太陽(yáng)能飛機(jī)一體化結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)技術(shù)探討

鄭 君，平麗浩，鐘劍鋒，戰(zhàn)棟棟

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

太陽(yáng)能飛機(jī)一體化結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)技術(shù)探討

鄭 君，平麗浩，鐘劍鋒，戰(zhàn)棟棟

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

因在情報(bào)探測(cè)領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，技術(shù)先進(jìn)國(guó)家現(xiàn)已開(kāi)展了太陽(yáng)能飛機(jī)的研究。因?yàn)槠脚_(tái)的特殊性，太陽(yáng)能飛機(jī)探測(cè)系統(tǒng)在研制中面臨著一系列技術(shù)變革和技術(shù)壁壘的突破，一體化結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)技術(shù)就是其中一項(xiàng)極為關(guān)鍵的技術(shù)變革。文中從太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)出發(fā)，針對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)的熱控設(shè)計(jì)技術(shù)要求，提煉形成太陽(yáng)能飛機(jī)探測(cè)系統(tǒng)一體化熱設(shè)計(jì)技術(shù)概念，對(duì)一體化熱設(shè)計(jì)中所涉及到的3個(gè)層次，即一體化熱設(shè)計(jì)布局、一體化熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)、一體化熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的問(wèn)題，進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，就一體化熱設(shè)計(jì)技術(shù)的研究方向和發(fā)展應(yīng)用方向提出了建議。

太陽(yáng)能飛機(jī);探測(cè)系統(tǒng);一體化熱設(shè)計(jì)

引 言

用于情報(bào)獲取的太陽(yáng)能飛機(jī)具有探測(cè)能力強(qiáng)、持續(xù)態(tài)勢(shì)感知及良好的機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)，目前各技術(shù)先進(jìn)國(guó)家都已逐步開(kāi)展了太陽(yáng)能飛機(jī)技術(shù)的研究[1]。美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局 2009 年版戰(zhàn)略規(guī)劃增加了2項(xiàng)臨近空間飛行器的計(jì)劃：一是“禿鷹”計(jì)劃，其目標(biāo)是研制一種無(wú)需加油和維修，可在18～28 km 高空駐留5 年的飛行器；二是“快眼”無(wú)人機(jī)計(jì)劃，其目標(biāo)是利用火箭在1 h內(nèi)把具有遠(yuǎn)程續(xù)航能力的臨近空間無(wú)人機(jī)從美國(guó)本土發(fā)射部署到全球任何地點(diǎn)，用于完成長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視、偵察與通信任務(wù)。

因受平臺(tái)飛行環(huán)境條件和承重、供電能力等因素的限制，常規(guī)的設(shè)計(jì)思路根本不可能適用于太陽(yáng)能飛機(jī)平臺(tái)。若減小系統(tǒng)規(guī)模直至可滿(mǎn)足適裝性要求，探測(cè)性能的下降又無(wú)法容忍。因此，太陽(yáng)能飛機(jī)在研制中面臨著一系列技術(shù)框架的變革和必須突破的技術(shù)壁壘，即在設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)和功能的一體化設(shè)計(jì)思路，同時(shí)必須采用大量的新技術(shù)、新材料和新工藝，而這些新技術(shù)、新材料和新工藝的采用涉及到太陽(yáng)能飛機(jī)系統(tǒng)的方方面面，飛機(jī)探測(cè)系統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)技術(shù)就是其中極為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)變革。

針對(duì)同樣工作在臨近空間環(huán)境的平流層飛艇，國(guó)外已有大量的熱設(shè)計(jì)研究[2-3]，國(guó)內(nèi)也有較多的研究文獻(xiàn)可供借鑒[4-5]，但針對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)的熱控研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因?yàn)槠脚_(tái)的差異性和一體化的特有屬性，太陽(yáng)能飛機(jī)的熱控研究又不能完全沿襲平流層飛艇的研究成果，只能借鑒部分研究思路和方法，另辟蹊徑，探索出適用于太陽(yáng)能飛機(jī)的一體化結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 一體化熱設(shè)計(jì)概念

1.1 太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)

作為臨近空間飛行器的一種，太陽(yáng)能飛機(jī)具有體積大、長(zhǎng)航時(shí)、無(wú)人化的特點(diǎn)。體積大可拓展雷達(dá)功率孔徑積，增強(qiáng)探測(cè)能力；長(zhǎng)航時(shí)、無(wú)人化可確保任務(wù)靈活性、持續(xù)態(tài)勢(shì)感知、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。此外，太陽(yáng)能飛機(jī)還具有更好的機(jī)動(dòng)性、更低的成本、更低的使用風(fēng)險(xiǎn)(不存在收放等風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié))等優(yōu)勢(shì)。

