施 紅,裴后舉,高志剛,錢曉輝

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003) (2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院,南京210016)

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展和信息化作戰(zhàn)概念的不斷演化,平流層飛艇的戰(zhàn)略價(jià)值吸引了越來越多國(guó)家的重視．與其他航空航天器相比,平流層飛艇具有耗資小、定點(diǎn)停留時(shí)間長(zhǎng)、響應(yīng)快、覆蓋區(qū)域大等優(yōu)點(diǎn)[1-4]．近年來,由于平流層飛艇在通訊、監(jiān)視、防御等領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),其在軍事和民用方面發(fā)展較為快速．目前已有的文獻(xiàn)主要致力于平流層飛艇飛行軌跡、熱力學(xué)、能源平衡等問題的研究[5-9]．然而,載荷艙及其設(shè)備的熱控問題作為平流層飛艇設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題由于保密等原因現(xiàn)有的報(bào)道較少．文獻(xiàn)[10]中以某型號(hào)高空定點(diǎn)飛艇平臺(tái)為背景,對(duì)飛艇平臺(tái)設(shè)備艙溫控系統(tǒng)進(jìn)行了分析論證,最后提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案．文獻(xiàn)[11]中對(duì)平流層飛艇設(shè)備艙進(jìn)行了保溫設(shè)計(jì),并進(jìn)行飛艇飛行試驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)備艙的被動(dòng)溫控效果．文獻(xiàn)[12]中提出了以被動(dòng)熱控為主,主動(dòng)熱控為輔的載荷艙熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,給出了隔熱、等溫化、加熱和液體循環(huán)回路等熱控手段的具體設(shè)計(jì)方法．上述研究多集中于對(duì)平流層飛艇的概念設(shè)計(jì)亦或是保溫層的設(shè)計(jì),對(duì)具體的艙室溫度控制計(jì)算涉及較少．平流層飛艇的工作高度一般為20 km,其環(huán)境溫度最低可達(dá)-56.5℃,由于載荷艙并非密閉結(jié)構(gòu)，因此若不采取適當(dāng)?shù)拇胧?艙內(nèi)的設(shè)備包括電子設(shè)備、通訊設(shè)備等均無法正常工作．其次,在飛艇升空或者下降過程中若遇到臨近地面的高溫度環(huán)境,若沒有相應(yīng)的制冷措施也會(huì)影響設(shè)備的使用性能．此外,飛艇在接近20 km處,由于大氣的密度相對(duì)較低,傳統(tǒng)的空冷系統(tǒng)會(huì)面臨質(zhì)量流量較低而帶來的制冷量不足的問題．綜上所述,平流層飛艇載荷艙中的電子設(shè)備需要局部的熱控制,將溫度控制在合理的范圍,一般取10～35℃,否則將無法正常工作．鑒于上述原因,文中對(duì)平流層飛艇載荷艙中的電子設(shè)備進(jìn)行局部熱設(shè)計(jì)方案研究,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方案的優(yōu)化,使得平流層飛艇電子設(shè)備艙的溫度在0～20 km均能控制在一個(gè)合適的范圍,該技術(shù)為平流層飛艇的整體熱控提供技術(shù)參考．

1 基于冷板的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方案

平流層飛艇任務(wù)艙電子設(shè)備熱控系統(tǒng)的主要功能是:在飛艇的工作過程中,電子設(shè)備的溫度在總體指標(biāo)要求的范圍內(nèi)．而電子設(shè)備能否可靠工作，能否持久耐用很大程度上取決于電子儀器和器件能否有效散熱[13].考慮到平流層飛艇對(duì)電功率消耗及系統(tǒng)質(zhì)量有嚴(yán)格的限制,傳統(tǒng)的蒸發(fā)制冷循環(huán)優(yōu)勢(shì)并不明顯,因此應(yīng)充分利用周圍環(huán)境的冷量對(duì)電子設(shè)備及載荷艙進(jìn)行熱設(shè)計(jì)．基于上述要求，文中給出了圖1所示的基于冷板制冷及開放式送風(fēng)的平流層飛艇載荷艙及電子設(shè)備的冷卻方案．

如圖1,周圍環(huán)境中的空氣通過風(fēng)機(jī)送入艙內(nèi),送入的空氣分為兩個(gè)支路,一路用以冷板冷卻電子設(shè)備,另一路通過笛形管對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行送風(fēng)．艙內(nèi)設(shè)有一風(fēng)扇用于控制艙內(nèi)溫度的均勻性．由于飛艇在上升過程中艙內(nèi)外的壓差是恒定的,因此艙內(nèi)有一個(gè)泄壓閥將艙內(nèi)多余的空氣排向艙外．同時(shí),由于飛艇在20 km定點(diǎn)巡航時(shí)周圍環(huán)境溫度較低,長(zhǎng)時(shí)間的定點(diǎn)巡航可能會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)溫度低于電子設(shè)備正常工作的溫度范圍,因此在艙底部裝有輻射電加熱膜．

