发布时间：2020-07-24所属分类：科技论文浏览：1次
摘 要： 飞机综合热管理技术作为飞机能量管理系统的主要功能之一，机载电子设备热载荷增加，可用热沉有限，需要综合考虑飞机各部分制冷量需求，从热量的产生、传输、热沉等方面考虑，统一配置和管理，提高热量管理的效率。热管理系统试飞是在真实复杂环境下，考核座
飞机综合热管理技术作为飞机能量管理系统的主要功能之一，机载电子设备热载荷增加，可用热沉有限，需要综合考虑飞机各部分制冷量需求，从热量的产生、传输、热沉等方面考虑，统一配置和管理，提高热量管理的效率。热管理系统试飞是在真实复杂环境下，考核座舱制冷、电子设备冷却、流量分配、燃油温度管理、故障预警和重构等一系列能力，并通过系统动态仿真，提高试飞效率，缩短试飞周期。
随着先进技术的应用，导致了飞机热载荷大幅增加，未来飞机热载荷的主要来源包括①对于常规布局飞机，发动机性能稳步提升，带来飞机整机机动性能提高，长时间超音速，大机动飞行，热载荷大幅增多;②任务系统升级，雷达、电子战等大功率密度电子设备使热载荷增加;③高高度高超音速飞行器飞行过程中，因气动加热，飞机蒙皮温度在 100℃ 以上，热量向外传递更加困难;④为充分利用能源，未来会使用更多的电气设备，传统的液压驱动部件会被电驱动组件代替，对热管理系统提出了更严酷的考验;⑤未来高能激光等定向能量武器配置将在短时间内产生大量能量。
然而未来飞机的可用热沉有限，主要在以下方面①为了获得更轻的整机重量、更好的隐身性能，大量采用复合材料代替传统的金属材料，同时减少了机外散热口来提升隐身性能，增加了热量向机外传递的难度;②机上电子设备种类增加，占用了更多的油箱空间，携带燃油量不升反降，热沉维持原状或减少;③随着飞行持续，燃油温度升高，质量减少，热沉的减少对系统优化提出更高的要求。
由此可见，未来飞机急需对热沉进行综合管理，提高能量的利用率。为了应对挑战，需要从更加宏观的高度去应对热管理问题，大批新技术目前已得到应用，主要用到的技术有综合机电管理技术、综合能量管理技术、开式空气循环制冷技术、闭式液体冷却技术、蒸发循环制冷技术，机载燃油的管理和综合利用技术等。
国内外综合热管理技术的发展
国外十分重视环控与热管理技术的发展，目前国内外广泛使用的高压除水升压式空气循环空气系统，在 50 年代已能看到相关研究报告，至 70 年代中后期在飞机上得到广泛应用，高压除水空气循环方式可明显降低座舱和电子设备舱冷却通风空气的含湿量，并能达到很好的制冷效果，目前西方国家和俄罗斯广泛采用这种升压式空气循环制冷系统。
在 70 年代末期，随着机载电子设备功率密度的增加，已经出现空气循环和蒸发循环液冷混合的环境控制与热管理系统的研究报告，随着蒸发循环组件制造技术的完善，蒸发循环在飞机上的应用已经成熟，这样可以充分发挥液体冷却功率大，冷却效果稳定的优势。
在 80 年代末，已经有综合热管理相关的研究报告，强调飞机热管理系统的研究应与飞机其他系统包括燃油系统、液压系统综合考虑。例如，比较典型的例子是美国第四代战斗机 F - 22，采用综合控制的环控与热管理系统，以燃油和冲压空气作为热沉，采用闭式蒸发循环液冷装置，其热量传递过程如图 1 所示。
