先进战斗机超声速巡航过程中的燃油温度变化特性分析

战斗机广泛地使用燃油作为飞机发热部件的热沉,先进战斗机在综合热管理技术的发展基础上,更加充分有效地利用燃油来冷却.用热量平衡方法建立了燃油传热关系数学模型,分析了超声速巡航状态下油箱中的燃油温度随时间的变化.结果表明:战斗机在超声速飞行状况下,影响燃油温度的最主要因素是飞行马赫数和燃油的回流量.应用C软件通过计算仿真来求解油箱内燃油温度.      

高超声速飞机电子设备舱热模型构建与仿真计算

高超声速飞机电子设备舱的温度场分析需要考虑外部气动加热、舱体热防护系统导热、内部热控系统传热,这三者之间相互影响,热耦合性强。目前对飞机电子设备舱的热分析研究尚没有针对这种热耦合的有效解耦算法。文中针对隔热型热防护系统和以液氮为热沉的相变热控系统为研究对象,建立了电子设备舱隔热层、电子设备、舱内温度场、液氮相变等热力学模型,实现热的解耦计算。完成了高超声速飞机电子设备舱温度计算,并开展了数值模拟方法与该方法的对比分析,表明该方法有效解决了气动加热、舱体热防护系统导热、内部热控系统传热三者间的热耦合计算问题,而且计算速度快、计算精度较高,可以满足概念设计阶段需要。     

航空电子设备冷却用环路热管冷凝器热沉分析

为确定环路热管用于机载电子设备散热的适用性,讨论了应用于航空电子设备冷却的环路热管冷凝器可用热沉,提出将机翼蒙皮作为环路热管冷凝器的热沉.通过机翼蒙皮的传热分析,计算了飞行任务包线下机翼蒙皮内表面温度,以确定环路热管冷凝器热沉温度范围.理论计算表明,利用环路热管将机载电子设备的热量耗散于飞机蒙皮是一种可行的热管理技术.      

基于石墨的宽温度区间快时变热载荷模拟方法

针对高超声速飞机结构试验中大范围快速升/降温加载难题,提出了一种基于石墨的宽温度区间快时变热载荷模拟方法。首先,形成了一种基于平板式石墨加热元件的超高温环境设计流程,提出了考虑加热环境的加热元件厚度设计与强度校核方法;其次,针对快时变热载荷模拟需求,提出了基于加热元件与试验件解耦的快速升温方法,分析了封闭环境中强迫对流换热降温效率;最后,基于前述方法研制了大范围快时变热载荷模拟试验系统,并针对炭气凝胶试验件开展了超高温快速升/降温试验验证。研究表明,试验件表面温度响应与设计要求基本一致,无明显的温度变化滞后与变化缓慢现象。针对碳基材料平板试验件,试验系统可实现500～1 800℃范围内的可控多次快速升温与快速降温,升/降温速率可达到10℃/s,为高超声速飞机结构热试验提供了技术条件。     

太阳能飞机能量平衡建模

能量平衡是太阳能飞机设计工作的核心和难点。基于太阳能飞机能量原理,结合太阳辐射模型和太阳能飞机典型飞行剖面开展太阳能飞机能量平衡建模研究。根据太阳能飞机起飞-爬升-巡航阶段和持续跨昼夜飞行阶段的飞行剖面和能量需求,分别建立了各阶段的能量平衡模型,给出了各时段的能量特性计算方法并对傍晚下滑阶段的多种飞行情况进行了分类讨论。最后以某太阳能飞机为例对本文所建立的起飞-爬升-巡航能量平衡模型和持续跨昼夜飞行能量平衡模型进行了验证。     

飞机燃油箱热分析研究

为了预测飞机燃油箱燃油温度在飞行过程中的变化情况,基于热网络法建立了飞机燃油箱非稳态热分析模型。该模型考虑了油箱内部的换热问题,同时又考虑了燃油箱壁面与外界环境间的对流换热、辐射换热以及气流的气动加热问题,将燃油箱热分析的边界扩展至燃油箱外。采用Matlab/Simulink软件实现了飞机整个航程内燃油箱系统的热分析研究,并将热分析计算结果与飞行测试数据进行了对比。结果表明,计算结果与飞行测试数据吻合良好,最大误差不超过3.2℃。     

