一种机载紧凑式液冷单元的研究*

王 健

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

引 言

有源相控阵雷达开辟了机载火控雷达的新时代，较传统的机械扫描雷达，其目标探测性能、目标容量、可靠性等多项关键指标大幅提升。以美国F-18飞机使用的有源相控阵APG-79火控雷达为例，与机械扫描雷达APG-73相比，对空中目标的探测距离前者为后者的3倍，探测和跟踪的目标数量为2倍, 作战性能大幅提升[1]。因此，为适应未来空战的需求，为三代战机改换装更加先进的有源相控阵雷达，成为世界上很多国家非常迫切的现实需求[2]。

三代飞机使用的机械扫描雷达，功率密度低，普遍采用风冷散热形式。而有源相控阵雷达的功率密度大幅提升，热流密度达到20 W/cm2以上，采用液冷是解决雷达散热问题的最有效方式，世界各国装备的机载有源相控阵雷达均采用液冷形式[3]。如美国F16A/B战机在升级成F16C/D(Block60)后，使用的APG-80有源相控阵雷达就采用了液冷散热形式[4]。

火控雷达安装在飞机的机头位置，空间狭小，重量受限，对设备体积、重量提出了苛刻要求。美国Meggitt Defense System公司研制过一款机载全铝铸造液冷单元用于激光设备的散热[5]，但换热量小、供液流量和压力低，无法用于功率量级较大的相控阵雷达。国内也研制过类似的机载液冷系统和液冷单元[6-7]，但集成度低，未经环境试验和试飞验证。因此，研制一种集成度高、结构紧凑、换热效率高的液冷单元，实现原位换装，是三代飞机换装有源相控阵雷达的关键技术途径之一。

1 设计需求

针对上述需求和困难，本文开展了集成化、紧凑式、高效液冷单元的研究。该研究可以为我国现役大量的三代飞机换装有源相控阵火控雷达提供参考，释放换装工程中的技术风险。

该液冷单元的设计需要考虑多方面的因素，要能够满足雷达的液冷散热需求、通用重量特性要求，要实现集成化、小型化、轻量化，要能够适应机载恶劣的环境条件，还要能够克服飞机倒飞、侧飞、翻转等特殊飞行姿态对冷却系统稳定运行带来的影响，设计难度大。

2 多功能集成设计

目前，常规液冷单元主要包括：储水箱、膨胀罐、水泵、过滤器、换热器、旁通阀、排气装置、供液接头、回液接头、温度传感器、压力传感器、旁通管路、若干连接管路、若干阀门以及用于固定的结构底板和框架等。常规液冷单元与被冷却的电子设备组成一个闭式循环系统，工作原理如图1所示。

图1 常规液冷单元工作原理图

为保证液冷单元安全可靠运行，常规液冷单元还要设置安全阀、补液口、排液口、截止阀等设备。常规液冷单元设备众多，重量大，占用空间多，如果据此设计三代飞机换装用液冷单元，将无法满足使用要求。

为此，本文研制的液冷单元采用了多功能集成化设计的思路，通过合理的组合，将多个功能设备集成为一个设备，以减少空间和重量，如图2 虚线框所示。

图2 多功能集成设计示意图

膨胀储水箱具有容纳冷却液、定压膨胀功能，内置有弹簧活塞装置，用于平衡系统内的冷却液由于环境温度差异带来了的体积变化，同时将系统背压维持在一定的范围内，确保飞机在倒飞、翻滚等特殊飞行姿态下，水泵能够正常运行，如图3所示。该膨胀储水器设计了温压一体传感器可同时采集温度、压力2个信号，减少了传感器的数量；过滤器采用快卸自封结构，取消了过滤器两端的阀门；综合底板内部集成了5条流道，实现膨胀储水箱、水泵、过滤器、换热器等主要设备的连通，节省了管路占用空间和重量。

图3 膨胀储水箱结构示意图

本文研制的液冷单元简化了旁通管路设计，在水泵内部设计了弹簧式压力调节器，当水泵出水口压力超过门限值时，活门自动打开实现系统旁通，原理如图4所示。

图4 水泵旁通原理图

3 结构设计与仿真计算

本文研制的液冷单元主要设备包括：膨胀储水罐、水泵、过滤器、换热器、传感器和综合底板等设备，还设置了安全阀、漏液收集器、快速接头等。液冷单元通过综合底板上的定位销、松不脱螺钉与飞机刚性固定，并实现与飞机供风系统的密封连接。液冷单元设置的漏液收集器，用于收集安全阀排出或水泵渗出冷却液，防止冷却液随意排放造成隐患，同时便于观察和维护，及时发现问题。液冷单元结构和设备布局如图5所示。

