某系留氣球整流罩熱適應(yīng)性設(shè)計

王 軍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引言

浮空器是一種依靠在氣囊內(nèi)充入密度小于空氣的氣體產(chǎn)生浮力克服自身重量而實現(xiàn)空中浮升,執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的航空飛行器。多數(shù)浮空器以惰性氣體氦氣作為產(chǎn)生浮力的介質(zhì),典型的浮空器包括飛艇、系留氣球、自由氣球等。其中,系留氣球是自身不帶動力,依靠浮力升空的浮空器[1-2]。系留氣球通過系留纜繩滯留在空中預(yù)定位置,作為空中平臺搭載各種通訊、干擾、偵察、探測等電子設(shè)備。

整流罩安裝在系留氣球主氣囊下方,主要用于保護內(nèi)部設(shè)備免受空氣動力載荷作用和大氣環(huán)境影響。整流罩一般采用流線型設(shè)計以盡量減少對系留氣球的多余氣動阻力和流場干擾[3]。一般情況下,整流罩在系留氣球航線方向,前后端分別安裝鼓風機和閥門用于適時調(diào)節(jié)整流罩內(nèi)部壓力,保證其內(nèi)部空間和外部形狀成形。

系留氣球可以停滯于地面乃至海拔數(shù)千米高度長期工作,受海拔高度、環(huán)境變化、太陽輻射以及任務(wù)設(shè)備本身發(fā)熱影響,如何保證整流罩內(nèi)部溫度滿足系統(tǒng)正常工作要求,盡量不增加額外設(shè)備以降低系統(tǒng)升空負載,需要根據(jù)系統(tǒng)工作模式以及設(shè)備環(huán)境控制需求進行全面綜合考慮。本文以某型系留氣球為分析對象,對其整流罩環(huán)境溫度適應(yīng)性設(shè)計進行技術(shù)分析。

1 設(shè)計要求

系留氣球的工作模式主要包括地面調(diào)試工作模式和升空工作模式,整流罩內(nèi)部環(huán)境指標均需滿足設(shè)備工作需要,某型系留氣球與環(huán)境溫度有關(guān)的主要指標要求如下:

(1)地面外部環(huán)境溫度指標:-40～50 ℃。

(2)整流罩內(nèi)部設(shè)備工作環(huán)境溫度指標:≤50 ℃。

(3)任務(wù)設(shè)備熱功耗:≤29 kW。

(4)整流罩工作高度:地面調(diào)試(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 設(shè)計思路

系留氣球系統(tǒng)需保證整流罩內(nèi)部環(huán)境溫度在地面至升空到任意工作高度位置均滿足指標要求。實際上,不同高度下系統(tǒng)工作模式、熱耗和環(huán)境溫度均不同,因此需要采取不同的設(shè)計思路滿足設(shè)備工作溫度指標要求。

地面調(diào)試工作模式下,考慮地面外部環(huán)境溫度與整流罩內(nèi)部溫度上限相同均為50 ℃,極限工況下整流罩內(nèi)外熱能置換率極低。任務(wù)設(shè)備熱功耗為29 kW,地面調(diào)試時,設(shè)備不需升空,因此考慮采用制冷設(shè)備將整流罩內(nèi)部熱量排出,達到控制整流罩內(nèi)部溫度目標。

升空工作模式下,外界環(huán)境溫度隨海拔高度升高而降低,系留氣球升空至指定高度后,環(huán)境溫度低于整流罩內(nèi)部溫度。與此同時,考慮整機重量的限制,散熱采用環(huán)境冷風帶走整流罩內(nèi)部熱量的方案,即通過整流罩壓力調(diào)節(jié)風機將冷風送入整流罩內(nèi),將熱風通過閥門排送至外部環(huán)境,確保罩內(nèi)溫度滿足指標要求[4]。

3 設(shè)計方案

3.1 地面調(diào)試工作模式

地面調(diào)試工作模式下,由于整流罩內(nèi)部溫度控制目標和外界環(huán)境溫度相同,當罩內(nèi)環(huán)境溫度控制滿足指標要求的時候,采用整流罩內(nèi)部環(huán)境下設(shè)備通風的方式不能滿足溫度控制要求(如果采取通風散熱的模式,罩內(nèi)空氣溫度必然高于罩外環(huán)境溫度,即溫控不滿足指標要求),因此需要采取空調(diào)控制整流罩內(nèi)的空氣溫度,其制冷量需要大于整流罩內(nèi)的設(shè)備熱耗以及太陽能熱負荷,此時傳熱模型如圖1所示。

