某系留气球整流罩热适应性设计

2024-02-21王军

西安航空学院学报 2024年1期

王军

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引言

浮空器是一种依靠在气囊内充入密度小于空气的气体产生浮力克服自身重量而实现空中浮升,执行预定任务的航空飞行器。多数浮空器以惰性气体氦气作为产生浮力的介质,典型的浮空器包括飞艇、系留气球、自由气球等。其中,系留气球是自身不带动力,依靠浮力升空的浮空器[1-2]。系留气球通过系留缆绳滞留在空中预定位置,作为空中平台搭载各种通讯、干扰、侦察、探测等电子设备。

整流罩安装在系留气球主气囊下方,主要用于保护内部设备免受空气动力载荷作用和大气环境影响。整流罩一般采用流线型设计以尽量减少对系留气球的多余气动阻力和流场干扰[3]。一般情况下,整流罩在系留气球航线方向,前后端分别安装鼓风机和阀门用于适时调节整流罩内部压力,保证其内部空间和外部形状成形。

系留气球可以停滞于地面乃至海拔数千米高度长期工作,受海拔高度、环境变化、太阳辐射以及任务设备本身发热影响,如何保证整流罩内部温度满足系统正常工作要求,尽量不增加额外设备以降低系统升空负载,需要根据系统工作模式以及设备环境控制需求进行全面综合考虑。本文以某型系留气球为分析对象,对其整流罩环境温度适应性设计进行技术分析。

1 设计要求

系留气球的工作模式主要包括地面调试工作模式和升空工作模式,整流罩内部环境指标均需满足设备工作需要,某型系留气球与环境温度有关的主要指标要求如下:

(1)地面外部环境温度指标:-40～50 ℃。

(2)整流罩内部设备工作环境温度指标:≤50 ℃。

(3)任务设备热功耗:≤29 kW。

(4)整流罩工作高度:地面调试(海拔高度0 m)、低空工作(海拔高度不高于3 000 m)、高空工作(海拔高度不高于6 000 m)。

2 设计思路

系留气球系统需保证整流罩内部环境温度在地面至升空到任意工作高度位置均满足指标要求。实际上,不同高度下系统工作模式、热耗和环境温度均不同,因此需要采取不同的设计思路满足设备工作温度指标要求。

地面调试工作模式下,考虑地面外部环境温度与整流罩内部温度上限相同均为50 ℃,极限工况下整流罩内外热能置换率极低。任务设备热功耗为29 kW,地面调试时,设备不需升空,因此考虑采用制冷设备将整流罩内部热量排出,达到控制整流罩内部温度目标。

升空工作模式下,外界环境温度随海拔高度升高而降低,系留气球升空至指定高度后,环境温度低于整流罩内部温度。与此同时,考虑整机重量的限制,散热采用环境冷风带走整流罩内部热量的方案,即通过整流罩压力调节风机将冷风送入整流罩内,将热风通过阀门排送至外部环境,确保罩内温度满足指标要求[4]。

3 设计方案

3.1 地面调试工作模式

地面调试工作模式下,由于整流罩内部温度控制目标和外界环境温度相同,当罩内环境温度控制满足指标要求的时候,采用整流罩内部环境下设备通风的方式不能满足温度控制要求(如果采取通风散热的模式,罩内空气温度必然高于罩外环境温度,即温控不满足指标要求),因此需要采取空调控制整流罩内的空气温度,其制冷量需要大于整流罩内的设备热耗以及太阳能热负荷,此时传热模型如图1所示。

图1 整流罩内外传热模型

整流罩内外置换热量主要由太阳辐射Q1、整流罩内外壁面辐射(Q2in、Q2out)以及整流罩壁面和其内外空气对流换热(Q3in、Q3out)引起[5-6]。考虑太阳辐射较强时,整流罩壁面温度高于罩内外空气温度有

Q1=Q2in+Q2out+Q3in+Q3out

(1)

假设:整流罩内外空气温度分别为Tin,air、Tout,air,整流罩内外壁面温度分别为Tin,S、Tout,S;单面整流罩表面积为A(由于整流罩壁厚较薄,其内外表面积差异可忽略);红外吸收率和发射率为ε;黑体常数为β;天线罩内外的对流换热系数分别为hin和hout。由于整流罩厚度只有1.5 mm,其导热热阻远小于内外表面和环境之间传热热阻,可忽略不计,则整流罩内外表面温度相等,有

(2)

(3)

Q3in=hinA(Tin,S-Tin,air)

(4)

Q3out=houtA(Tout,S-Tout,air)

(5)

Tin,S=Tout,S

(6)

根据整流罩外形及尺寸,可以确定单面表面积为676.5 m2(忽略和飞艇底部接触的面)。计算时,外壁面对流换热系数越低,则天线罩内外的换热量越大。考虑极端恶劣情况,将外部对流换热系数hout取为自然对流最小值,即5 W·m-2·K-1,内部对流换热系数hin取值为15 W·m-2·K-1。将外部空气温度Tout,air取为设计工况下最恶劣工况温度50 ℃,内部空气温度Tin,air取为设计目标温度50 ℃,太阳吸收率δ取为0.4,发射率ε取为0.8,黑体常数β取为5.67×10-8。

