高空机载电子设备冷却方法综述与优选

王 瑜，牛 潜，康 娜，蒋彦龙，鲍 俊

(1.南京工业大学城市建设学院，南京 210009；2.南京航空航天大学航空学院，南京 210016)

随着机载电子设备的复杂化、集成化，电子设备的发热量呈指数级增长，而温度对电子设备正常运行的影响是毋庸置疑的，面临着高热流密度的挑战，传统的电子设备冷却方法已难以满足机载电子设备散热需求。

而在高空机载环境中，面对低压力、低空气密度和飞机加速、失重、倾斜[1]等特殊条件，电子设备如何高效且稳定地发挥作用，更是近年来学科领域的一大研究热点。现讨论近年来几种较为热门的机载电子设备冷却方法，通过对比分析探讨各自的传热性能与高空环境适应性；同时对复合冷却技术及其应用可行性进行展望。

1 高空环境散热特征

1.1 机载电子设备散热量

机载电子设备散热所需制冷量已高达50 kW，占机载温控系统总制冷量的比例超过85%[2]。电子设备的正常运行对自身温度和环境温度的要求都比较高。有研究表明，在70～80 ℃范围中，温度每升高10 ℃，电子设备的可靠性就会降低50%[3]。数据显示，与散热有关的集成电路故障占所有集成电路故障的50%以上[4]。在工作环境温度很高时，电子器件的失效率与温度呈指数关系增长[5]，Murshed 等[6]2017年预测，到2020年高性能电子芯片最大热流密度会达到190 W/cm2，事实上，早在2007年就有研究表明许多电子设备都已经面临着要在约300 W/cm2热流密度的条件下保持温度低于85 ℃的挑战[7]，在某些高功率芯片中，单位体积散热量热流密度可达500 W/cm2以上[8]。功耗造成电子芯片发热温升[9-10]，会对设备中元器件造成影响，最终导致电子设备失效。因此，在对机载电子设备的热设计中，不仅需要控制温度，还需要有足够的冷却能力[11]。

1.2 低压对换热的影响

低压是高空环境对冷却性能的一个明显的制约条件。早在20世纪60年代就有学者研究了低气压条件下的热适应系数[12]，刘叶第等[13]研究了高海拔低气压下板式电加热器的换热性能，低气压会导致空气密度降低，根据传热学理论，这将会造成对流换热系数h降低，进一步导致加热器的性能降低。付仕明等[14]分析了载人航天器舱内气压下降对空气强制对流换热能力的影响，及气压对空气流动参数和物性参数的影响，根据经验关联式和数值分析进行了验证，指出舱内气压的下降导致空气强制对流的换热能力下降，当气压低于3.04×104Pa后，通过空气强制对流带来的散热量已经十分有限。刘欣等[15]也得出了类似的结论，并通过了实验的验证。由以上研究可知，低压对换热的影响主要体现在低空气密度导致的低对流换热系数上。徐世杰[16]搭建了低压舱内研究设备传热特性的试验台，经研究表明，低压工况下，对比自然对流，强制对流能弥补低压带来的散热弱化，增强器件的散热能力。

由以上内容可知，低压对换热的影响主要体现在对空气密度的影响上，进而影响对流换热系数导致换热性能降低。

1.3 微重力对换热的影响

飞机的加速俯冲失重造成的环境类似于微重力，微重力的环境与近地面重力环境下的换热特性有很大的不同。王晶等[17]利用数值模拟软件对比分析了航天器密封舱内有无重力时的对流换热特性，结果表明重力对空气温度及分布的影响不大，影响较大的是壁面换热量。空气与壁面温差越大，通风流量越小，重力的影响就越大。王许稳[18]指出微重力影响了蒸汽凝结特性，表面张力取代了地面上重力和表面张力的主导地位，增大了传质阻力和冷凝热量的传递热阻，阻碍了冷凝的发生。程文龙等[19]用模型模拟微重力条件的喷雾冷却，得出在单相区重力条件影响较小，由于微重力条件下气泡难以脱离等因素，微重力对换热的影响主要是在两相区，微重力下两相区换热能力明显低于常重力条件，且温度不均匀性增大。赵宇新[20]着重分析了在喷雾冷却中重力对两相区换热性能的影响，发现其主要影响的是气泡传热过程。

