李科陽(yáng)(浙江大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所，浙江 杭州 310027)

0 概述

近年來，隨著國(guó)內(nèi)通航的逐漸開放和軍事應(yīng)用的需求增加，我國(guó)對(duì)兩萬(wàn)米及以下空域作業(yè)的無(wú)人機(jī)需求日益提高，各行業(yè)、各應(yīng)用領(lǐng)域都展開了大量的無(wú)人機(jī)研究，這些無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，拓展了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，并為其下一步發(fā)展指明了方向。

為了滿足無(wú)人機(jī)的動(dòng)力需求，促進(jìn)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)向高空、長(zhǎng)航時(shí)領(lǐng)域發(fā)展，必須發(fā)展航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理技術(shù)。與地面環(huán)境相比，萬(wàn)米以上高空的散熱條件惡劣，空氣密度沿海拔的遞減既對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)提出了增壓要求，從而給熱管理系統(tǒng)引進(jìn)了增壓中冷這一新的熱源，又極大降低了熱管理系統(tǒng)的散熱性能。這些因素制約著航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升和輕量化的發(fā)展，成為了困擾航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)突破的瓶頸之一。

目前，國(guó)內(nèi)的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)的研究以仿真分析為主，缺乏高空試驗(yàn)的平臺(tái)和對(duì)應(yīng)的高空試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)高空相關(guān)的影響規(guī)律掌握不足，這一問題極大限制了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確度和有效性。此外，現(xiàn)有的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)研究沒有明確的發(fā)展方向，相關(guān)的研究或并于飛行器氣動(dòng)性能的研究或停留在散熱強(qiáng)化的表面上，未能就高空散熱規(guī)律進(jìn)行歸納和理論分析。

本文以航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合不同海拔的熱管理系統(tǒng)研究，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容和最新進(jìn)展，指明了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)技術(shù)研究的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)我國(guó)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的下一步發(fā)展重點(diǎn)提出了建議。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)使用環(huán)境的不同，可以劃分為低空、中空和高空三種類型，低空無(wú)人機(jī)的飛行升限不超過5 km，功率在20 kW以下；中空無(wú)人機(jī)的飛行升限在5～11 km范圍，其功率以75 kW為主，高空無(wú)人機(jī)的飛行升限最高可至20 km，其功率都在110～120 kW范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)成熟的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用集中在20 kW以下和75 kW級(jí)別，許多高校和研究機(jī)構(gòu)都展開了相關(guān)的熱管理系統(tǒng)研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊巍[1]研究了低速無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法，該無(wú)人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)原型是Rotax914發(fā)動(dòng)機(jī)，最大起飛功率為85 kW，散熱量的需求是45 kW，熱管理系統(tǒng)的最終目標(biāo)是在最惡劣的環(huán)境條件下保證航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭的溫度在120 ℃以下。北京交通大學(xué)的蔡賀[2]研究了航空內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)熱管換熱器的應(yīng)用，其研究的發(fā)動(dòng)機(jī)同樣是Rotax914發(fā)動(dòng)機(jī)，但其飛行升限為5 km，最大換熱量為30 kW，這一研究將輻射換熱引入了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用，驗(yàn)證了熱管換熱在航空狀態(tài)下的可行性。北京航空航天大學(xué)的姬芬竹[3]研究了航空風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)傳熱模型，其研究表明，飛行高度的增加會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)升高，而螺旋槳的轉(zhuǎn)速能夠在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定氣缸體的溫度，但該研究的仿真和試驗(yàn)分析的海拔高度都在5 km以下。北京航天動(dòng)力研究所的王國(guó)文[4]進(jìn)行了高空風(fēng)冷換熱器的設(shè)計(jì)與仿真，其熱源為電子儀器設(shè)備，散熱量需求為5 kW。該換熱器以68%的乙二醇為冷卻介質(zhì)，在20 km的高空環(huán)境中可以保證上述電子儀器的散熱需求。其研究證明對(duì)于小熱量的熱源而言，高空散熱的問題可以直接通過傳統(tǒng)風(fēng)冷換熱器解決。從上述研究情況來看，國(guó)內(nèi)的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)研究極大受限于實(shí)機(jī)試驗(yàn)的缺少，已有的試驗(yàn)也多存在海拔低、換熱量低等問題，無(wú)法真實(shí)反映高空情況。