雖然太陽(yáng)能飛機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但與大型預(yù)警機(jī)相比，其承重和供電能力的短板也很明顯。因供電能力的限制，太陽(yáng)能飛機(jī)系統(tǒng)對(duì)各組成部分都提出了非常嚴(yán)苛的重量指標(biāo)要求。就這些標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)而言，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想根本無(wú)法滿(mǎn)足和達(dá)到。若減小系統(tǒng)規(guī)模直至可滿(mǎn)足適裝性要求，探測(cè)性能的下降又無(wú)法容忍?？尚械脑O(shè)計(jì)思路是在方案論證之初就采用一體化的思想，將雷達(dá)與機(jī)體外形及機(jī)翼結(jié)構(gòu)高度集成，全機(jī)以傳感器為中心，飛機(jī)用先進(jìn)傳感器建造而不是裝備先進(jìn)傳感器。采用結(jié)構(gòu)與功能一體化設(shè)計(jì)具備2個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是增大了天線(xiàn)的有效口徑，提高了探測(cè)能力；二是結(jié)構(gòu)部分大量復(fù)用，有效降低了雷達(dá)的重量。

結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)在研制實(shí)現(xiàn)中面臨著一系列技術(shù)變革和必須突破的技術(shù)壁壘，即各系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中均需最大限度地采用結(jié)構(gòu)和功能的一體化設(shè)計(jì)思路，同時(shí)必須采用大量的新技術(shù)、新材料和新工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)一體化功能。而這些新技術(shù)、新材料和新工藝的采用涉及到太陽(yáng)能飛機(jī)系統(tǒng)的方方面面，飛機(jī)探測(cè)系統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)技術(shù)就是在上述應(yīng)用要求和應(yīng)用背景下，沿襲太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)與功能一體化設(shè)計(jì)框架而提煉發(fā)展出的一種全新的設(shè)計(jì)思路，也是太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)與功能一體化設(shè)計(jì)中一項(xiàng)極為關(guān)鍵的技術(shù)變革。

1.2 一體化熱設(shè)計(jì)概念

太陽(yáng)能飛機(jī)探測(cè)系統(tǒng)一體化熱設(shè)計(jì)概念沿襲太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)與功能一體化設(shè)計(jì)理念。探測(cè)系統(tǒng)一體化熱設(shè)計(jì)概念可以理解為在太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和探測(cè)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮探測(cè)系統(tǒng)的工作環(huán)境及電子元器件的產(chǎn)熱與散熱平衡，最大效率地利用傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種熱控途徑，同時(shí)最大限度地提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的復(fù)用率，即結(jié)構(gòu)件同時(shí)作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、雷達(dá)結(jié)構(gòu)件和散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件，以有效降低熱控系統(tǒng)重量,并達(dá)到熱控指標(biāo)。

在一體化熱設(shè)計(jì)過(guò)程中，在設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)變的同時(shí)，還需轉(zhuǎn)變各專(zhuān)業(yè)間相互配合的工作思路，而最需要轉(zhuǎn)變的是擯棄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向熱設(shè)計(jì)單向提要求、指標(biāo)的傳統(tǒng)工作思路。在太陽(yáng)能飛機(jī)設(shè)計(jì)中存在機(jī)、電、熱高度耦合關(guān)系，單一專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的更改，常會(huì)引起其他專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的變更，甚至導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案顛覆性的改變。因此，一體化熱設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)材料選用、結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局等多方面需要與探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電性能等專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)之間多方互提指標(biāo)，重復(fù)迭代，共同推進(jìn)。一體化熱設(shè)計(jì)也因此更需要多方參與，協(xié)同配合，在機(jī)、電、熱多場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)配合上更趨緊密，協(xié)作配合的要求也更高。

2 一體化熱設(shè)計(jì)方案

2.1 一體化熱設(shè)計(jì)技術(shù)要求

一體化熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于輕質(zhì)高效，輕附加質(zhì)量是一體化熱設(shè)計(jì)的首個(gè)要求。一體化設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)件功能性復(fù)用比率的最大化。因此在一體化熱設(shè)計(jì)中首先考慮的是借用機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的散熱功能特性，最小限度地增加附加結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最大效率的散熱功效。

太陽(yáng)能飛機(jī)工作在平流層，大氣環(huán)境溫度約為-60 ℃～ -50 ℃。敷設(shè)于機(jī)翼上表面的太陽(yáng)能電池板處溫度可達(dá)+ 60 ℃，對(duì)于一體化在機(jī)翼內(nèi)部的天線(xiàn)電子元件器而言，其工作環(huán)境溫度處于-60 ℃～+60 ℃。此外，機(jī)翼內(nèi)部形成封閉空腔，對(duì)外無(wú)空氣等介質(zhì)交換。