微重力对换热的影响主要体现在微重力影响表面张力，主要影响区域为两相区，对液膜特性要求较高的冷却手段受微重力的影响最大。

2 现有冷却方法

2.1 风冷方式

风冷是最经典的冷却方式，也是飞机上使用最多的一种电子设备冷却方式。传统风冷多采用自然对流或强迫对流的方式。强迫风冷的传热性能是自然对流的 6～13 倍，但需要增加泵或风机，成本增加，噪声变大，运行可靠性低[21]。而在高空机载领域，强制风冷常采用飞行器表面开口引流或进气道分流，该方式无需风扇设备，对飞行器的体积、重量和系统的复杂程度没有影响，很好地解决了上述问题，目前被广泛使用[22]。与其他冷却手段相比，风冷技术可靠性高、系统简单、成本低廉[23]。但强制风冷技术的最大热流密度只能达到50 W/cm2，很难满足大多数高热流密度机载电子设备部的散热需求。

而在高空环境中，仍有一些特殊条件需要解决，如随着飞艇的高度上升，周围大气密度会不断下降。例如，近空高超音速飞行器通常在其高度为20 100 km的空域中运行[24]，此飞行高度下的大气非常稀薄，所引入的空气量受到严重限制，进而空气的质量流量会降低，导致风冷系统的制冷量不足等，有学者提出一种基于开放式二氧化碳制冷和冷板相结合的平流层飞艇载荷舱电子设备冷却方案，此方案能很好地解决高空机载环境中单纯采用冷板散热所面临的制冷量不足的问题[25]。另一方面，由于高马赫数引起的气动加热，引入的空气温度相当高，因此，以引入的空气作为风冷主要来源的散热器，不适宜用于近空飞行器的热控系统。

2.2 液冷方式

随着电子设备元器件更加的精密化、复杂化，其热流密度也在不断地增大，传统风冷技术已很难满足大部分元器件的散热需求，蒸汽循环制冷技术虽然系统设计较为复杂，制冷剂容易泄露且可靠性不如风冷技术，但其更高的散热效益，可达到3～70 kW的制冷能力范围[26]，相对于风冷技术还是能展现出很大的优势。且机载蒸汽循环冷却技术发展迅速，早先掣肘机载应用的一些技术问题也基本得到解决。蒸汽循环制冷技术的优势主要体现在其制冷量大、性能系数高、不需要发动机引气、控制精度高、适应性强大等方面，且不同于空气循环，蒸汽循环是闭式系统，基本不与外界大气接触，飞行高度与飞行速度对系统的影响很小[27]。

虽然一些研究表明飞行高度与飞行速度对蒸汽循环制冷系统的影响很小，但飞行器的各种机动动作会给系统带来不同的运动载荷，会使系统管道中的两相流流动规律、传热特性以及传质性能受到不同程度的影响。此外，在微重力和超重力的环境下，两相流的特性也都与地面有明显不同。马启成[28]搭建地面旋转实验台模拟飞行过载，得到了水平管道中蒸汽凝结的初步特性。由于高空是微重力环境，微重力环境下的相变也成为领域内的研究热点，不少中外学者都对微重力环境才的凝结换热特性展开了深入的研究，王维城等[29]建立了数理模型，通过改变重力加速度g进行了仿真模拟，研究了微重力环境下的管内凝结换热特性，提出了一种研究微重力凝结换热特性的方法；Liu等[30]提出了一种在微重力环境下研究管内冷凝热传递的方法，建立模型计算重力加速度g从0～9.8 m/s2所对应的传热系数，得出在微重力下凝结过程的连续进行是因为蒸汽剪切力有效地移动了凝结液膜；Chen等[31]分析总结了微重力、剪切应力、表面张力、毛细力和离心力对冷凝现象的影响，指出在微重力机载环境冷凝过程中的重力可以有效地被旋转系统产生的离心力所代替。