高超声速飞机机载作动系统发展分析

吸气式高超声速飞机面临严酷的高动压、大热流飞行环境，要求机载系统既要兼具高功率、高效能与高耐热能力，又要满足严苛的体积、重量（质量）与能量约束，给飞控作动系统设计带来了极大的技术挑战。本文通过对高超声速飞机任务和平台动力特点的分析，系统地论述了其飞控作动系统面临的挑战，包括能源、结构和热管理等问题。基于已有高速飞机的公开资料，对作动技术发展现状进行了梳理，结合热管理与机载能源的发展趋势，展望了高超声速飞机作动系统的重点发展方向，并给出了具有可行性的发展路线。     

飞机燃油系统热管理研究

为了充分利用飞机所载燃油作为冷源来冷却飞机的其他机载设备与系统,发挥燃油的最大使用效益,提出了飞机燃油系统热管理.通过对飞机燃油系统中流体网络的关键部件燃油增压泵、液动涡轮泵和管网进行数学建模以求解流体网络各节点的流量、压力、温度和热损失,从而能预测出各种情况下换热器前的燃油入口温度和进入飞机发动机前的燃油温度.研究内容可为飞机燃油这一冷源的综合利用及飞机燃油系统的热管理提供科学依据.      

高超声速推进再生冷却研究综述

简要回顾了高超声速推进再生冷却的发展历程,介绍了高超声速推进再生冷却的基本特点。根据高超声速推进本身特点,从不同层面分析了高超声速推进再生冷却所面临的主要矛盾和难点。在此基础上,就高超声速推进再生冷却系统冷源不足、冷源及热载荷分布不均、系统动态特性复杂等问题的研究进展进行了详细的综述,包括热沉提升技术、超临界化学反应流动换热特性、强化换热技术以及再生冷却动态特性等方面的研究进展以及亟待解决的主要科学和技术问题。基于此,对目前高超声速推进再生冷却未来的发展进行了展望,认为高热沉燃料技术以及组合冷却技术等现有冷却技术的深化研究以及与其它领域技术的结合,是今后高超声速推进再生冷却的发展方向。     

基于热传导反问题结构表面温度辨识

结构表面温度是飞机热试验的重要参数。将热传导反问题技术引入飞行试验辨识结构表面温度,建立了飞机薄壁结构换热模型,提出了温度辨识算法,并进行了飞行实测验证。结果表明,该方法具有一定的工程应用价值。     

下一代战斗机综合环境控制/热管理系统开发现状

主要介绍了下一代战斗机在热能管理方式上的一个突破——综合环境控制／热管理系统的开发现状，下一代战斗机在设计上更注重从全机水平上考虑系统功能和效率。在这一背景下，环境控制系统的多种制冷方式联合作用，形成综合环境控制系统。更进一步，环境控制系统与热管理系统组合，形成综合环境控制／热管理系统。系统在全机范围内对热能进行管理和控制。系统考虑整个飞行包线内的设计需求，综合利用多种制冷形式和两种热沉——冲压空气和燃油，使系统在整个飞行包线内具有良好的性能，满足飞机总体需要。     

微通道热沉对流传热理论模型及实验

用理论及实验相结合的方法研究了微通道热沉流动与传热特性.首先,总结并提出了微通道热沉对流传热的理论模型;然后,实验测量并计算了微通道热沉的压降及努塞尔数,其理论值与实验值吻合较好,平均误差在10%左右;最后,分析了不同雷诺数及通道宽高比时的导热热阻、对流热阻及电容热阻占总热阻份额的大小.结果表明:对流热阻是影响微通道热沉传热性能的重要因素,当雷诺数为985,通道宽高比为1时,对流热阻占总热阻90%左右;而在雷诺数较小时,导热热阻占总热阻的份额小于10%,可以忽略不计;电容热阻占总热阻的份额随着雷诺数及通道宽高比的增大而降低.      