另一方面，得益于無(wú)人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，國(guó)外的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)具有更加成熟的應(yīng)用和試驗(yàn)平臺(tái)。從無(wú)人機(jī)產(chǎn)品本身來看，美國(guó)的“伯修斯”無(wú)人機(jī)和“阿爾塔斯”無(wú)人機(jī)都實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)增壓下的高空長(zhǎng)航時(shí)飛行，其中，“伯修斯”無(wú)人機(jī)的飛行升限為19.8 km，“阿爾塔斯”無(wú)人機(jī)的飛行升限為20 km。這兩個(gè)成熟的產(chǎn)品說明相關(guān)的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足高空低密度空氣環(huán)境下的散熱需求。從強(qiáng)化散熱的角度來看，美國(guó)“捕食者-A”無(wú)人機(jī)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為成熟，作為中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，其采用的強(qiáng)化散熱手段主要是大面積散熱器和高擴(kuò)張比風(fēng)道設(shè)計(jì)。在熱管理系統(tǒng)的研究方面，國(guó)外領(lǐng)先的程度更高，由于散熱功率的恢復(fù)問題已經(jīng)有了較好的解決方案，在熱管理系統(tǒng)研究上，國(guó)外的高校和研究機(jī)構(gòu)更多的將研究方向指向多元目標(biāo)優(yōu)化的研究和整體的熱管理系統(tǒng)及相關(guān)輔助系統(tǒng)的研究。目前已知的研究多已經(jīng)結(jié)合的飛行器的外部氣流特點(diǎn)對(duì)傳熱的影響，對(duì)飛行器的氣動(dòng)特性和散熱特性進(jìn)行了協(xié)同設(shè)計(jì)。

總體來看，國(guó)內(nèi)的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀是起步較晚，試驗(yàn)平臺(tái)不足，試驗(yàn)條件有限，整體研究停留在低功率產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和仿真階段，未出現(xiàn)高功率、高空散熱產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證。隨著無(wú)人機(jī)等產(chǎn)品的需求快速增長(zhǎng)，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)逐漸成為限制其應(yīng)用范圍擴(kuò)大的關(guān)鍵因素，對(duì)現(xiàn)階段的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理和分析是非常必要的。

2 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

結(jié)合現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以歸納出航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)研究的三點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)，從零而整依次是海拔對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響研究，結(jié)合整機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化研究和綜合熱管理系統(tǒng)的研究。這三點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)都是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向，其中海拔對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響研究是所有未來研究的基礎(chǔ)，需要投入更多的試驗(yàn)來獲得足夠的數(shù)據(jù)支撐。

2.1 海拔對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響研究

隨著航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)使用海拔的升高，熱管理系統(tǒng)的外部環(huán)境發(fā)生明顯變化，這一變化的表現(xiàn)為：0～11 km，大氣壓力、密度、溫度都隨海拔升高而減??；11～20 km，大氣溫度保持在-56.5 ℃，大氣壓力和密度繼續(xù)隨海拔升高而減小。針對(duì)這一現(xiàn)象，業(yè)內(nèi)學(xué)者主要從兩個(gè)方向進(jìn)行了海拔對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)影響的研究，分別是隨海拔變化的散熱器結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究和低壓低密度環(huán)境的散熱功率恢復(fù)研究。