2.3 热管冷却

热管是近年来兴起的一种新型机载电子设备热量导出方法，其原理如图1[32]所示。

图1 热管工作原理示意图[32]Fig.1 Schematicdiagram of heat pipe operating principle[32]

热管的传热效率高，有研究表明，在40～160 W的发热流量范围内热管换热器都有良好的散热性能[33]，最高热流密度可达200 W/cm2[34]，有结构简单、造价低廉、传热过程迅速，无需其他额外动力、利用毛细结构的特性克服太空中微重力的限制、蒸汽与液体通道可分离等优点[35]，因此被广泛认为是一项很有前景的高空机载电子设备冷却技术。

然而在高空机载环境中，仍有一些需要克服的关键问题，如飞机的变速、旋转过程带来的加速度和飞机变换姿势时热管的倾斜角度，都对热管散热有一定的影响[32]。赵晓军[36]利用Fluent软件定量研究了飞机加速度带来的动载对热管传热性能的影响，得出动载会造成热管壁面温差增大进而导致传热性能降低的结论；王晨等[37]研究了倾斜角度对平板热管换热性能的影响，得出由于重力阻碍工质回流，热管倾斜角度越大，其热阻越大的结论。程伟良等[38]对热管传热性能的优化和综合设计进行了研究。分析了管道内的散热片，管壳直径和工作流体填充率这三个影响传热性能的因素。韩晓星等[39]设计了一种比单芯片散热能力更好的多芯片平板热管换热器，可将散热器的散热能力提高至500 W。

2.4 微通道冷却

微通道冷却即微型槽道液体冷却，微通道冷却技术最早于1981年由Tuckerman等[40]发现并提出，其结构形式如图2所示。

图2 微通道结构示意图[35]Fig.2 Schematic diagram of microchannel structure[35]

研究表明，在微通道内，冷却介质会吸热迅速发展到核态沸腾阶段，此阶段液体处于极度不平衡状态，具有很强的散热能力，可承受很高的热流密度，在300 kW/m2的热流密度下可维持电子设备温度在32 ℃[41]，微通道正常运行时最大热流密度可达103W/cm2[42]。

微通道冷却技术具备结构紧凑、体积微小、传热性能高等优点，应用于高空机载环境是有一定优势的，目前可知在航空航天领域已经有应用方面，如应用于燃烧室[43-44]、预冷器[45]及涡轮叶片[46]等，但由于微通道冷却技术制造工艺复杂、加工成本较高、对流体洁净度要求较高[22]，而且在微小化尺度通道中的两相流与常规通道中有差别，会有沿通道方向的较大的压降以及两相摩擦[47]，表面张力与惯性力的影响已经超过重力的影响[48]，再者，在高飞行马赫数的环境下，微通道内冷却工质高温、高压、微尺度流动传热的研究还处于初步探索阶段[49]，因此目前此项技术还尚未能在高空机载电子设备冷却中广泛应用。但已有学者研究了微通道沸腾期间的两相压降波动[50]，通过优化微通道的结构类型来弥补过小尺寸产生的过大压降和温度分布不均匀的问题[51]，研究涉及了波浪形、双层[52]、肋槽道、T型[53]等不同的微通道结构[54]，从而对流动特性和热特性进行优化。

2.5 喷雾冷却

在Visaria等[55]提出的三项最活跃的两相冷却方案中，喷雾冷却被高度推荐为最有前途的冷却方法[56]。喷雾冷却可分为开式和闭式，高空机载电子设备主要应用的是闭式喷雾冷却技术，闭式喷雾冷却系统主要由喷雾室、喷嘴、泵和冷凝器组成，其结构形式如图3[55]所示。

图3 喷雾冷却系统示意图[55]Fig.3 Schematicdiagram of spray cooling system[55]