圖1 飛艇載荷艙的溫控示意Fig.1 Thermal control system for the equipment cabin in the stratospheric airship

2 電子設(shè)備冷卻方案性能計(jì)算

2.1 冷板的換熱計(jì)算方法

(1) 計(jì)算溫度的變化量Δt:

(1)

式中:φ為冷板的散熱功率；qm為冷板中空氣的質(zhì)量流量；cp為空氣的定壓比熱．

(2) 計(jì)算冷板的換熱系數(shù)h:

h=JGcpPr-2/3

(2)

式中:J為摩擦系數(shù)；G為單位面積的質(zhì)量流量；Pr為空氣的普朗數(shù)．

(3) 計(jì)算定性溫度tf:

tf=0.25(ts+t1+t2)

(3)

式中:ts為冷板的溫度,t1和t2分別為冷板的進(jìn)、出口溫度．

(4) 雷諾數(shù)Re:

(4)

式中:de為當(dāng)量直徑;μ為動(dòng)力粘度．

(5) 計(jì)算傳熱單元數(shù)NTU:

(5)

式中:η0為肋片的總換熱效率；A為冷板的總面積．

(6)

(7)

(8)

式中:Af為肋片面積；l為肋片的高度；k為冷板中肋片的導(dǎo)熱系數(shù)；δf為肋片厚度．

(6) 計(jì)算冷板的表面溫度：

(9)

2.2 近空間的環(huán)境參數(shù)

(1) 海平面的空氣物性參數(shù):

p0=101 325 Pa

T0=288.15 K

ρ0=1.225 kg/m3

(2) 對(duì)流層的空氣物性參數(shù)：

Tao=T0-α·z

(10)

(11)

(12)

式中：z為飛艇的飛行高度；α為溫度隨高度變化的比例系數(shù)；R為空氣常數(shù)．

(3) 平對(duì)流的空氣參數(shù)：

Tao=216.65 K

(14)

(15)

(16)

(4) 加速度：

g=g0-3×10-6z

(17)

式中：g0為海平面的加速度,9.806 65 m/s2．

(5) 定壓比熱：

cp=1 006.87-0.087 22×T+0.000 123 6×T2

(18)

式中，T是以攝氏度作為量綱的．

(6) 動(dòng)力粘度：

(19)

(20)

對(duì)空氣而言,M的值為28.9644；σ的值為3.617；T以攝氏度作為量綱,T*=T/97；Ω為碰撞積分，是關(guān)于T*的函數(shù)，由式(20)計(jì)算可得.

(7) 導(dǎo)熱系數(shù)：

(21)

式中：λ0的值為 0.024 W/m·K,n的值為0.81.

2.3 冷板計(jì)算流程

圖2為冷板計(jì)算流程.

圖2 冷板計(jì)算流程Fig.2 Calculation flow chart for the thermal performance of the cold plate

值得說明的是,冷板的性能計(jì)算可以分為兩種:一種是定風(fēng)機(jī)流量,定風(fēng)機(jī)流量的以升空的最高點(diǎn)為最惡劣的設(shè)計(jì)點(diǎn);第二種是采用的變頻風(fēng)機(jī)計(jì)算思路,即風(fēng)機(jī)根據(jù)外界空氣參數(shù)的變化實(shí)時(shí)的調(diào)整轉(zhuǎn)速來滿足恒定的風(fēng)機(jī)表面溫度的要求．

2.4 計(jì)算結(jié)果

地面的環(huán)境溫度取30℃,電子設(shè)備的散熱功率為220W;冷板高H為0.012 5 m,冷板深度D為0.19 m,冷板寬度b為0.278 m；冷板肋片選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:平直行肋片,肋高為9.5 mm, 肋厚為0.6 mm, 單位寬度通道截面積A2為8.37×10-3m2/m,單位面積通道截面積A1為11.10 m2/m2,當(dāng)量直徑de為3.02 mm．

2.4.1 定風(fēng)量情況下的冷板全高度性能

圖3、4分別為飛艇在地面溫度為25℃和40℃下起飛的冷板溫度ts隨高度z變化的曲線．

圖3 地面溫度為25℃時(shí)冷板溫度隨高度變化的曲線Fig.3 Variation of the temperature of the clod plate with the altitude for the ground temperature at 25℃