從散熱器結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的角度，同一款散熱器在不同海拔下的散熱表現(xiàn)不同，這是由于密度降低造成的，在相同入口流速下，隨著海拔的升高，散熱器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生從湍流到層流的轉(zhuǎn)變，極大降低了換熱效果，這一湍流-層流轉(zhuǎn)變的海拔高度由散熱器的自身結(jié)構(gòu)決定，即不同結(jié)構(gòu)的散熱器表現(xiàn)出不同的海拔適應(yīng)性。Mohamed L.Elsayed[5]以平行板翅片散熱器的翅片厚度、間距、數(shù)量為變量，進(jìn)行了不同參數(shù)散熱器的仿真計(jì)算，研究了不同海拔下各參數(shù)對(duì)散熱器熱阻影響的規(guī)律，給出了有效降低熱阻的途徑。其研究結(jié)果表明，不同海拔高度對(duì)應(yīng)著不同的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在高海拔條件下需要進(jìn)行熱阻與重量之間的優(yōu)化匹配。該研究以壓力作為區(qū)別海拔的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)在不同大氣壓條件下，散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)值不同，因此在進(jìn)行散熱器優(yōu)化時(shí)，以地面工況為基準(zhǔn)進(jìn)行高空的散熱器優(yōu)化的結(jié)果無(wú)法滿足高空的散熱需求。與之相似，蔡惠坤[6]進(jìn)行了不同翅片的變海拔工況性能分析，以海拔為變量分析了百葉窗翅片、平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片4種常見翅片散熱器的性能指標(biāo)，其研究結(jié)果指出了不同海拔下散熱器翅片的性能表現(xiàn)不同，如圖1所示，在5 km以下的海拔高度里，波紋翅片受海拔的影響最小，但散熱能力較差，鋸齒翅片受海拔的影響最大，其散熱能力在2 km以上時(shí)小于百葉窗翅片。

圖1 散熱量隨海拔的變化曲線[6]

在低壓低密度環(huán)境的散熱功率恢復(fù)研究方面，現(xiàn)有的研究表明，最有效的增大散熱器高空散熱能力的途徑是增大散熱器的迎風(fēng)面積。楊巍[1]通過并聯(lián)一個(gè)滑油散熱器和一個(gè)冷卻液散熱器，增大了熱管理系統(tǒng)在高空中的散熱能力，保證在空中環(huán)境下，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭的溫度始終在120 ℃以下，其研究還指出了風(fēng)道設(shè)計(jì)是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力短艙設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，采用擴(kuò)張風(fēng)道并提高風(fēng)道進(jìn)口總壓、降低風(fēng)道出口總壓，能夠減少?gòu)?qiáng)化換熱所需付出的阻力代價(jià)。此外，蔡賀[2]考慮了高空工作時(shí)氣壓低、傳統(tǒng)換熱器換熱量小的特點(diǎn)，研究了熱管技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)換熱器中的應(yīng)用。其在熱管換熱器傳統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用VB語(yǔ)言加入了輻射換熱的設(shè)計(jì)計(jì)算程序。最終的計(jì)算結(jié)果表明，在5 km海拔高度下，滿足30 kW的散熱量需要10 m2的換熱面積，這一結(jié)果既證明了熱管在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用的可行性，又指明了此類散熱器所需換熱面積過大的問題。姬芬竹[3]進(jìn)行了航空風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)研究，建立了航空用風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)傳熱模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該仿真的準(zhǔn)確性。該研究結(jié)果表明當(dāng)無(wú)人機(jī)的飛行高度在3.5 km以下時(shí)，調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速就可以使汽缸體溫度維持在0 km海拔高度的溫度水平。