因?yàn)橹亓肯拗?，電子器件逐步向高集成化及小型化發(fā)展，由此帶來(lái)了大功率產(chǎn)熱在局部區(qū)域過(guò)度集中的問(wèn)題，如在3 cm2范圍內(nèi)集中2 W的產(chǎn)熱。這樣大的熱流密度在以往的設(shè)計(jì)中很少出現(xiàn)。大熱流密度的產(chǎn)熱、散熱問(wèn)題給輕質(zhì)一體化熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了首個(gè)困難。

此外，距離地面30 km的平流層空氣稀薄，供對(duì)流散熱的空氣流量少，以致對(duì)流散熱條件差。如在30 m/s風(fēng)速條件下，對(duì)流散熱能力僅約3 W/(m2·K)。這給太陽(yáng)能飛機(jī)輕質(zhì)一體化熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了另一個(gè)困難。

2.2 一體化熱設(shè)計(jì)方案

針對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)熱設(shè)計(jì)中的大熱流密度及對(duì)流散熱條件惡劣的問(wèn)題，可采用將發(fā)熱電子器件依附在熱擴(kuò)展層/輻射器上的方案。散熱方案如圖1所示，發(fā)熱電子器件的產(chǎn)熱由熱擴(kuò)展層快速擴(kuò)展到更大面積的輻射器，通過(guò)熱輻射將熱量傳遞到內(nèi)部和外界環(huán)境，以免局部溫度過(guò)高。機(jī)翼內(nèi)部環(huán)境的熱量主要由熱擴(kuò)展層的輻射和對(duì)流帶來(lái)，經(jīng)機(jī)翼內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，流動(dòng)到機(jī)翼蒙皮，進(jìn)而通過(guò)對(duì)流和輻射，流動(dòng)到環(huán)境大氣中。

圖1 一體化散熱原理圖

熱擴(kuò)展層、輻射器結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，即作為熱擴(kuò)展層和散熱輻射器，也是天線(xiàn)系統(tǒng)必須的結(jié)構(gòu)件，不額外增加系統(tǒng)重量。目前可以考慮的方案1是將機(jī)翼上蒙皮作為熱擴(kuò)展層和輻射器，方案2是將機(jī)翼主承力機(jī)構(gòu)的主梁作為熱擴(kuò)展層和輻射器，如圖2所示。無(wú)論機(jī)翼蒙皮還是機(jī)翼主梁，一旦作為熱擴(kuò)展層/輻射器，就需要具有良好的熱傳導(dǎo)特性，或至少在發(fā)熱電子器件位置的局部具有良好的熱傳導(dǎo)特性。

圖2 機(jī)翼蒙皮散熱方式結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 一體化熱設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

圖3為采用現(xiàn)有不同材質(zhì)作為熱擴(kuò)展層/輻射器時(shí)的熱仿真結(jié)果，其中，炭基導(dǎo)熱材料為目前較好的熱擴(kuò)展材料。從仿真結(jié)果可看出，對(duì)相同的產(chǎn)熱源，以導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料作為熱擴(kuò)展層，其溫度控制效果也最好。由仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：

1)高效熱擴(kuò)展技術(shù)是一體化熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)；

2)現(xiàn)有的熱擴(kuò)展材料與太陽(yáng)能飛機(jī)一體化熱設(shè)計(jì)的需要還有一定的距離；

3)需要深入開(kāi)展熱擴(kuò)展效率的影響因素研究，進(jìn)一步提高熱擴(kuò)展效率。

圖3 采用不同的熱擴(kuò)展層/輻射器時(shí)的溫度分布

3 一體化熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的問(wèn)題

3.1 高效熱擴(kuò)展技術(shù)研究方向

如上所述，一體化熱設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)是高效熱擴(kuò)展技術(shù)。大量的研究資料表明，實(shí)現(xiàn)高效熱擴(kuò)展的途徑主要包括2方面：一是應(yīng)用高導(dǎo)熱材料；二是采用蒸汽腔、熱管等相變熱擴(kuò)展元件。

高導(dǎo)熱材料包括上述炭基導(dǎo)熱材料及可變發(fā)射率智能熱控涂層等。在熱擴(kuò)展元件方面，目前研究較多的有高效柔性微通道流體回路(如圖4所示)及高效柔性相變儲(chǔ)能技術(shù)(如圖5所示)。高效柔性微通道流體回路將產(chǎn)熱電子器件熱耗有效傳輸?shù)綄?zhuān)門(mén)的散熱器上，高效柔性相變儲(chǔ)能技術(shù)將產(chǎn)熱電子器件的溫度始終控制在很窄的范圍內(nèi)，從而抑制電子器件的溫度波動(dòng)。

圖4 高效柔性微通道流體回路

圖5 高效柔性相變儲(chǔ)能技術(shù)