由圖3可知,冷板的表面溫度先下降后上升．產(chǎn)生該變化規(guī)律的主要原因是,隨著飛艇的上升,外界環(huán)境溫度降低,在定風(fēng)機(jī)流量的情況下冷板的溫度逐漸下降．盡管在該過程中環(huán)境的密度也在降低,而溫度的降低對(duì)冷板的影響程度相對(duì)于密度的降低對(duì)冷板的影響程度要大,因此冷板總的溫度下降．然而在P點(diǎn)以后外界的環(huán)境溫度不變,而環(huán)境的密度進(jìn)一步的降低,因此導(dǎo)致冷板的散熱能力變差,最后冷板的溫度隨著高度升高逐漸上升．

圖4 地面溫度為40℃時(shí)冷板溫度隨高度變化的曲線Fig.4 Variation of the temperature of the clod plate with the altitude for the ground temperature at 40℃

由圖4可知,在地面溫度為40℃時(shí)冷板在飛艇上升過程中的溫度變化規(guī)律跟地面溫度為25℃時(shí)候的變化曲線一致．然而由于起飛時(shí)外界的環(huán)境溫度較高,在2 000 m以下的高度內(nèi),冷板的溫度大于設(shè)計(jì)溫度40℃,冷板在該環(huán)境溫度下的性能不滿足設(shè)計(jì)要求．因此,對(duì)于該電子設(shè)備的冷卻,必須在設(shè)計(jì)時(shí)候考慮冗余設(shè)計(jì),并聯(lián)一個(gè)制冷方案以滿足其散熱需求．

同時(shí),由圖3、4可知,升空過程中冷板的溫度降低至-10℃左右,顯然這是不符合設(shè)計(jì)要求的,因此定流量的方案在實(shí)際的飛艇飛行過程中并不合理．因此文中推薦采用變風(fēng)量的冷板冷卻方案．

2.4.2 變風(fēng)量情況下的冷板全高度性能

圖5為風(fēng)機(jī)風(fēng)速vf隨飛行高度的變化曲線.由圖可知,當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境溫度為30攝氏度時(shí),為了保證電子設(shè)備的溫度維持在40攝氏度則風(fēng)機(jī)的風(fēng)速隨著高度的增加先減少后增加．并且在0～4 000 m及13 000～20 000 m的過程中變化幅度較大．

圖5 風(fēng)機(jī)風(fēng)速隨著飛行高度的變化Fig.5 Variation of the blower velocity with the altitude

跟定風(fēng)量系統(tǒng)一樣,若飛艇起飛時(shí)的地面環(huán)境溫度較高尤其是高于40℃時(shí),由于艙內(nèi)設(shè)備使用環(huán)境的限制,則飛艇起飛階段基于冷板冷卻的電子設(shè)備散熱系統(tǒng)將無法起到冷卻的效果．同時(shí),高空時(shí)由于外界環(huán)境的密度較低,為了滿足空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求則風(fēng)機(jī)的風(fēng)速較大,然而風(fēng)機(jī)的引氣不僅要滿足冷板的需求同時(shí)要滿足艙內(nèi)制冷的需求,因此在高空時(shí)可能會(huì)引起支路進(jìn)氣流量不足的問題．綜上所述,從設(shè)計(jì)可靠性的角度來說,盡可能的設(shè)計(jì)一套完善的制冷系統(tǒng)以滿足飛艇在全高度的工作要求．因此，文中提出了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案．

3 優(yōu)化的電子設(shè)備制冷設(shè)計(jì)方案

3.1 基于二氧化碳開放式制冷的冷卻方案

圖6為電子設(shè)備冷卻系統(tǒng),當(dāng)飛艇從環(huán)境溫度較高的低空向上運(yùn)動(dòng)時(shí),基于二氧化碳制冷的第一溫度控制子系統(tǒng)開啟,高壓氣罐中的冷氣輸送至冷板,冷卻與之聯(lián)接或靠近的設(shè)備;同時(shí),冷氣輸送至換熱器,風(fēng)扇將換熱器附近的空氣吹至機(jī)艙的其他部分,形成氣流循環(huán);

圖6 基于二氧化碳開放式制冷的電子設(shè)備冷卻方案Fig.6 Adding cooling method for the electronic equipment using a carbon dioxide refrigeration system