上述兩個(gè)方向的研究都是基于高空的空氣物性參數(shù)本身，在低密度空氣環(huán)境造成了散熱器性能降低的情況下，通過各種途徑實(shí)現(xiàn)散熱性能強(qiáng)化的研究，而在散熱器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，將空氣物性歸納在海拔這一變量中，能夠簡(jiǎn)化散熱器的設(shè)計(jì)過程。這一歸納有兩種途徑，一是直接以海拔高度本身進(jìn)行相關(guān)公式的映射，另一途徑是以克努森數(shù)作為空氣物性隨海拔變化的衡量。劉震濤[7]基于多尺度耦合的計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法對(duì)某型空-空中冷器的內(nèi)部流動(dòng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值仿真計(jì)算，結(jié)果表明，高空工況下，熱側(cè)空氣入口流量保持不變的情況下，中冷器的換熱效率隨中冷器工作環(huán)境的海拔高度的上升而降低，在對(duì)流層區(qū)域，溫度下降造成的溫差變化是這一換熱效率降低的主要原因，而在11～20 km高度范圍內(nèi)，大氣密度的變化成為換熱效率變化的主要因素。該研究為航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)和計(jì)算依據(jù)。黨曉民[8]對(duì)蒙皮換熱器進(jìn)行了地面試驗(yàn)，得到了換熱器的性能數(shù)據(jù)和該換熱器流動(dòng)換熱的準(zhǔn)則，結(jié)合地面試驗(yàn)的結(jié)果和流動(dòng)換熱的準(zhǔn)則推導(dǎo)了蒙皮換熱器散熱能力的地面-高空映射關(guān)系。這一地面-高空的映射關(guān)系之于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理系統(tǒng)同樣非常重要，準(zhǔn)確的映射關(guān)系能夠大量減輕相關(guān)散熱器設(shè)計(jì)過程的難度和成本。部分學(xué)者則開始從克努森數(shù)[9-10]變化的角度進(jìn)行散熱器性能變化的研究，隨海拔變化時(shí)，空氣側(cè)的克努森數(shù)會(huì)顯著提高，在翅片形式密集的散熱器中，這一提高會(huì)導(dǎo)致連續(xù)性介質(zhì)假設(shè)接近不完全成立的邊界，從而降低散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)基于克努森數(shù)的相似，還有可能實(shí)現(xiàn)地面微通道散熱器與高空常規(guī)尺度散熱器的映射關(guān)系研究。

2.2 結(jié)合整機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化研究

在提高熱管理的有效性，增大散熱能力的同時(shí)，熱管理系統(tǒng)本身的重量和造成的風(fēng)阻是影響整個(gè)飛行器飛行的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往需要在整機(jī)層面上進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究，現(xiàn)有的多目標(biāo)優(yōu)化研究以翼型散熱器研究和增強(qiáng)湍流方式研究為主。

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力艙往往受到飛機(jī)橫截尺寸的限制，無(wú)法布置大面積的散熱器，因此為了實(shí)現(xiàn)大面積散熱器的應(yīng)用，常常會(huì)在機(jī)翼布置散熱器，但機(jī)翼的狀態(tài)對(duì)飛行器飛行的影響非常巨大，業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)翼面散熱的方式進(jìn)行了大量研究[11-15]，研究結(jié)果表明：翼型散熱器相關(guān)的主要參數(shù)是形狀、迎角和排熱區(qū)域，其中，由外形決定的層流-湍流轉(zhuǎn)變點(diǎn)的位置顯著影響排熱性能，而湍流邊界層區(qū)域則可用于增強(qiáng)排熱性能，因此可以通過形狀設(shè)計(jì)使得排熱區(qū)域處于湍流邊界層的區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)散熱性能的增強(qiáng)，但對(duì)飛行器整體而言機(jī)翼的形狀影響甚大，每一次改動(dòng)都必須對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行多元的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

除了翼型散熱器的研究以外，結(jié)合整機(jī)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)還體現(xiàn)在，螺旋槳-散熱器的協(xié)同設(shè)計(jì)，散熱器前渦發(fā)生器設(shè)計(jì)等方面，這些設(shè)計(jì)的目標(biāo)都是為了創(chuàng)造更好的湍流環(huán)境，從而增大熱管理系統(tǒng)的散熱能力。Elsaadawy E[16]研究了在螺旋槳?jiǎng)恿Φ娘w行器中，螺旋槳引起的滑流對(duì)對(duì)流換熱的影響，這一類飛行器采用多級(jí)渦輪增壓的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，研究結(jié)果表明螺旋槳的滑流效應(yīng)會(huì)引起機(jī)身表面流體層流-湍流轉(zhuǎn)變點(diǎn)的位置發(fā)生變化，而這一轉(zhuǎn)變點(diǎn)的位置對(duì)散熱和流動(dòng)阻力會(huì)產(chǎn)生非常大的影響，因此需要控制這一轉(zhuǎn)變點(diǎn)的位置。對(duì)于航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，必須設(shè)計(jì)好相關(guān)艙的外形流線，從而讓滑流效應(yīng)對(duì)散熱起到正向的促進(jìn)作用。