基于TEC的空间站末端回路温控系统建模及其热力学性能分析

针对空间站中间回路温度波动过大,高温时导致科学载荷工作温度超出允许范围的问题,设计了一种基于热电制冷器(TEC)的末端单向流体回路温控系统。该系统包含一个TEC温控模块,当中间回路温度过高,末端回路冷却功率不足时,该模块可提供额外的制冷量,降低流入冷板的工质温度,形成针对科学载荷的相对低温区域,恢复回路的冷却能力。分别建立了温控系统数学模型与数值仿真模型,并完成了热负载扰动、中间回路温度扰动、末端回路流量扰动和并联支路热扰动等4种扰动对系统热力学特性影响的仿真分析,验证了TEC模块的温控性能。结果表明:在科学载荷发热功率增加30%、中间回路的温度升高5K、末端回路流量减小至0.0015kg/s等多种工况下,所设计的温控系统能够将载荷温度控制在1K以内,实现科学载荷精确温控。      

用于发动机羽流试验研究的液氦热沉设计

超低温大型卧式热沉采用液氦制冷,将在国内实现热沉表面温度低于10K,主要用于航天发动机羽流效应试验,同时兼顾卫星等热真空试验.热沉主体结构为卧式圆筒型,为减小热损失,液氦热沉去掉了骨架,外部装有液氮热沉,两者采用一体化设计,液氮热沉既做液氦热沉的防辐射屏,又做液氦热沉的支撑.为增大抽速,舱体封头端设计了可拆卸的羽流吸附泵.羽流试验时液氦热沉、羽流吸附泵通液氦制冷,液氮热沉通液氮制冷,各部分热沉单独供液.对此大型热沉进行了方案设计、参数计算,对热沉预冷及稳态工况时的液氮、液氦消耗量进行了估算,分析了羽流试验时热沉抽气速率随试验工质温度的变化关系,得出液氦热沉对氮气的抽气速率可以达到107L/s量级.      

飞行器热防护与利用一体化系统实验与模拟

通过设计一种基于主动冷却的点阵桁架结构,在降低飞行器质量的同时,实现有效的热防护效果,并在该结构中加入半导体温差发电装置,将产生的气动热转化为电能,可用于飞行器小型用电设备供电.对该热防护与利用一体化系统进行了实验研究.在不同工况下,温差发电功率远大于主动冷却系统的泵功消耗,可实现主动冷却系统的自驱动.通过添加管内表面...     

A power and thermal management system for long endurance hypersonic vehicle

Due to the pneumatic heating and combustion effect, the scramjet engine of hypersonic vehicle faces high temperature challenge. It is necessary to comprehensively consider its thermal management and power generation together. A new Power and Thermal Management System (PTMS) combined with Supercritical Carbon Dioxide (SCO₂) closed Brayton cycle and fuel vapor turbine is proposed and discussed in this paper. The new PTMS can meet the cooling requirement of hypersonic vehicle at Mach number 6–7, and avoid the coking and scrapping in the scramjet cooling channels. Compared with the PTMS only based on fuel vapor turbine, the new PTMS utilizes the waste heat of scramjet to generate more electricity. In addition, it can reduce the use of fuel sink for cooling, and the additional weight penalty can be compensated for long endurance hypersonic flight.     

高超声速飞行器舵面作动器舱环境设计及应用

针对高超声速飞行器热结构区域作动器舱环境控制相关技术进行研究,包括耐热结构可重复使用防热设计、外部热结构的作动器舱热防护构型设计和作动器舱动密封设计等。根据舱体的不同部位采用隔热式、辐射式和热沉式的防热构型,而作动器与舱体的运动间隙密封则采用一体式动密封构件。通过隔热特性分析、承载能力分析和热设计仿真分析等手段,优选出合理的热防护系统的适用参数。     

高超声速飞行器瞬态热试验

为了进行高超声速飞行器热防护系统的初步设计和数值计算的验证,设计开发了高超声速飞行器瞬态气动加热地面试验系统及其控制软件.试验系统能够根据飞行器的飞行轨迹和外形参数加载瞬态热流,实时测出结构表面的热流值和温度,得到飞行器的表面试验热流曲线和温度曲线.试验系统采用真空舱模拟飞行环境,并为此设计了冷却床,在真空环境下能比较真实的模拟热防护系统的下表面热环境,使瞬态热试验的原理更加合理,精度进一步提高.      

综合热管理在先进战斗机系统研制中的应用

分析了国外先进战斗机的发展情况，对比了需求的变化和发展趋势，阐述了综合热管理思想的内涵。结合中国先进战斗机的研制，论证了综合热管理的必要性和可行性。结合中国实际情况，提出了热收集、热传输、热排散等综合优化设计方法，采用了多路径高效热收集传输手段、基于隐身的热排散等工程实现途径。综合应用基于温度控制的流量调节、内外循环热综合控制、多模式重构技术等手段，实现了热沉与制冷量的管理，满足了不同状态的热管理需求。针对未来的发展方向以及战斗机热管理面临的难题，提出了一定的见解。