上 个 世 纪 90 年 代 就 开 始 了 一 系 列 分 系 统 综 合 技 术(SUIT)，其核心是热 / 能量管理组件(T/EMM)技术，主要包括“‘热油箱’燃油热管理系统计划”，“多电飞机(MEA)计划”，“分系统综合技术验证(J/IST)计划”等。2008 年美国空军研究实验室(AFEL)为解决现有热管理技术无法满足飞机本身和高能武器上机问题，启动了“综合飞行器能量技术(INVRENT)”计划，并向工业界招标书中提出“能量优化飞机(EOA)”计划，如图 2 所示为“综合飞行器能量技术(INVRENT)”计划作为“能量优化飞机”的核心，该计划分三个阶段。第一阶段关注近期技术，解决 F - 35 飞机热管理问题;第二阶段，关注中期技术，以满足下一代能量优化飞机需求;第三阶段关注远期技术，主要面向高超声速平台、超声速远程攻击系统等。国外战斗机环控与热管理系统发展趋势见表 1 所示。
热管理核心关键技术及未来趋势
蒸发循环制冷技术
在早期航空工业发展中，蒸发循环制冷技术存在重量大、体积大、可靠性差的问题，但有着制冷效能高的优点，随着技术进步，逐步解决了制冷剂泄漏、维修性等问题，在直升机和固定翼飞机上开始迅速广泛应用。机载设备功耗急剧提高，燃油热沉有限，蒸发循环能能够为电子设备提供稳定的工作的环境，在近几年的预研项目中投入大量的人力和物力。
在直升机发展的初期，座舱环控系统只提供加温、通风和除雾功能，不具备座舱制冷的功能，为满足飞机在高场温和高湿热环境下，能够为机组提供适宜的周围温度，上世纪 60 年代，国外飞机开始提出为直升机配置空调制冷或空气循环制冷的方案，受直升机发动机提取功率限制，空气循环制冷效果有限，随着 70 年代，蒸发循环技术突破，美国从给电子吊舱配置蒸发循环系统的获得经验，成功为“黑鹰”VH - 60N、“阿帕奇”AH - 64 等直升飞机座舱配置了蒸发循环系统。
在战斗机上采用蒸发循环制冷系统的典型案例是 美 国 F - 22 隐 身 战 斗 机， 由 于 相 较 上 一 代 战 斗 机 10kW ～ 18kW 制冷量需求，F - 22 战斗机的电子设备和座舱制冷量需求在 60kW 左右，热负荷急剧增加，采用空气循环制冷和蒸发循环液冷相结合的方案很好的解决座舱和电子设备的冷却需求，F - 22 飞机蒸发循环液冷系统主要负责约 50kw 的雷达、电子战等大功率密度电子设备，空气循环制冷系统主要负责低功率密度电子设备和座舱温度控制，并向生命保障系统提供温度湿度相对合适的输入气。F - 22 飞机上第一次实现一体化的综合能量管理，充分利用燃油作为热沉，环境控制系统能够实现数据采集、处理、故障诊断，告警等功能。
F - 22 飞机环控与热管理系统控制示意图如图 3 所示，蒸发循环制冷装置由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀组成，冷 PAO 循环子路与雷达、电子战设备相连，将吸收的热量传递给蒸发循环，热 PAO 循环子路与气 / 液、燃油 / 液散热器向交联，进行热量传递。
未来随着下一代飞机激光等高能发热设备和长航程飞机任务需求，飞机对蒸发循环制冷量会提出更高功率、更高效率和适应性更强的制冷要求。
热管理未来技术发展趋势
从局部热控到全机综合热管理
未来新一代作战飞机热环境会更加恶劣，热载荷增幅明显、超音速飞行、隐身等因素，限制冲压空气冷却的使用;高速飞行器复合蒙皮材料限制了机内热量向外界大气辐射散热。因此，飞行器需要具有更强、更智能的热管理能力，需要发展数字控制综合热管理技术。
从状态监控到故障预测与健康管理
通过对环控与热管理系统工作原理、故障机理、故障模式等诸多因素进行分析，运用综合测试评估、仿真验证等技术，提升环控与热管理系统在故障预测、容错重构、降级处理、自修复等方面的能力，实现热管理系统故障预测与健康管理，使热管理系统具备对自主维护保障的支持能力，降低使用成本，提高使用完好率。
从多能源到单能源