Ghazanfari[17]研究了三角翼型渦發(fā)生器的擾流對(duì)換熱器的性能影響，渦發(fā)生器產(chǎn)生的二次流是改善翅片側(cè)傳熱的有效途徑，它的作用是阻斷熱邊界層的發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)生縱向渦，改善靠近壁面的區(qū)域與遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域之間流體的傳熱和傳質(zhì)。研究表明，對(duì)于采用渦發(fā)生器的管翅式換熱器，渦發(fā)生器的迎角、翼長(zhǎng)、安裝位置都會(huì)影響傳熱的效果，另外渦發(fā)生器還會(huì)帶來一定的流動(dòng)阻力，為了在提高熱效率的同時(shí)減少渦發(fā)生器帶來的流動(dòng)阻力提高，必須設(shè)立多目標(biāo)優(yōu)化的方案來達(dá)到最優(yōu)配置。

結(jié)合整機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化研究集中在這些幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)阻和散熱的同步優(yōu)化，相關(guān)研究以翼型散熱器和湍流強(qiáng)化方式為主，皆需綜合考慮飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)，而另外一類研究則在與整機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)上加入了整體的能量管理，將燃油艙、動(dòng)力艙、乘員艙等所有需要熱量管理的部分集中在一個(gè)系統(tǒng)里，一方面實(shí)現(xiàn)散熱器的性能優(yōu)化，另一方面則將這部分熱量轉(zhuǎn)移至需要的部位，是一種熱量合理配置的方式，這種方式不局限于散熱的強(qiáng)化，是綜合熱管理系統(tǒng)思想的體現(xiàn)。

2.3 綜合熱管理系統(tǒng)的研究

綜合熱管理系統(tǒng)的研究是將燃油艙，動(dòng)力艙、乘員艙等熱量集中起來進(jìn)行分析，通過熱流的合理分配實(shí)現(xiàn)熱量管理，是真正意義上的熱管理系統(tǒng)，對(duì)熱流控制提出的要求也更高。燃油熱沉的熱管理系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的綜合熱管理系統(tǒng)，即將燃油艙的冷源和動(dòng)力艙的熱源連接起來，利用燃油為動(dòng)力艙散熱。陳劉忠[18]設(shè)計(jì)了幾套無(wú)人機(jī)綜合熱管理方案，不同的負(fù)載情況適用不同的綜合熱管理方案。在低負(fù)載工況下，燃油系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)基本等同燃油熱管理系統(tǒng)；在有新增電子設(shè)備艙的高負(fù)載工況下，則將全部產(chǎn)熱、散熱相關(guān)的系統(tǒng)整合起來，得到完整的熱管理系統(tǒng)。

在綜合熱管理系統(tǒng)中，低負(fù)載下整合燃油系統(tǒng)是提高制冷量的一個(gè)有效途徑，其最簡(jiǎn)單的方式就是增加燃油-滑油或者燃油-冷卻液散熱器，具體的燃油熱管理方案如圖2所示。燃油從供油箱消耗艙泵出后分為兩路，一路通過燃油-空氣散熱器和燃油-滑油散熱器，帶走發(fā)動(dòng)機(jī)傳給滑油的熱量；另一路通過燃油-液壓油散熱器，帶走液壓油的熱量[19]。但是考慮到燃油性質(zhì)和長(zhǎng)航時(shí)燃油的消耗，燃油熱管理系統(tǒng)的效果會(huì)隨著飛行時(shí)間的增加而遞減，因此只能處于一個(gè)輔助散熱的位置，另外由于高空環(huán)境中，制冷量非常有限，在大氣密度突變或者飛行狀態(tài)改變的區(qū)域，散熱情況會(huì)明顯惡化，此時(shí)，可以暫時(shí)啟用燃油熱管理系統(tǒng)，在工作情況穩(wěn)定后，停止使用燃油熱沉以避免燃油性質(zhì)惡化是使用燃油熱管理系統(tǒng)的另一個(gè)有效方案。