當(dāng)飛艇升至一定高度,艙外的溫度低于艙內(nèi)設(shè)備的最高許可溫度時(shí),停止第一溫度控制子系統(tǒng)．基于周圍空氣直接送風(fēng)的第二溫度控制子系統(tǒng)開啟,將機(jī)艙外的冷空氣運(yùn)送至機(jī)艙內(nèi)和冷板中．當(dāng)飛艇上升至高空風(fēng)機(jī)流量不夠時(shí),可以開啟第一溫度控制子系統(tǒng),此時(shí)跟第二溫度控制子系統(tǒng)共同工作．當(dāng)飛艇滯空過程中艙內(nèi)的溫度低于艙內(nèi)設(shè)備的最低許可溫度時(shí),開啟電加熱絲加熱,同時(shí)開啟艙內(nèi)風(fēng)扇,在機(jī)艙內(nèi)形成氣流循環(huán)．

同樣的,當(dāng)飛艇下降時(shí),首先開啟第二溫度控制子系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,當(dāng)其不能滿足要求時(shí),開啟第一溫度控制子系統(tǒng)．

值得說明的是:基于二氧化碳的開放式制冷系統(tǒng)是不可逆系統(tǒng),在電能受限的制冷領(lǐng)域使用較多[14-17],在飛艇的設(shè)備艙及其電子設(shè)備的制冷中,其作為一個(gè)備用及補(bǔ)充方案的設(shè)計(jì)．在設(shè)計(jì)之初應(yīng)根據(jù)飛艇的滯空時(shí)間、滯空高度、飛艇的起飛環(huán)境等來正確的計(jì)算所需求的二氧化碳量．

3.2 二氧化碳質(zhì)量計(jì)算

對(duì)于開放式二氧化碳制冷系統(tǒng),可采用式(22)對(duì)所需CO2的質(zhì)量進(jìn)行估算：

(22)

式中：m為所需CO2質(zhì)量；q為電子設(shè)備的功率；hex為CO2排氣焓值；uinit為初始條件下CO2的內(nèi)能；Δt為飛艇上升過程持續(xù)時(shí)間．

假設(shè)所研究的飛艇上升過程:

(1) 設(shè)備的功率為1 000 W,飛艇的上升時(shí)間為3 700 s[18].

(2) 假設(shè)初始存儲(chǔ)狀態(tài)參數(shù)為：P1=6.5 MPa,T1=298.1 K．此時(shí)利用REFPROP軟件計(jì)算可得uinit=264.79 kJ/kg.

(3) 飛艇在上升過程中設(shè)備艙的壓力與外界平衡,其壓力狀態(tài)一直在變,設(shè)計(jì)時(shí)采用保守算法,假設(shè)設(shè)備全部采用CO2進(jìn)行制冷，并取最小排氣壓力狀態(tài)參數(shù):P2=5 472 Pa,T2=303.15 K．此時(shí)利用REFPROP軟件計(jì)算可得hex=510.96 kJ/kg．

根據(jù)以上條件及公式計(jì)算可得m=15 kg．出于安全因素的考慮,CO2在灌裝是不能灌滿的,必須留有一定的余量．通常,溫帶地區(qū)不能超過鋼瓶體積75%,熱帶地區(qū)不能超過66.7%．文中選擇充氣系數(shù)α=0.6 kg/L,則鋼瓶體積V=m/α=7.05 L．考慮到常用鋼瓶的體積規(guī)格以及使用過程中的損失,選擇體積為20 L的鋼瓶,充氣系數(shù)為0.6 kg/L,凈重12 kg．因此CO2氣瓶的總質(zhì)量為27 kg．

4 結(jié)論

(1) 在定風(fēng)量條件下,冷板的表面溫度先下降后上升,最低溫度可達(dá)到-10℃．

(2) 提出了變風(fēng)量冷板換熱系統(tǒng),該系統(tǒng)在面對(duì)外界大氣參數(shù)變化較大的情況下更具有合理性．然而,跟定風(fēng)量系統(tǒng)一樣,若飛艇起飛時(shí)的地面環(huán)境溫度較高尤其是高于40℃時(shí),由于艙內(nèi)設(shè)備使用環(huán)境的限制,則飛艇起飛階段基于冷板冷卻的電子設(shè)備散熱系統(tǒng)將無法起到冷卻的效果．

(3) 為滿足空冷系統(tǒng)低空及高空制冷量不足的情況,提出了基于二氧化碳開放式制冷的優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案,并對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算．在文中給定的計(jì)算條件下,可選擇體積為20 L的鋼瓶,充氣系數(shù)為0.6 kg/L,CO2氣瓶的總質(zhì)量為27 kg．