某系留氣球整流罩熱適應性設計

王 軍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引言

浮空器是一種依靠在氣囊內充入密度小于空氣的氣體產生浮力克服自身重量而實現空中浮升,執行預定任務的航空飛行器。多數浮空器以惰性氣體氦氣作為產生浮力的介質,典型的浮空器包括飛艇、系留氣球、自由氣球等。其中,系留氣球是自身不帶動力,依靠浮力升空的浮空器[1-2]。系留氣球通過系留纜繩滯留在空中預定位置,作為空中平臺搭載各種通訊、干擾、偵察、探測等電子設備。

整流罩安裝在系留氣球主氣囊下方,主要用于保護內部設備免受空氣動力載荷作用和大氣環境影響。整流罩一般采用流線型設計以盡量減少對系留氣球的多余氣動阻力和流場干擾[3]。一般情況下,整流罩在系留氣球航線方向,前后端分別安裝鼓風機和閥門用于適時調節整流罩內部壓力,保證其內部空間和外部形狀成形。

系留氣球可以停滯于地面乃至海拔數千米高度長期工作,受海拔高度、環境變化、太陽輻射以及任務設備本身發熱影響,如何保證整流罩內部溫度滿足系統正常工作要求,盡量不增加額外設備以降低系統升空負載,需要根據系統工作模式以及設備環境控制需求進行全面綜合考慮。本文以某型系留氣球為分析對象,對其整流罩環境溫度適應性設計進行技術分析。

1 設計要求

系留氣球的工作模式主要包括地面調試工作模式和升空工作模式,整流罩內部環境指標均需滿足設備工作需要,某型系留氣球與環境溫度有關的主要指標要求如下:

(1)地面外部環境溫度指標:-40～50 ℃。

(2)整流罩內部設備工作環境溫度指標:≤50 ℃。

(3)任務設備熱功耗:≤29 kW。

(4)整流罩工作高度:地面調試(海拔高度0 m)、低空工作(海拔高度不高于3 000 m)、高空工作(海拔高度不高于6 000 m)。

2 設計思路

系留氣球系統需保證整流罩內部環境溫度在地面至升空到任意工作高度位置均滿足指標要求。實際上,不同高度下系統工作模式、熱耗和環境溫度均不同,因此需要采取不同的設計思路滿足設備工作溫度指標要求。

地面調試工作模式下,考慮地面外部環境溫度與整流罩內部溫度上限相同均為50 ℃,極限工況下整流罩內外熱能置換率極低。任務設備熱功耗為29 kW,地面調試時,設備不需升空,因此考慮采用制冷設備將整流罩內部熱量排出,達到控制整流罩內部溫度目標。

升空工作模式下,外界環境溫度隨海拔高度升高而降低,系留氣球升空至指定高度后,環境溫度低于整流罩內部溫度。與此同時,考慮整機重量的限制,散熱采用環境冷風帶走整流罩內部熱量的方案,即通過整流罩壓力調節風機將冷風送入整流罩內,將熱風通過閥門排送至外部環境,確保罩內溫度滿足指標要求[4]。

3 設計方案

3.1 地面調試工作模式

地面調試工作模式下,由于整流罩內部溫度控制目標和外界環境溫度相同,當罩內環境溫度控制滿足指標要求的時候,采用整流罩內部環境下設備通風的方式不能滿足溫度控制要求(如果采取通風散熱的模式,罩內空氣溫度必然高于罩外環境溫度,即溫控不滿足指標要求),因此需要采取空調控制整流罩內的空氣溫度,其制冷量需要大于整流罩內的設備熱耗以及太陽能熱負荷,此時傳熱模型如圖1所示。

圖1 整流罩內外傳熱模型

整流罩內外置換熱量主要由太陽輻射Q1、整流罩內外壁面輻射(Q2in、Q2out)以及整流罩壁面和其內外空氣對流換熱(Q3in、Q3out)引起[5-6]?？紤]太陽輻射較強時,整流罩壁面溫度高于罩內外空氣溫度有