目前飞机能量分配中，非推进能源主要有 3 种形式：气压能、液压能和电能。传统飞机能源体制存在二次能源类型多，转换效率低，发动机功率提取大，系统可靠性和维护性差等缺点，缺乏从飞机整机进行优化配置的能力。多电 / 全电技术是用电能取代其他二次能源，实现飞机上二次能源从多种形式向单一形式的转变。环控与热管理系统也需要适应这种转变，在变化中稳步提高效率。
从低比热到高比热的热沉
针对下一代飞机高隐身、高马赫数飞行器机内热量不平衡现象，急需研制更高比热的热沉，满足在相同温升条件下，吸收更多的热量。
试飞试验方法探究
飞机综合热管理系统试飞试验主要考核飞机在适宜温度和边界温度(高温、低温、高温高湿)等环境下座舱温度控制能力、电子设备舱温度控制能力和热管理系统管理能力。随着热管理系统复杂化和智能化提高，对验证试飞提出了更高的要求。
新的关键测量技术应用
座舱热载荷测量主要测量座舱温度场、流场、湿度场，给出座舱温度场分布;同时采用柔性材料心电心率遥测设备监测飞行员生理状态。周围温度场测量采用舱内固定温度采集、飞行员人体周围温度测量(含肩部、头顶、胸部、腿部和脚部)、柔性体表温度测量、热场强仪测量。
为更深入研究热量传递过程，需要在气冷、液冷、蒸发、燃油、液压和滑油组件上加装管路或环境温度、压力、流量、湿度传感器，针对液冷管路采用涡轮流量计、压差法测量测量流量。
热管理的常规试飞考核
座舱热管理试飞考核科目有座舱地面瞬态加温能力、地面稳态加温能力、地面瞬态制冷能力和地面稳态制冷能力。飞行中考核座舱加温能力、座舱制冷能力、座舱温控能力以及座舱除雾能力。主要研究座舱温度控制，流量控制，流量分配等性能。
电子设备热管理试飞考核科目气冷电子设备试飞和液冷电子设备试飞，主要考核飞机机体和任务系统在不同状态、热管理系统对气冷电子设备持续供气能力，以及对液冷电子设备冷却能力。研究气冷设备舱空气流量分配，液冷供液分配，制冷量分配，供液温度控制，燃油温度变化趋势控制，冲压气液散热器、空气 / 燃油散热器性能考核。
热管理系统控制能力试飞主要考核①热管理系统对压力、温度、流量，超温信号、故障告警等状态的监测;②故障状态重构，降级状态下仍然能够满足热量传递;③故障自动定位，评估，预测。
热管理系统极限性能考核
高温试验考核内容包括热管理组件高温适应性、座舱制冷性能、最大制冷性能、飞行中随着燃油热沉减少对系统影响规律和电子设备舱温度控制等。
低温试验考核内容包括热管理组件高温适应性、液体管路密封性能、座舱加温性能(多云、昼夜间等多种组合)、液冷适应性试验、燃油系统试验。
高温高湿试验考核内容包括座舱制冷试验、除雾性能考核。
热管理系统动态优化仿真热管理系统仿真就是采用数字化的方法建立分系统和各组件的动态模型，在仿真过程中，输入各部件参数，并结合大量的试验数据对部件参数进行优化，提高模型的准确性。
仿真计算可以在执行试飞任务前对热管理系统关键指标动态变化进行预测，而且能为因天气等因素未飞到的边界状态提供评估。仿真计算能够充分暴露设计缺陷，具有缩短研制和试飞周期，提高试飞效率，节约试飞成本等重要意义。
结束语
飞机性能整机提高，大功率电子设备装机等因素使得飞机热载荷大幅增加，而复合材料的大量应用、燃油热沉有限等因素使未来飞机更加注重热量管理，热管理技术从局部热量控制到全机综合热管理，从简单状态控制到智能健康控制，单一能源利用使能源利用率提高等等都需要在进一步突破。试飞内容也在随着热管理变化而发生转变，从以前只考虑简单座舱制冷、供液温度变化到现在全机热管理能量分配考核，更加注重极限状态考核和动态模型仿真，提高试飞效率。——论文作者：曹煜国 周 伟 王 鹏
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