喷雾冷却技术利用相变换热原理，具有换热能力强、冷却液流量小、均温性好、过热度小、临界热流密度高(高达103W/cm2)等优点，是高热流密度冷却领域和机载电子设备冷却领域中最具有竞争力的技术之一，目前闭式喷雾冷却技术已被美国国家航空航天局(National Aeronatics and Space Administration,NASA)列为未来机载热控系统的研究重点之一[57]。喷雾冷却多用于数据机房散热[58]，在某些特定环境下采用液氮喷雾冷却，能够瞬时提供更大冷量[59]。鲁森等[60]采用单喷嘴喷雾冷却的换热方式来研究旋转圆筒的换热特性；刘绍彦等[61]对喷雾冷却轴线处的雾化特性进行了实验研究与数值分析，研究结论都对喷雾传热的强化提供了参考。

然而目前应用于高空机载环境的喷雾冷却技术并不十分成熟，原因在于机载环境不同于地面环境，如在飞机加速、俯冲等失重条件下，会产生类似太空中的微重力环境。Golliher等[62]利用NASA的下降塔来构造微重力环境，搭建了一个20 in×4 in×5 in(1 in=2.54 cm)、内部喷嘴口径为0.02 in、喷雾锥角不超过55°、包含直径3 in圆形撞击面的矩形实验腔进行实验。结果表明，此环境下蒸汽和液膜很难分离回收，流体的分散效率低，导致表面张力形成大气泡，明显降低了传热性能，如图4[62]所示；重力场的变化带来了喷雾冷却系统传热和流体流动的一系列变化等，基于此影响条件，国内外展开了一系列微重力条件下喷雾冷却性能的研究并取得了一定的进展[63-66]，主要为利用数值模拟和模型实验等手段，内容主要集中在高热流密度航天器电子设备的喷雾冷却在低重力加速度条件下的温度分布、液膜特性、蒸发特性等方面。

图4 重力和微重力场下的喷雾冷却[62]Fig.4 Spray cooling under nomal gravity and microgravity[62]

高空环境的低压力也会影响喷雾冷却的换热性能。低压导致冷却剂的饱和温度下降，喷嘴入口处的冷却剂温度已经高于由环境压力确定的饱和温度，一旦雾化的冷却剂离开喷嘴，冷却剂的状态是过热，会发生闪蒸或沸腾。一般来说，低环境压力由于减弱对流而减少了设备和周围环境之间的热传递，但是闪蒸效应由于潜热的快速利用而促进了热传递的增强。

此外，飞机运行时的振动和加速度会对喷雾系统施加复杂的惯性力，影响液滴流动和液膜形成[67]，对冷却产生一定的影响。飞机的飞行方向会改变液滴喷射的方向，而众多研究表明，喷雾的方向对其冷却性能有较大影响，尤其是水平、倾斜方向，冷却性能与竖直方向相差很大[68-70]。

机载实验成本高，对微重力场等机载环境的模拟也很复杂，上述问题都制约了喷雾冷却技术在机载环境中的实际应用[71]。

虽然喷雾冷却技术在高空机载环境的应用还处于初步阶段，但不可否认喷雾冷却是极有前途的一项高空机载冷却技术，这需要今后进行更加深入而广泛的研究。

2.6 热电制冷

热电制冷是一种利用半导体的帕尔贴效应制冷的技术，其基本结构形式如图5[72]所示。

热电制冷具有体积小、结构简单、制冷迅速、可靠性高、无噪声、抗震性能优良等优势，而且热电制冷不需要制冷剂，不需要担心制冷剂泄漏的问题[73]，在药品储藏运输[74]、医疗精密器械和微电子散热等特殊场合发挥着无法替代的作用[75]。

然而热电制冷效率不高，只有蒸汽压缩制冷的十分之一[76]，目前商用的半导体制冷器热流密度仅为5～10 W/cm2[77]，而且有加工工艺复杂、价格昂贵、经济性差等限制因素[78]，而制冷效率主要受半导体材料的热电性能、制冷器的工作状态(如加工工艺、电源电压、工作电流等[79])和系统的散热条件几方面因素的影响[80]。由于热电制冷原理的限制，系统结构必须紧凑，这就降低了使用的灵活性。

热电制冷不需要制冷剂的独特性，带来了其受高空环境制约度小的优势。阻碍热电制冷在机载领域进一步发展的关键因素一是高空环境电力来源，二是热电材料[81]。随着热电制冷技术的不断发展，利用发动机产生的余热或飞行器表面的气动热[22]作为动力进行发电不失为一种可实施的方案。