Q1=Q2in+Q2out+Q3in+Q3out

(1)

假設:整流罩內外空氣溫度分別為Tin,air、Tout,air,整流罩內外壁面溫度分別為Tin,S、Tout,S;單面整流罩表面積為A(由于整流罩壁厚較薄,其內外表面積差異可忽略);紅外吸收率和發射率為ε;黑體常數為β;天線罩內外的對流換熱系數分別為hin和hout。由于整流罩厚度只有1.5 mm,其導熱熱阻遠小于內外表面和環境之間傳熱熱阻,可忽略不計,則整流罩內外表面溫度相等,有

(2)

(3)

Q3in=hinA(Tin,S-Tin,air)

(4)

Q3out=houtA(Tout,S-Tout,air)

(5)

Tin,S=Tout,S

(6)

根據整流罩外形及尺寸,可以確定單面表面積為676.5 m2(忽略和飛艇底部接觸的面)。計算時,外壁面對流換熱系數越低,則天線罩內外的換熱量越大?？紤]極端惡劣情況,將外部對流換熱系數hout取為自然對流最小值,即5 W·m-2·K-1,內部對流換熱系數hin取值為15 W·m-2·K-1。將外部空氣溫度Tout,air取為設計工況下最惡劣工況溫度50 ℃,內部空氣溫度Tin,air取為設計目標溫度50 ℃,太陽吸收率δ取為0.4,發射率ε取為0.8,黑體常數β取為5.67×10-8。

基于上述公式,根據整流罩的結構可以通過計算得到其受到的太陽輻射的熱量Q1。

由于整流罩在飛艇底部且水平面投影面積遠小于飛艇水平面投影面積,其太陽能輻射熱不需要考慮垂直面方向的熱量,根據模型可以計算出其豎直面的投影面積。

整流罩位于系留氣球底部且水平面投影面積遠小于氣球水平面投影面積,因此其太陽能輻射熱可忽略垂直面方向熱量,只取其水平方向輻射熱量Qq,則有

Qq=δAqEq

(7)

式中:Aq為整流罩水平方向投影面積;Eq為太陽能水平方向輻射強度。

根據某系留氣球的實際使用條件,可得整流罩外的換熱量(Q2in+Q3in)為7.2 kW,合成任務設備熱耗,可知整流罩內外需交換總熱耗為36.2 kW。

考慮一定設計余量和整流罩內溫度條件,選擇環境溫度為50 ℃,配備制冷量為45 kW空調,送風溫度為20 ℃,回風溫度為40 ℃,風量為6 900 m3·h-1,風壓為100 Pa,可滿足地面調試工作模式下設備正常工作要求。

3.2 低空工作模式

升空高度工作模式同樣需要控制整流罩內的溫度滿足指標要求。根據總體設計要求,采用空調冷風控制整流罩內溫度會使系留氣球整體重量明顯增大,因此升空工作時無法采用該方式進行控溫。

由于升空工作后整流罩外環境溫度隨高度升高而較低,根據溫度指標的不同,可采用如下兩種方案來控制整流罩內的溫度:

(1)整流罩仍采用封閉式的結構,整流罩內介質和周圍環境隔絕,工作時熱量通過整流罩壁面與周圍環境的直接進行熱交換傳遞到環境中去。

(2)如果整流罩內熱負荷過大,所需傳出的熱量無法通過整流罩壁面直接轉移到環境中去,則還需采用強迫通風的方式將冷風送入,由其將部分熱量交換到環境中去。

3.2.1 整流罩壁面傳熱方式

采用壁面直接傳熱方式的整流罩結構最為簡單,可靠性高,但傳熱能力有限。為評估其傳熱的效果,可通過仿真分析其實際應用的可行性。采用FloEFD軟件對其進行熱仿真分析以確定通過整流罩壁面傳熱時罩內空氣溫度。仿真分析的邊界條件為:罩內設備負荷為29 kW,在天線陣面均布。到達工作高度后,整流罩外部環境溫度32 ℃,整流罩頂部和系留氣球接觸面無傳熱(考慮極端工況認為副氣囊和整流罩內部空氣溫度相同)。

