pr=pa(1+0.2Ma2)3.5

(4)

式中：pr為沖壓空氣壓力；pa為環境空氣壓力；Ma為飛行馬赫數。

低速飛行時，沖壓空氣的溫度和壓力一般可以滿足電子設備冷卻要求，直接利用沖壓空氣進行強迫通風冷卻，具有簡單易行的優點。

高速飛行時，沖壓空氣進氣溫度較高，無法直接用于設備通風。如果設備布局遠離環控系統，可以在沖壓進氣口處加裝小型渦輪冷卻器，使高溫高壓沖壓空氣的能量消耗后用于設備通風。

2.2 液體循環冷卻

2.2.1 原機液冷系統改造

載機具備液冷系統時，可以考慮利用原機液冷系統，通過適當的技術改造來滿足被試電子設備液體冷卻要求。通過原機液冷系統適應性改造，為被試系統提供液體冷卻，避免了利用外部空氣進行散熱的改裝，對載機平臺的結構和基本性能無任何影響，更專業，更合理。其前提是需透徹理解原機液冷系統的組成、原理及工作狀態，通過仔細的設計計算和試驗調試確保系統協調工作，在滿足被試設備冷卻流量要求的前提下，降低泵出口壓力，防止系統高負載運行。

2.2.2 機載液冷系統研制與改裝

在電子試驗機等平臺類試驗機改裝時，為滿足任務系統設備液體冷卻需求，需研制專用液體冷卻系統，通過系統研制、機上集成改裝、地面試驗實現這種關鍵的任務支持系統。機載液體冷卻系統原理如圖4所示。液壓泵從儲液箱抽取冷卻液，驅動冷卻液在電子設備冷板和空-液換熱器之間循環流動，冷卻液經過電子設備冷板時帶走設備冷板的熱量，流經空-液換熱器時，高空中的沖壓空氣將冷卻液吸收的熱量散發到外界環境。

圖4 機載液體冷卻系統原理圖

機載液冷系統主要由三部分組成，分別為制冷子系統、冷卻液循環子系統、顯示控制子系統。系統研制需要進行系統多參數優化設計計算、系統附件選型/研制、系統集成設計與地面試驗。

制冷子系統由空-液散熱器、冷風道及溫度控制活門等組成。與機載電子設備完成熱交換后的冷卻液進入溫度控制活門，溫度控制活門可以根據來自電子設備冷卻液的溫度自動調節需要散熱的冷卻液流量。當電子設備空中工作時，如果冷卻液的溫度高于工作溫度，較大流量的冷卻液通過空-液散熱器進行散熱降溫，其余較小流量的冷卻液不做熱量交換回到儲液箱。當電子設備地面工作時，如果冷卻液的溫度高于工作溫度，冷卻液通過地面液冷車進行散熱降溫。為了使空-液散熱器有效工作，在空-液散熱器冷邊進口設有調節板，根據飛行環境的要求，可以通過改變調節板節流孔的大小，改變散熱器的散熱面積，使空-液散熱器液體出口溫度保持在設定溫度范圍內。

飛機高速飛行時，冷風道進氣口進入的沖壓空氣對經過散熱器的冷卻液進行冷卻，在空-液散熱器中，沖壓空氣充當冷邊，應盡量保持其壓頭以提高制冷子系統的工作效率。板翅式換熱器具有傳熱效率高、傳熱面積大、結構緊湊輕巧、耐壓能力強及適應性強的特點，且技術成熟、應用范圍廣，空液散熱器多選用板翅式換熱器，可以提高系統的可靠性。

冷卻液循環子系統的主要組件包括儲液箱、增壓泵、過濾器、單向活門、調節閥、導管及冷卻液。液冷系統循環散熱依靠冷卻液作為媒介,冷卻液的性能直接影響液冷系統的冷卻效果。根據SAE AIR1811的推薦及國內外飛機上液冷系統的冷卻液使用情況，飛機上大功率電子設備的冷卻液主要有：水-乙二醇、水-甲醇、硅酸鹽酯、硅酮、碳氟化合物、水和氨等。其中，水-乙二醇具有無毒、冰點低、熱容量大等優點，已在飛機液冷系統中得到廣泛應用。我國目前的65號冷卻液為乙二醇水溶液，加入了減少冷卻系統金屬腐蝕的添加劑；低渾濁黃色，對冷卻系統橡膠件無破壞作用。經過電子設備主機廠的地面長期試驗驗證，目前飛機上液冷系統均選用65號冷卻液作為冷卻介質，考慮到系統使用的安全性及可靠性，選用國產65號冷卻液作為制冷劑。由于電子設備任務系統發熱功率極大,為使這些熱量盡快散發出去,電子設備冷板設計結構復雜、阻力大,因此選擇合適的增壓泵非常重要，關系到系統能否成功使用。液冷系統選用的增壓泵既要適應載機的供電品質，又要符合系統的流動性能要求。

顯示控制子系統由顯示器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、工控機、PAC、電加熱器、控制開關等單元組成。系統結構圖如圖5所示。

圖5 機載液冷系統顯示控制子系統

系統主要由PAC及其模塊組成，PAC同時采集來自壓力、溫度、流量傳感器及液壓泵電流信號等的參數信號，同時控制泵、電加熱器及溫控活門等組件來完成對液冷系統的控制。顯示控制子系統同時可以對系統進行故障診斷。系統運行時，顯示控制子系統通過傳感器采集的數據能夠及時發現是否存在超溫、超壓、欠流量等各種故障，并及時發送報警信號。

3 結 語

針對試驗機改裝任務中不同功率電子設備的冷卻需求，在深入分析電子設備自身特點及對載機環境的要求上，對不同熱流密度的電子設備設計了相應的冷卻方式并詳細介紹了其改裝方案。隨著電子設備熱流密度的不斷增加，自然散熱和強迫風冷已不能滿足大功率電子設備日益嚴峻的散熱要求，取而代之的是換熱效率更高的液冷技術。根據設備的不同散熱需求，匹配最佳的冷卻方式，可以最大限度地發揮電子設備的熱性能，提高機載設備工作性能的穩定性和可靠性。

機載電子設備冷卻是試驗機改裝工程中經常遇到的問題，任務系統的需求更是各不相同，只有充分了解任務需求，熟悉國內行業資源，全面掌握載機平臺基本性能和系統特性，才能做好此類項目的改裝方案設計。機載電子設備冷卻系統改裝在滿足任務系統需求的前提下，需不斷優化，以期得到一個平臺性能代償損失小、使用維護方便的解決方案。