P、N为由P型材料和N型材料组成的半导体P-N结构图5 热电制冷原理[72]Fig.5 Principles of thermoelectric cooling[72]

此外，热电制冷中有效的热端散热方式也是影响其制冷效率的重要因素之一[82]，王羽白等[83]搭建实验台模拟了机载环境下的热电制冷，其热端散热采用机外冲压空气进行直接风冷，这种方式在高空低温条件下会使热电制冷效率更高，反而在低空温度较高时制冷效率会大幅降低。此外有将热电制冷与热管散热、翅片散热、相变虹吸管散热等技术进行复合从而对半导体热端进行散热的手段[82]。

3 冷却方式对比

3.1 性能对比

上述6种冷却方式的对比如表1所示。

(1)风冷技术虽制造工艺简单可靠性高，但其制冷效率一般，无法满足机载电子设备中某些高热流密度区域的散热要求。

(2)液冷技术制冷能力比风冷好一点，但是仍然不能很好地解决热流密度聚集的问题。

(3)热管技术成本低廉、系统简单、制冷能力能满足大部分机载电子设备的散热需求，且不需要其他任何额外动力，是一项经济高效的新兴冷却技术。

(4)微通道冷却技术制冷能力高，但其制造工艺复杂，成本偏高，由于微通道尺寸太小，很容易出现制冷剂堵塞通道的情况，对制冷剂的洁净度要求很高。

(5)喷雾冷却技术作为一项新兴冷却技术，具有很优良的冷却性能，均温性好，工质需求量小，相对于微通道冷却可靠性高，缺点在于系统较为复杂。

(6)热电制冷是一种不需要制冷剂的环保新兴冷却技术，但由于其制冷能力一般，系统复杂，目前并未能在高空机载电子设备冷却领域广泛应用。

3.2 高空环境适应性

从高空环境适应性角度看，高空环境对换热影响最少的冷却方式是传统风冷技术、热电制冷技术和热管冷却技术。风冷技术的高空环境影响主要体现在低空气密度导致空气质量流量降低，进而降低了制冷量。热电制冷技术由于其全部动力来源只有电能，不存在冷却介质的循环，几乎不存在高空环境影响换热的情况，只要考虑到机载电力来源即可。阻碍热电制冷技术应用的两个条件，电力来源和热电材料，都与高空环境关系不大，只需利用一些技术解决即可。可以说，在高空环境适应性方面，热电制冷具有不可超越的优势。由于高空是微重力环境，热管冷却中飞行器倾斜带来的重力与工质回流方向不一致的影响可以忽略不计，王晨等[37]设计了一种深微槽道热管，在各个方向和反重力条件下都能正常工作。若传统热管技术无法满足电子设备的冷却要求，还可以采用环路热管方式，这种方法传热性好、不受安装角度和传输距离的限制、受重力影响小[84]，是优化的热管技术。

表1 各种冷却方式的对比Table 1 Comparison of various cooling methods

其他几种冷却技术受高空环境的限制都比较多，若想利用其高制冷能力，就必须采取手段解决其高空环境的影响因素。每种技术的影响因素都不相同，解决方法的难易程度也不同，在实际的应用中应该综合衡量其换热性能和解决高空环境影响的难易程度，进而选出最优机载电子设备冷却方案。

4 多种散热方式复合

如今在高热流密度冷却领域，单一的冷却方式已经难以满足很多场合的要求，逐渐兴起的是更为灵活高效的两种或多种不同技术的复合方式，如射流与微通道的复合、微通道与喷雾的复合、微通道与热管的复合等。下面简要介绍几种常见的复合冷却方式并对比分析其各项性能。

4.1 射流和微通道复合

2.4节中提及微通道有温度分布不均和沿流动方向压降较大等不足，一种射流和微通道的复合方式，可以利用射流高速冲击加热表面带来的极强的换热效应来弥补微通道冷却的不足，而单孔射流的缺点是只有在驻点区才有很高的换热系数，可以利用微通道的多孔排布创造出更多驻点区[85]，两种技术互相配合，取长补短，可以达到更高的换热性能。其基本结构如图6所示。