圖2所示為仿真分析所得整流罩內溫度切片云圖。由于整流罩封閉處于保壓狀態,內部空氣無外因擾動保持靜止,天線設備發熱僅依靠傳導與周圍空氣熱交換。仿真分析結果表明,熱源在天線陣面非均勻分布,導致局部位置空氣的最高溫度可達80 ℃,而絕大部分內部區域空氣的溫度在60 ℃左右。由此可知,單獨采用整流罩壁面傳熱方式無法滿足設計指標要求,不具可行性。

圖2 壁面傳熱整流罩內部切片溫度云圖

3.2.2 整流罩壁面傳熱+強迫通風方式

整流罩壁面傳熱+強迫通風方式利用整流罩壓力調節風機和閥門,使得整流罩內部空氣與外部環境流通,通過環境冷風帶走熱量與整流罩壁面傳熱相結合的方式完成整流罩的散熱。其與整流罩壁面傳熱方式主要區別在于通過向整流罩通入一定量的環境風而降低罩內的溫度。

結合風機的風量指標,在抽風風量分別為1 000、2 000和2 500 m3·h-1條件下對整流罩散熱效果進行仿真分析,結果如圖3～5所示。當抽風風量為1 000 m3·h-1,整流罩內部空氣的溫度大部分區域都在55 ℃以下(圖3)。當風量達到2 000 m3·h-1,整流罩內部空氣的溫度大部分區域都在50 ℃以下,但是仍有部分區域溫度高達51 ℃以上(圖4)。當風量達到2 500 m3·h-1,整流罩內部絕大部分區域空氣溫度能達到50 ℃以下(圖5)。

圖3 強迫通風方案(1 000 m3·h-1)內部切片溫度云圖

圖4 強迫通風方案(2 000 m3·h-1)內部切片溫度云圖

相較整流罩壁面傳熱而言,采用整流罩壁面傳熱+強迫通風方式能明顯降低整流罩內部空氣的溫度,在其他條件相同時隨著風量的增加整流罩內部的空氣溫度不斷降低。根據仿真分析所得結果整流罩送風風量可設置為3 000 m3·h-1?；谏鲜龇治隹芍?采用整流罩壁面傳熱+強迫通風的方式整流罩內空氣的溫度下降非常明顯,滿足整流罩內部設備在不同環境下工作要求。

3.3 高空工作模式

當系留氣球升空至海拔高度6 000 m高空時,整流罩外部環境溫度約14 ℃,遠比整流罩內部環境溫度要低,因此可以考慮直接采用壁面傳熱方式。為了確定高空壁面傳熱散熱的可行性,對其進行仿真分析,結果如圖6所示。由圖6可見,整流罩內大部分區域空氣溫度均在50 ℃以下,因此,高空工作模式下直接采用整流罩壁面傳熱方式即可滿足設計指標要求。

圖6 高空壁面傳熱整流罩內部切片溫度云圖

4 結論

本文就某型系留氣球在不同工作模式下,如何保證整流罩內部環境溫度滿足任務設備需求,采用仿真方法,結合氣球升空狀態、外部環境要求以及系留氣球本身進行分析,所得結論如下:

(1)低空工作模式下,須采用強迫通風和整流罩壁面傳熱結合的方式。通風量為3 000 m3·h-1可使整流罩內部空氣溫度低于50 ℃,滿足整流罩內空氣溫度的要求;

(2)高空工作模式下,外部環境溫度較低,整流罩壁面傳熱即可使整流罩內部空氣溫度低于50 ℃,滿足整流罩內空氣溫度的要求。