基于蒙皮換熱器的無(wú)人機(jī)電子設(shè)備冷卻方案分析論文

基于蒙皮換熱器的無(wú)人機(jī)電子設(shè)備冷卻方案分析論文

　　引言

　　近年來(lái)，無(wú)人機(jī)（UnmannedAerialVehicle,UAV)的使用范圍已逐步拓展至軍事、民用和科研三大領(lǐng)域，性能各異、技術(shù)先進(jìn)的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)。無(wú)人機(jī)功能的日益強(qiáng)大，得益于不斷發(fā)展的人工智能和通信等電子技術(shù)因而對(duì)電子設(shè)備的需求日益提高。電子設(shè)備的集成化和小型化,直接導(dǎo)致其熱流密度不斷增大。為保障無(wú)人機(jī)電子設(shè)備工作的安全可靠，必須為其提供合適的工作溫度，采取有效的冷卻散熱措施，并進(jìn)行合理的熱分析和熱設(shè)計(jì)。

　　根據(jù)目前公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道，應(yīng)用于無(wú)人機(jī)電子設(shè)備的冷卻方式按載冷介質(zhì)的不同，主要分為空氣冷卻和液體冷卻兩大類。空氣冷卻方式是通過(guò)將艙外冷空氣流引入電子設(shè)備艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流，與電子設(shè)備進(jìn)行熱交換而實(shí)現(xiàn)的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在吊艙電子設(shè)備冷卻中常采用逆升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，但對(duì)于功率大、熱流密度高的電子設(shè)備，空氣冷卻方式并不能滿足其散熱要求。此外，引入機(jī)外沖壓空氣作為冷源增加了飛機(jī)的阻力從而增加了性能代償損失。于是具有更高冷卻效率和穩(wěn)定工作特性的液體冷卻方式越來(lái)越多地被應(yīng)用于無(wú)人機(jī)環(huán)控系統(tǒng)，它通過(guò)將電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳遞給載冷劑來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，主要包括冷板冷卻方式與噴霧冷卻方式。冷板冷卻方式使用的載冷劑通過(guò)換熱器將電子設(shè)備的熱量散失到外界環(huán)境中，噴霧冷卻方式則是利用霧化后的載冷劑相變而產(chǎn)生的汽化潛熱帶走電子設(shè)備的熱量。

　　本文針對(duì)某型無(wú)人機(jī)搭載的電子設(shè)備，提出了一種簡(jiǎn)單可靠的液體冷卻方案，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。方案中通過(guò)選用蒙皮換熱器，可將機(jī)身熱容量與蒙皮結(jié)合，對(duì)無(wú)人機(jī)的熱隱身和氣動(dòng)性能也有積極作用。該方案使得電子設(shè)備的發(fā)熱量最終由載冷劑通過(guò)蒙皮換熱器傳遞給艙外沖壓空氣。

　　1方案原理

　　該無(wú)人機(jī)電子設(shè)備冷卻方案的基本原理如圖1所示。系統(tǒng)由液冷泵、冷板、蒙皮換熱器、管路及載冷劑組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，載冷劑FC-770由液冷泵輸出到安裝電子設(shè)備的冷板中，經(jīng)加熱的載冷劑通過(guò)蒙皮換熱器冷卻降溫后回到液冷泵人口完成一個(gè)液冷循環(huán)回路。

　　方案使用的蒙皮換熱器屬氣-液換熱器，采用板翅式換熱結(jié)構(gòu)，直接安裝在機(jī)頭部位,通過(guò)飛機(jī)前飛時(shí)的外掠流帶走電子設(shè)備的熱量。換熱器的外形如圖2所示，其外表面積為0.7m2。

　　沖壓空氣模擬支路由高壓氣源、閥門、流量計(jì)、渦輪、蒙皮換熱器及其外側(cè)通道和溫度傳感器等組成。試驗(yàn)時(shí)，采用高壓氣源模擬沖壓空氣。閥門1可調(diào)節(jié)沖壓空氣流量，閥門2可調(diào)節(jié)渦輪出口反壓，以便獲得試驗(yàn)所需的蒙皮換熱器空氣側(cè)人口溫度r3,由流量計(jì)g2測(cè)得沖壓空氣流量。

　　在蒙皮換熱器熱邊回路中,載冷劑FC-770由液冷泵輸送至冷板,經(jīng)模擬熱源加熱后進(jìn)人蒙皮換熱器，再經(jīng)沖壓空氣冷卻后回到液冷泵。回路中載冷劑的流量由流量計(jì)&測(cè)量，4個(gè)溫度計(jì)分別記錄蒙皮換熱器熱邊進(jìn)出口溫度T,、T2和冷板進(jìn)出口溫度r5、7；。電子設(shè)備發(fā)熱功率以實(shí)際加人到系統(tǒng)內(nèi)的熱量為準(zhǔn)，通過(guò)式(2)計(jì)算獲得。為保證試驗(yàn)效果，試驗(yàn)時(shí)所有管件均采取保溫措施，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后采集。

　　2.4結(jié)果及分析

　　方案驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。在電子設(shè)備發(fā)熱功率為1404.9W的情況下，蒙皮換熱器換熱量達(dá)到1412.3W，大于指標(biāo)要求的1400W。可以認(rèn)為蒙皮換熱器的換熱性能達(dá)到了該電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明此冷卻方案有效可行。

　　方案中的蒙皮換熱器為設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在，載冷劑通過(guò)蒙皮換熱器與外界大氣換熱,系統(tǒng)冷源實(shí)為艙外沖壓空氣。蒙皮換熱器不僅實(shí)現(xiàn)了有效換熱，還避免了由機(jī)身開(kāi)口或發(fā)動(dòng)機(jī)引氣造成的飛機(jī)性能代償損失。

　　試驗(yàn)同時(shí)也考查了液冷泵的性能。監(jiān)測(cè)液冷泵的輸人電壓I/、輸入電流/,可得到液冷泵的輸入功率。則定義液冷系統(tǒng)的COP(能效比）值為

　　結(jié)果表明，液冷泵的效率及系統(tǒng)的能效比是比較可觀的。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出的無(wú)人機(jī)電子設(shè)備冷卻方案可滿足電子設(shè)備的冷卻要求。根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行包線可確定系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)需求，并進(jìn)一步確定系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)指標(biāo)，指導(dǎo)部件設(shè)計(jì)。該方案原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)增大蒙皮換熱器換熱面積或增加其他換熱器可滿足更大發(fā)熱功率電子設(shè)備的使用需求。雖然在國(guó)內(nèi)蒙皮換熱器的使用還受制于加工工藝可靠性等因素，但因其高效性及對(duì)飛機(jī)整體性能的好處，該電子設(shè)備冷卻方案將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本文的研究成果可為無(wú)人機(jī)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)提供理論參考和技術(shù)儲(chǔ)備，也可推廣應(yīng)用于其他機(jī)型的相關(guān)研究中。

　　(1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191;2.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都610092)

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