圖2 典型飛機(jī)燃油熱管理系統(tǒng)示意圖[19]

現(xiàn)有的綜合熱管理系統(tǒng)以燃油艙與動(dòng)力艙的整合為基本結(jié)構(gòu)，再按照需求加入電子艙的熱負(fù)荷和成員艙的環(huán)境溫度負(fù)荷。相變系統(tǒng)[20]是一種積累熱量集中處理的熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將航空電子負(fù)載和飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)熱量集中起來，運(yùn)輸?shù)缴崞髦?，材料的自身特性是該系統(tǒng)吸收和集中熱量的關(guān)鍵。此外，綜合熱管理系統(tǒng)還可以增加大量輔助系統(tǒng)，例如，Nagurny N[21]在液冷高空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用了廢熱回收系統(tǒng)。這一廢熱回收系統(tǒng)的原理是在一個(gè)基礎(chǔ)的液冷發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)上增加一個(gè)反向朗肯循環(huán)，制冷劑首先在再生熱交換器中預(yù)熱，在蒸發(fā)器中達(dá)到飽和蒸汽點(diǎn)，蒸汽在渦輪機(jī)中膨脹后在再生器的另一層冷卻，后由燃料冷凝完成循環(huán)。這一設(shè)計(jì)適用于爬升結(jié)束和炎熱日的高海拔地區(qū)，能夠提高散熱器的耐久性，同時(shí)保證循環(huán)以15%的熱力學(xué)效率運(yùn)行，為航空電子設(shè)備提供足夠的電力。這一系統(tǒng)最大的問題就是引入了額外的重量，因此必須權(quán)衡這一額外重量的引入帶來的凈功率是否高于強(qiáng)加的損失，同時(shí)這一系統(tǒng)必須在液冷活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用，但這一系統(tǒng)適合用于高空長(zhǎng)航時(shí)的飛機(jī)，因?yàn)檫@一類飛機(jī)具有長(zhǎng)耐久性要求和大量的可用熱源。

在單一的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力艙熱管理實(shí)在無(wú)法滿足需求的情況下，綜合熱管理系統(tǒng)是真正實(shí)現(xiàn)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的最終途徑，但其所需進(jìn)行的改動(dòng)和花費(fèi)的成本都較高，且其在實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間優(yōu)化協(xié)調(diào)的同時(shí)，仍需以變海拔優(yōu)化和多元目標(biāo)優(yōu)化為基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1)總體來講，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)的研究還不夠深入，高空散熱能力不足這一問題的解決多停留在面積增大和制造強(qiáng)制湍流兩個(gè)方面，不能很好地適應(yīng)活塞式飛行器高空長(zhǎng)航時(shí)飛行的實(shí)際需求，同國(guó)外相同產(chǎn)品的差距也較大。

2)與海拔影響因素相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題有：①高海拔下?lián)Q熱機(jī)理問題，②不同海拔間換熱公式的映射關(guān)系，③不同結(jié)構(gòu)散熱器的海拔適應(yīng)性問題。與多元目標(biāo)優(yōu)化策略相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題有：①整機(jī)流場(chǎng)與熱管理系統(tǒng)溫度場(chǎng)之間的協(xié)同優(yōu)化問題研究，②湍流增強(qiáng)途徑的輕量化研究，③流動(dòng)、傳熱、形狀、質(zhì)量等全參數(shù)協(xié)同優(yōu)化問題研究。這些問題的研究可以為飛行器續(xù)航能力和巡航高度的進(jìn)一步提高打下基礎(chǔ)。

3)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)下一階段的發(fā)展方向是得到適應(yīng)海拔變化的散熱器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)性能目標(biāo)的全參數(shù)協(xié)同優(yōu)化。最后，為了突破熱管理系統(tǒng)的自身局限，可以在上述發(fā)展目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合整機(jī)情況進(jìn)行綜合熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。