图6 射流和微通道复合示意图[85]Fig.6 Schematic diagram of composite structure of jet and microchannel[85]

有学者对射流与微通道的组合冷却方式进行了一系列的研究，如用数值模拟分析了动态变化下一些因素对多冲击射流的微小通道的传热性能和温度波动特征的影响[86]，在传热表面引入凹痕可以有效提升带有射流的微通道换热器的传热性能[87]，以及分析热沉中对槽道的优化设计[88-89]。Kim等[90]利用数值分析研究了微通道和微喷射冲击复合冷却的几何参数、运行参数和冷却性能，使用5个直径0.19 mm的射流入口时，底面传热系数可达11 152 W/(m2·K)。Sung等[91]研究了这种复合冷却方式的过冷和沸腾和临界热通量特性，构建测试模型，最高热流密度达到了1 127 W/cm2，是近大气压条件下电介质制冷剂能达到的最高值。然而将这两种技术直接进行复合总有一些限制，如射流的流体会在微通道内积聚阻塞，影响换热，基于此Loganathan等[92]设计了另外一种具有主次通道的结构，有效地解决了这个问题。由此可见，这种射流和微通道的复合方式具有极高的换热性能，若能有效加以利用，必定能成为一项很有前景的冷却技术。

4.2 喷雾和微通道复合

喷雾冷却具有较高的换热能力，将微通道技术与喷雾冷却复合可以对传热性能进一步强化。其基本结构如图7[93]所示。

图7 喷雾和微通道复合示意图[93]Fig.7 Schematic diagram of composite structure of spraying and microchannel[93]

这种复合冷却的原理是改变换热表面，加强了喷雾冷却液膜表面的核态沸腾[93]。刘妮等[94]搭建了以蒸馏水为工质的密闭喷雾冷却系统，得出喷雾冷却在微通道结构表面上的换热性能比在光滑表面上的更好的结论。黄龙等[95]搭建了以蒸馏水为工质的开式喷雾冷却系统，研究了微结构换热表面几何特性对系统换热性能的影响，得出了槽道几何尺寸对复合冷却换热性能有关的无量纲准则方程。Bostanci等[96]开发测试了一种应用于汽车逆变器模块热管理的喷雾冷却系统，换热表面具有微尺度结构，热流密度可达400 W/cm2，换热系数达光滑表面的两倍之多。可见，喷雾与微通道复合的冷却方式比单一的喷雾冷却有更高的换热能力。

4.3 热管和微通道复合

热管冷却是一种利用毛细力为动力的冷却方式，也可以利用与微通道复合的方式进行换热的强化，如图8所示为一种微通道与毛细槽道组合的装置[97]，利用微通道内单相对流与毛细槽道内液体相变进行换热，导热材料内部设置微通道，外部设置毛细槽道，这种装置有散热面积小，热流密度高，散热总能力大的优点。

图8 热管和微通道复合结构示意图[97]Fig.8 Schematic diagram of composite structure of heat pipe and microchannel[97]

这种方案存在的缺点在于：①在环路热管毛细芯蒸发器应用中可能出现局部热斑导致温度不均，刘志春等[98]建立数学模型，得出采用导热系数较小的毛细材料，减小液体进口处材料的导热系数可以弱化局部热斑的影响，进一步提升启动性能的结论；②在毛细环路系统中容易出现毛细抽吸力不足导致热传输距离有限，江驰等[99]采用泵辅助毛细相变回路，结果表明系统运行稳定，有效提升了热传输距离。

丁乙苧[100]利用软件建立模型进行了毛细芯微槽道的模拟研究，分析了不同槽道尺寸和供液流量对传热的影响，在最佳性能槽道结构下继续分析热流密度对换热的影响，最终优化了换热器结构设计，提高了换热器的流动特性、换热特性。

