吳 波,張豐華，楊明明，任 召

(航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

高能武器是一種新概念武器，能夠利用光、電磁脈沖、高功率微波等先進(jìn)技術(shù)直接進(jìn)行殺傷目標(biāo)和破壞設(shè)備，可實現(xiàn)對威脅目標(biāo)的“軟殺傷”或“硬殺傷”，其基本原理、作戰(zhàn)應(yīng)用方式和殺傷破壞機理均與常規(guī)武器有著明顯區(qū)別。高能武器主要包括能夠?qū)崿F(xiàn)激光、微波等高能粒子束或電磁能的定向發(fā)射、聚束和遠(yuǎn)距離傳輸從而快速攻擊并毀傷目標(biāo)的定向能武器，以及依靠自身的動能對目標(biāo)造成毀滅性破壞的動能武器等。

將高能武器應(yīng)用在航空飛行器上可以達(dá)到戰(zhàn)略防御、戰(zhàn)區(qū)防御和戰(zhàn)術(shù)防空的目的。如機載激光武器可用于攔截戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈，還具有反衛(wèi)星和反飛機的能力，因而受到美國軍方的高度重視。

為了推進(jìn)高能武器在航空飛行器上的應(yīng)用，美國導(dǎo)彈防御局(MDA)提出了機載激光武器(ABL)的研究計劃，利用YAL-1A飛機為載體，通過安裝在YAL-1A飛機機頭部分轉(zhuǎn)塔上的兆瓦級激光器為武器，用于摧毀來襲的處于助推階段的彈道導(dǎo)彈。2007年7月美國導(dǎo)彈防御局(MDA)完成了機載激光武器(ABL)的空中模擬試驗。成功擁有機載激光武器的國家，將引發(fā)作戰(zhàn)方式的質(zhì)變，預(yù)示著又一場“戰(zhàn)爭的革命”?？梢姲l(fā)展機載高能武器具有十分重要的意義。然而機載高能武器在工作時產(chǎn)生大量的廢熱，面臨嚴(yán)峻的熱管理問題。相變蓄熱技術(shù)是解決機載高能武器熱管理問題的一種有效手段。目前在國內(nèi)機載高能武器熱管理的相變蓄熱型換熱器方面的研究或產(chǎn)品鮮有公開資料報道。筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研介紹了國外研究機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

1 機載高能武器熱管理需求

機載高能武器的能量轉(zhuǎn)化過程中，大部分的能量在轉(zhuǎn)化過程中變?yōu)榱藦U熱。根據(jù)美國空軍研究實驗室的研究[1]，某機載高能微波武器脈沖高能微波發(fā)射的能量轉(zhuǎn)化效率僅為30%，整個武器系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率僅為22.8%，如表1所列。根據(jù)作戰(zhàn)要求，高能激光器的平均功率至少為20 kW或脈沖量30 kJ以上才能起到打擊效果。由此可見機載高能武器工作時，需要對大量的廢熱進(jìn)行熱管理，才能保證高能武器的正常工作。

表1 典型機載高能微波武器能量轉(zhuǎn)化效率[1] /%

在機載環(huán)境中，冷卻資源匱乏，能源、有效載荷、空間都十分有限，因此機載高能武器的熱管理系統(tǒng)既要滿足高負(fù)荷的熱管理需求，又要盡可能地降低熱管理系統(tǒng)本身的能耗、重量和體積及對冷卻資源的調(diào)度。由于機載高能武器的熱負(fù)荷是脈動的，在一個熱負(fù)荷脈動周期內(nèi)，其高熱負(fù)荷僅持續(xù)較短時間，其余較長時間段內(nèi)熱負(fù)荷為零。如果按照其瞬時峰值的熱負(fù)荷進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的設(shè)計，將使得熱管理系統(tǒng)十分龐大。同時其熱管理能力在沒有熱負(fù)荷的時間段內(nèi)閑置，造成了系統(tǒng)的冗余。