图5 液冷单元设备组成示意图

为提高换热器空气侧的换热效率，在本液冷单元设计时对进风口的静压腔进行了仿真优化设计，使换热器的风速分布尽量一致，提高换热效率，换热器内部风速分布如图6所示。

图6 换热器截面风速示意图

换热器采用逆叉流铝合金板翅式换热器，液侧两流程，空气侧单流程。液侧的翅片节距b1=1.7 mm，波高h1=2 mm，波厚δ1=0.2 mm，空气侧的翅片b2=2 mm，波高h2=4.7 mm，波厚δ2=0.15 mm。经过校核计算，换热效率η=85.4%，换热器量超过5 600 W，满足设计要求。

通过对整个液冷单元的结构力学仿真可知，液冷单元在竖直方向加速度量值条件下，具有最大应力为212 MPa，在综合底板与定位销的连接位置，如图7所示。而底板材料为7A09，屈服强度为410 MPa，超过最大应力，因此满足强度要求。

图7 液冷单元整机强度分析云图

膨胀储水箱是液冷单元的关键设备之一。为降低重量，膨胀储水箱采用了薄壁、柱状结构形式，在其外壁设置了环肋，以加强结构强度。液冷单元系统的最大压力为1.5 MPa，在安全系数1.5的条件下对膨胀储水箱进行力学分析，仿真结果表明壳体最大应力值为100 MPa，如图8所示，远低于膨胀储水箱所使用的5A06铝合金材料的屈服强度350 MPa，满足产品使用要求。

图8 膨胀储水箱结构强度分布示意图

按照设计需求，液冷单元及雷达整改系统冷却液为3.5 kg，要求膨胀储水箱容积不小于0.5 L、体积补偿量不小于0.2 L。本文液冷单元设计的膨胀储水箱容积约为0.6 L，水箱内的活塞直径为75 mm，活塞几何系数K为0.87，活塞截面A为0.004 4 m2，正常工作时系统背压P约为0.1 MPa，体积补偿设计值为0.25 L，因此活塞压力为：

Fh=KAP=383 N

膨胀储水箱的弹簧采用1Cr18Ni9材料，相关参数如下：

弹簧钢丝直径：d=5 mm；

弹簧外径：Dw=65 mm；

弹簧有效圈数：n=5；

压缩量：L=67 mm；

自由长度：H0=100 mm；

压缩后长度：H1=33 mm；

节距：t=18 mm。

通过柱状弹簧的计算公式可知，弹簧的压力：Ft=392 N。弹簧压力与补偿体积要求的活塞压力383 N基本一致，满足设计要求。

4 性能与试验

本文研制的液冷单元对外换热能力大于5 500 W，外形尺寸为220 mm×210 mm×200 mm，质量约为15.8 kg，采用乙二醇冷却液，额定供液流量600 L/h，额定供液压力为0.5 MPa，耗电量为500 W，顺利通过了-55 ℃～70 ℃高、低温储存和工作试验以及苛刻的温度-高度、湿热、振动、冲击和加速度试验。

美国F16C/D战机APG-80雷达使用的液冷设备采用分散安装形式，设备量大，连接管路复杂，占用较大空间，而本文研制的液冷单元，实现了一体化设计，设备少、体积小、重量轻，可整体拆卸换装，维护方便快捷。

美国Meggitt Defense System公司研制的液冷单元与本文研制的液冷单元相比(折算成单位换热量和同等供液温差)，两者的体积重量相当，但后者的供液流量和供液压力达到了前者的2倍以上。

文献[7]中的一种超小型液冷系统的换热量为2 500 W，外形尺寸为200 mm×250 mm×100 mm，质量约10 kg，耗电量为300 W。与之相比(折算成单位换热量)，本文研制的液冷单元供液压力更高，而体积减小约8.6%，重量减小约26%，能效比提高约25%，综合使用性能更加优异。本文研制的液冷单元与其他同类液冷单元的指标对比如表1所示。

表1 液冷单元性能指标对照表

5 结束语

该液冷单元已经通过了试飞测试，性能稳定，安全可靠，各项性能达到了设计要求，为我国三代飞机换装有源相控阵雷达，提供了一条可靠的技术途径。该液冷单元对机载、弹载条件下的液冷单元、冷却系统的设计，也具有现实的借鉴意义。