4.4 复合散热系统对比及应用前景

由以上内容可以看出，这几种复合散热方式都能大幅提升换热能力，且每种方式都有自己特有的优势，具体对比如表2所示。

由以上内容可以看出，这几种复合散热方式都能大幅提升换热能力，且每种方式都有自己特有的优势。从高空环境适应性来看，微通道与射流复合、微通道与热管复合都对单一技术的高空环境适应性没有明显的提升，而微通道与喷雾复合则可以改变喷雾冷却换热表面，改善微重力对喷雾液膜的影响，对于电子设备冷却降温的单一需求，换热表面温度稳定性有所降低对整体冷却过程并无明显影响，因此微通道与喷雾冷却的复合是几种复合冷却方式中最有前景的一种。

由前面几节的内容可以发现，多种方式复合的冷却技术，大多数都是和微通道冷却进行复合。微通道技术增大了换热面积和扰流程度，在增强换热方面具有很大的优势，再加上微通道结构简单，很容易和其他冷却技术的结构组合在一起，因此微通道是复合冷却中应用率较高的一项技术。

复合散热方式具有很多优点，但是两种或两种以上方式的复合，需要考虑的高空制约因素更多，目前复合散热领域对高空低压力和微重力环境下的冷却还缺乏研究，若想很好地应用复合冷却技术，还需要对复合冷却技术高空领域的应用进行更加深入的研究与探索。

5 结论

从高空机载环境特征、典型高效冷却方式和复合冷却技术出发，探讨了现有冷却技术在高空低压和微重力环境的适应性，获得结论如下。

(1)从散热量角度来看，微通道冷却技术和喷雾冷却有着巨大优势。然而微通道冷却制造工艺复杂，通道尺寸微小，很容易发生堵塞，且对流体的洁净度要求很高，需要经常维护检修，系统可靠性低。喷雾冷却虽然散热能力较微通道冷却没有很大的提升，但相较其他几种方式已经是一种高效的冷却方式，且其散热能力已经足够满足大多数机载电子设备的冷却要求。

(2)从高空环境制约度来看，最容易适应高空环境的无疑是只需要电力驱动不需制冷剂的热电制冷，但热电制冷在高热流密度下的散热效率低下，经济性差，只有在很低的热流密度范围内，热电制冷的散热效率才能高于蒸气压缩制冷。其次是热管冷却，虽然飞行器的倾斜和动载会对热管内工质流动产生一定影响，但由于热管是一种密闭设备，高空环境的低压低密度等并不会对其产生影响，总体来说高空制约度还是很小的，且热管散热能力也比较可观，因此热管冷却也是一种未来可以大力发展的冷却方式。

表2 复合冷却制冷技术优缺点对比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of composite cooling technology

(3)根据上述分析讨论，可知热管冷却和喷雾冷却是目前最具有前景的高空机载电子设备冷却技术，但这两种技术都有一定的高空环境制约条件需要解决。喷雾冷却的高空制约因素较多，但近年来已有越来越多针对此方面的研究，在未来，喷雾冷却技术会在航空航天机载领域有更为全面广泛的应用。

(4)由于高空环境的低压和微重力特点，这一领域内的实验研究工况与地面普通工况有很大的不同，如何在研究性实验中实现高空特殊工况是实验研究能否成功的关键。其中低压可以通过搭建闭式实验台来实现；然而微重力条件在一般实验中很难达到，需要借助航天级专业设备，这也是目前此领域最大的研究难点。未来的研究也将更集中于如何构造地面微重力环境上。同时，此领域的研究重点在于提高冷却方式在高空环境下的适应性，确保高空环境不会影响正常换热效果。在此基础上，进一步在模拟高空环境的实验条件下进行不同传热方式的强化传热研究。

(5)复合冷却技术可以弥补很多单一技术的短板，组合成更加高效灵活的冷却方式，更能大大提高换热能力。而目前对复合冷却的研究多集中在常重力高热流密度领域内，高空环境领域内的复合冷却研究成果还较少。复合冷却技术在机载设备冷却方面具备非常好的应用潜力，目前需要考虑的问题是复合冷却技术的控制变量较多，如何在提升换热效果的同时确保可靠性是后续的研究重点。未来针对机载环境的复合冷却技术还需进行深入研究。