3.2 高效熱擴(kuò)展技術(shù)研究現(xiàn)狀

為解決未來(lái)高熱流密度和惡劣條件下雷達(dá)的散熱問(wèn)題，DARPA、Raytheon、諾·格等公司、機(jī)構(gòu)牽引相關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行先進(jìn)熱擴(kuò)展技術(shù)的研究，正在進(jìn)行蒸汽腔、金剛石復(fù)合材料、炭基高導(dǎo)熱材料的研究。目前研制的金剛石基材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)700 W/(m·K)，炭基高導(dǎo)熱材料橫向?qū)嵯禂?shù)已達(dá)1 700 W/(m·K)，封裝炭基高導(dǎo)熱材料(APG)橫向?qū)嵯禂?shù)已達(dá)700 W/(m·K)，蒸汽腔當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1 000 W/(m·K)。

國(guó)內(nèi)在熱擴(kuò)展技術(shù)方面的研究較為落后，在熱功能材料方面，目前制備的金剛石/銅材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)500 W/(m·K)，具有與芯片相近的線(xiàn)脹系數(shù)；研制的炭基高導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)700 W/(m·K)，但材料較脆，不具備工程應(yīng)用條件，還需研制帶封裝結(jié)構(gòu)的APG材料。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)已合作研制成功金剛石/銅芯片熱層、組件殼體工程樣機(jī)和炭基導(dǎo)熱材料樣品，且相關(guān)的研究仍在進(jìn)一步深化。

3.3 一體化熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的問(wèn)題

探測(cè)系統(tǒng)一體化熱設(shè)計(jì)技術(shù)目前面臨的首要問(wèn)題是高效熱擴(kuò)展技術(shù)的突破。圖6為現(xiàn)今高效熱擴(kuò)展技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖。在突破高效熱擴(kuò)展技術(shù)方面，有以下2個(gè)方面有待深入研究：

1)牽引輕質(zhì)熱功能材料研究、相變熱擴(kuò)展技術(shù)研究，研制高效熱擴(kuò)展層，解決有限重量條件下大面積熱擴(kuò)展問(wèn)題；

2)開(kāi)展基于熱功能材料(金剛石基、炭基高導(dǎo)熱材料、導(dǎo)熱塑料及未來(lái)新型納米材料等)的應(yīng)用研究、柔性相變熱擴(kuò)展元件應(yīng)用研究，解決熱擴(kuò)展層與芯片連接等工程問(wèn)題等。

圖6 高效熱擴(kuò)展技術(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)思路，提煉形成了太陽(yáng)能飛機(jī)探測(cè)系統(tǒng)一體化熱設(shè)計(jì)技術(shù)概念，對(duì)一體化熱設(shè)計(jì)方案、一體化熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)、一體化熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的問(wèn)題進(jìn)行了闡述。主要結(jié)論為：

1)一體化熱設(shè)計(jì)技術(shù)是適用于太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)與功能一體化設(shè)計(jì)的唯一熱設(shè)計(jì)解決方案；

2)一體化熱設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵在于高效熱擴(kuò)展技術(shù)；

3)目前已有的高效熱擴(kuò)展技術(shù)與太陽(yáng)能飛機(jī)的應(yīng)用需求還有一定的距離，需要進(jìn)一步開(kāi)展相應(yīng)的研究工作；

4)在未來(lái)的一體化熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究中，可引領(lǐng)性地開(kāi)展輕質(zhì)熱功能材料研究、相變熱擴(kuò)展技術(shù)研究，研制高效熱擴(kuò)展層，同時(shí)開(kāi)展基于熱功能材料的應(yīng)用研究、柔性相變熱擴(kuò)展元件的應(yīng)用研究。

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鄭 君(1974-)，男，博士，主要從事先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度研究工作。

平麗浩(1960-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度研究工作。

鐘劍鋒(1967-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度研究工作。

戰(zhàn)棟棟(1982-)，男，博士，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)技術(shù)研究工作。

Discussion on Integration Thermal Design of Solar-powered Airplane

ZHENG Jun，PING Li-hao，ZHONG Jian-feng，ZHAN Dong-dong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Solar-powered airplane has been developed in many developed countries due to its advantages in detection domain. There are a series of technical innovations and difficulties to overcome in development of the solar-powered airplane. The integration thermal design technology is one of these innovations. Based on integration structure-function design technology and the corresponding requirements, the integration thermal design concept on solar-powered airplane is put forward. In this paper the layout, the key technology, the development trend and problems of integration thermal design are discussed briefly. And some suggestions are given on development and application of the integration thermal design technology.

solar-powered airplane; detecting system; integration thermal design

2013-11-27

V271.9

A

1008-5300(2014)02-0005-04