基于上述公式,根据整流罩的结构可以通过计算得到其受到的太阳辐射的热量Q1。

由于整流罩在飞艇底部且水平面投影面积远小于飞艇水平面投影面积,其太阳能辐射热不需要考虑垂直面方向的热量,根据模型可以计算出其竖直面的投影面积。

整流罩位于系留气球底部且水平面投影面积远小于气球水平面投影面积,因此其太阳能辐射热可忽略垂直面方向热量,只取其水平方向辐射热量Qq,则有

Qq=δAqEq

(7)

式中:Aq为整流罩水平方向投影面积;Eq为太阳能水平方向辐射强度。

根据某系留气球的实际使用条件,可得整流罩外的换热量(Q2in+Q3in)为7.2 kW,合成任务设备热耗,可知整流罩内外需交换总热耗为36.2 kW。

考虑一定设计余量和整流罩内温度条件,选择环境温度为50 ℃,配备制冷量为45 kW空调,送风温度为20 ℃,回风温度为40 ℃,风量为6 900 m3·h-1,风压为100 Pa,可满足地面调试工作模式下设备正常工作要求。

3.2 低空工作模式

升空高度工作模式同样需要控制整流罩内的温度满足指标要求。根据总体设计要求,采用空调冷风控制整流罩内温度会使系留气球整体重量明显增大,因此升空工作时无法采用该方式进行控温。

由于升空工作后整流罩外环境温度随高度升高而较低,根据温度指标的不同,可采用如下两种方案来控制整流罩内的温度:

(1)整流罩仍采用封闭式的结构,整流罩内介质和周围环境隔绝,工作时热量通过整流罩壁面与周围环境的直接进行热交换传递到环境中去。

(2)如果整流罩内热负荷过大,所需传出的热量无法通过整流罩壁面直接转移到环境中去,则还需采用强迫通风的方式将冷风送入,由其将部分热量交换到环境中去。

3.2.1 整流罩壁面传热方式

采用壁面直接传热方式的整流罩结构最为简单,可靠性高,但传热能力有限。为评估其传热的效果,可通过仿真分析其实际应用的可行性。采用FloEFD软件对其进行热仿真分析以确定通过整流罩壁面传热时罩内空气温度。仿真分析的边界条件为:罩内设备负荷为29 kW,在天线阵面均布。到达工作高度后,整流罩外部环境温度32 ℃,整流罩顶部和系留气球接触面无传热(考虑极端工况认为副气囊和整流罩内部空气温度相同)。

图2所示为仿真分析所得整流罩内温度切片云图。由于整流罩封闭处于保压状态,内部空气无外因扰动保持静止,天线设备发热仅依靠传导与周围空气热交换。仿真分析结果表明,热源在天线阵面非均匀分布,导致局部位置空气的最高温度可达80 ℃,而绝大部分内部区域空气的温度在60 ℃左右。由此可知,单独采用整流罩壁面传热方式无法满足设计指标要求,不具可行性。

图2 壁面传热整流罩内部切片温度云图

3.2.2 整流罩壁面传热+强迫通风方式

整流罩壁面传热+强迫通风方式利用整流罩压力调节风机和阀门,使得整流罩内部空气与外部环境流通,通过环境冷风带走热量与整流罩壁面传热相结合的方式完成整流罩的散热。其与整流罩壁面传热方式主要区别在于通过向整流罩通入一定量的环境风而降低罩内的温度。

结合风机的风量指标,在抽风风量分别为1 000、2 000和2 500 m3·h-1条件下对整流罩散热效果进行仿真分析,结果如图3～5所示。当抽风风量为1 000 m3·h-1,整流罩内部空气的温度大部分区域都在55 ℃以下(图3)。当风量达到2 000 m3·h-1,整流罩内部空气的温度大部分区域都在50 ℃以下,但是仍有部分区域温度高达51 ℃以上(图4)。当风量达到2 500 m3·h-1,整流罩内部绝大部分区域空气温度能达到50 ℃以下(图5)。

图3 强迫通风方案(1 000 m3·h-1)内部切片温度云图

图4 强迫通风方案(2 000 m3·h-1)内部切片温度云图

相较整流罩壁面传热而言,采用整流罩壁面传热+强迫通风方式能明显降低整流罩内部空气的温度,在其他条件相同时随着风量的增加整流罩内部的空气温度不断降低。根据仿真分析所得结果整流罩送风风量可设置为3 000 m3·h-1。基于上述分析可知,采用整流罩壁面传热+强迫通风的方式整流罩内空气的温度下降非常明显,满足整流罩内部设备在不同环境下工作要求。

3.3 高空工作模式

当系留气球升空至海拔高度6 000 m高空时,整流罩外部环境温度约14 ℃,远比整流罩内部环境温度要低,因此可以考虑直接采用壁面传热方式。为了确定高空壁面传热散热的可行性,对其进行仿真分析,结果如图6所示。由图6可见,整流罩内大部分区域空气温度均在50 ℃以下,因此,高空工作模式下直接采用整流罩壁面传热方式即可满足设计指标要求。