在機載環(huán)境中，冷卻資源匱乏，能源、有效載荷、空間都十分有限，因此機載高能武器的熱管理系統(tǒng)既要滿足高負(fù)荷的熱管理需求，又要盡可能地降低熱管理系統(tǒng)本身的能耗、重量和體積及對冷卻資源的調(diào)度。由于機載高能武器的熱負(fù)荷是脈動的，在一個熱負(fù)荷脈動周期內(nèi)，其高熱負(fù)荷僅持續(xù)較短時間，其余較長時間段內(nèi)熱負(fù)荷為零。如果按照其瞬時峰值的熱負(fù)荷進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的設(shè)計，將使得熱管理系統(tǒng)十分龐大。同時其熱管理能力在沒有熱負(fù)荷的時間段內(nèi)閑置，造成了系統(tǒng)的冗余。

相變蓄熱型換熱器恰恰可以解決這一問題。固-液相變材料(PCM)熔化/凝固時吸收/放出大量的熱，而溫度基本保持不變，同時體積變化相對于氣-液相變小得多，其吸熱再放熱的過程可以循環(huán)利用。相變蓄熱型換熱器正是利用固-液相變材料的這些特點將一個脈動熱負(fù)荷周期內(nèi)的短時高熱量儲存在相變材料的潛熱中，而在熱負(fù)荷為零的其余較長時間段內(nèi)將相變材料吸收的熱量釋放給最終的熱沉。這樣最終的熱沉可以按照平均熱負(fù)荷來進(jìn)行設(shè)計，從而使熱管理系統(tǒng)的整體能耗，重量和體積大大降低。另外，固-液相變材料在吸收熱量后溫度基本保持不變，這對于熱沉溫度受限的機載環(huán)境十分有益。根據(jù)美國通用原子公司、霍尼韋爾、主流工程公司等的研究報道，將相變蓄熱型換熱器應(yīng)用在高能武器熱管理系統(tǒng)中時，整個系統(tǒng)的體積、重量和能耗都得到了降低。如圖1所示為主流工程公司研究的相變蓄熱型換熱器對高能武器熱管理系統(tǒng)單位體積及單位質(zhì)量儲能密度的提升，在占空比(脈動熱流密度參數(shù))為20%的情況下，其單位質(zhì)量儲能密度最大提升了90%。

圖1 相變蓄熱系統(tǒng)相比純對流散熱在儲能密度上的提升

2 機載高能武器相變蓄熱技術(shù)研究進(jìn)展

以下重點介紹國外著名的研究機構(gòu)及科技公司利用相變蓄熱技術(shù)解決機載高能武器熱管理問題的技術(shù)方案。

2.1 美國空軍研究實驗室

2002年美國空軍研究實驗室[2](Air Force Research Laboratory)報道了一種定向能武器熱管理方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 美國空軍研究實驗室定向能武器管理方案

整個熱管理方案分為三級冷卻。第一級采用液態(tài)氨對定向能武器熱源實施噴射冷卻，液態(tài)氨受熱氣化后在相變蓄熱系統(tǒng)中放熱冷凝，繼續(xù)下一個冷卻循環(huán)；第二級相變蓄熱系統(tǒng)吸收氨的熱量儲存起來；第三級采用沖壓空氣或R22制冷循環(huán)對相變蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。在這個方案的基礎(chǔ)上針對高能激光武器(HEL)和機載主動拒止系統(tǒng)(ADD)分別設(shè)計了熱管理系統(tǒng)，儲能密度分別達(dá)到了77 kJ/kg和69 kJ/kg。

2.2 通用原子公司

2007年美國通用原子公司[3]對機載電子激光(AEL)能量系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了實況實驗研究，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。實驗在隸屬于美國空軍研究實驗室的一架貨運飛機上進(jìn)行，實驗過程中飛機處在固定高度并保持固定速度，對AEL能量系統(tǒng)加載一個名義任務(wù)剖面。實驗在保持AEL激光發(fā)射功率恒定為100 kW的情況下評估了不同的技術(shù)方案，二極管工作溫度，脈動熱負(fù)荷占空比及環(huán)境條件對熱管理系統(tǒng)尺寸及結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明在熱管理系統(tǒng)中采用相變蓄熱系統(tǒng)，近期質(zhì)量可降低26%體積可降低19%，遠(yuǎn)期質(zhì)量可降低35%體積可降低27%。

圖3美國通用原子公司機載激光武器熱管理方案

2.3 主流工程公司

主流工程公司[5,6]報道的高能武器熱管理子系統(tǒng)實驗管路循環(huán)如圖4所示。管路循環(huán)中分別有兩路循環(huán)交替與相變蓄熱換熱器進(jìn)行熱交換，一路吸熱另一路放熱。同時還進(jìn)行了對比實驗，對照組在同樣的熱負(fù)荷下采用1:1體積比的丙二醇與水的混合工質(zhì)進(jìn)行冷卻。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將相變蓄熱裝置集成到單相冷卻循環(huán)中之后，熱管理系統(tǒng)的體積重量以及系統(tǒng)能耗都帶來降低的效果，單位體積儲能密度最大能提升90%。

圖4 主流工程公司高能武器熱管理方案

系統(tǒng)中所采用的相變蓄熱換熱器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。該換熱器采用泡沫石墨復(fù)合相變材料作為蓄熱工質(zhì)，若干列管束與復(fù)合相變材料相間隔構(gòu)成換熱器的主體。管術(shù)中通流換熱工質(zhì)與復(fù)合相變材料進(jìn)行熱交換。管術(shù)在換熱器兩端匯合成主流通道。相變材料與殼體之間填充有閉孔泡沫，用以平衡相變材料在蓄熱和放熱過程中的體積變化。該換熱器結(jié)構(gòu)可以為此項目的研究提供重要參考。值得注意的是，此研究中報道了這個結(jié)構(gòu)存在一定程度的相變材料蓄熱后液相泄露的問題。

圖5 主流工程公司相變蓄熱換熱器結(jié)構(gòu)及實驗蓄熱單元

2.4 霍尼韋爾公司

霍尼韋爾[4]公司報道的包含蓄熱系統(tǒng)的定向能武器熱管理方案如圖6所示。

圖6 霍尼韋爾公司定向能武器熱管理方案

霍尼韋爾研究了兩種定向能武器的熱管理系統(tǒng)，一個工作溫度較高，另一個工作溫度較低且溫度范圍窄。兩個系統(tǒng)均針對機載應(yīng)用環(huán)境設(shè)計，以減小體積，重量和氣動阻力為目標(biāo)。對于工作溫度較高的系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括，利用飛機燃料的去離子水系統(tǒng)或?qū)Ｓ玫腜CM蓄熱系統(tǒng)，都采用直接沖壓空氣冷卻作為最終的熱沉。對于工作溫度較低的系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括，帶PCM蓄熱的去離子水系統(tǒng)，帶PCM蓄熱的氨系統(tǒng)，和使用氨蓄熱的氨系統(tǒng)。

其中的相變蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主流工程公司的相變蓄熱換熱器的不同之處在于采用管板式結(jié)構(gòu)作為流體工質(zhì)的通道，相變材料與流體通道在豎直方向上交替排布，總體出入口設(shè)計在同一端。

3 結(jié) 語

通過文獻(xiàn)調(diào)研，介紹了相變蓄熱技術(shù)在機載高能武器熱管理上的應(yīng)用進(jìn)展。重點詳細(xì)介紹了美國空軍研究實驗室、通用原子公司、主流工程公司以及霍尼韋爾公司等著名研究機構(gòu)和科技公司在該領(lǐng)域的研究方案。相變蓄熱技術(shù)是一種應(yīng)對機載高能武器熱管理需求的有效技術(shù)，在運用時需要與對流冷卻結(jié)合起來。介紹的技術(shù)方案可為高功率機載電子設(shè)備提供有益的參考。