圖1 整流罩內(nèi)外傳熱模型

整流罩內(nèi)外置換熱量主要由太陽輻射Q1、整流罩內(nèi)外壁面輻射(Q2in、Q2out)以及整流罩壁面和其內(nèi)外空氣對流換熱(Q3in、Q3out)引起[5-6]。考慮太陽輻射較強時,整流罩壁面溫度高于罩內(nèi)外空氣溫度有

Q1=Q2in+Q2out+Q3in+Q3out

(1)

假設(shè):整流罩內(nèi)外空氣溫度分別為Tin,air、Tout,air,整流罩內(nèi)外壁面溫度分別為Tin,S、Tout,S;單面整流罩表面積為A(由于整流罩壁厚較薄,其內(nèi)外表面積差異可忽略);紅外吸收率和發(fā)射率為ε;黑體常數(shù)為β;天線罩內(nèi)外的對流換熱系數(shù)分別為hin和hout。由于整流罩厚度只有1.5 mm,其導熱熱阻遠小于內(nèi)外表面和環(huán)境之間傳熱熱阻,可忽略不計,則整流罩內(nèi)外表面溫度相等,有

(2)

(3)

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

(4)

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

(5)

Tin,S=Tout,S

(6)

根據(jù)整流罩外形及尺寸,可以確定單面表面積為676.5 m2(忽略和飛艇底部接觸的面)。計算時,外壁面對流換熱系數(shù)越低,則天線罩內(nèi)外的換熱量越大?？紤]極端惡劣情況,將外部對流換熱系數(shù)hout取為自然對流最小值,即5 W·m-2·K-1,內(nèi)部對流換熱系數(shù)hin取值為15 W·m-2·K-1。將外部空氣溫度Tout,air取為設(shè)計工況下最惡劣工況溫度50 ℃,內(nèi)部空氣溫度Tin,air取為設(shè)計目標溫度50 ℃,太陽吸收率δ取為0.4,發(fā)射率ε取為0.8,黑體常數(shù)β取為5.67×10-8。

基于上述公式,根據(jù)整流罩的結(jié)構(gòu)可以通過計算得到其受到的太陽輻射的熱量Q1。

由于整流罩在飛艇底部且水平面投影面積遠小于飛艇水平面投影面積,其太陽能輻射熱不需要考慮垂直面方向的熱量,根據(jù)模型可以計算出其豎直面的投影面積。

整流罩位于系留氣球底部且水平面投影面積遠小于氣球水平面投影面積,因此其太陽能輻射熱可忽略垂直面方向熱量,只取其水平方向輻射熱量Qq,則有

Qq=δAqEq

(7)

式中:Aq為整流罩水平方向投影面積;Eq為太陽能水平方向輻射強度。

根據(jù)某系留氣球的實際使用條件,可得整流罩外的換熱量(Q2in+Q3in)為7.2 kW,合成任務(wù)設(shè)備熱耗,可知整流罩內(nèi)外需交換總熱耗為36.2 kW。

考慮一定設(shè)計余量和整流罩內(nèi)溫度條件,選擇環(huán)境溫度為50 ℃,配備制冷量為45 kW空調(diào),送風溫度為20 ℃,回風溫度為40 ℃,風量為6 900 m3·h-1,風壓為100 Pa,可滿足地面調(diào)試工作模式下設(shè)備正常工作要求。

3.2 低空工作模式

升空高度工作模式同樣需要控制整流罩內(nèi)的溫度滿足指標要求。根據(jù)總體設(shè)計要求,采用空調(diào)冷風控制整流罩內(nèi)溫度會使系留氣球整體重量明顯增大,因此升空工作時無法采用該方式進行控溫。

由于升空工作后整流罩外環(huán)境溫度隨高度升高而較低,根據(jù)溫度指標的不同,可采用如下兩種方案來控制整流罩內(nèi)的溫度:

(1)整流罩仍采用封閉式的結(jié)構(gòu),整流罩內(nèi)介質(zhì)和周圍環(huán)境隔絕,工作時熱量通過整流罩壁面與周圍環(huán)境的直接進行熱交換傳遞到環(huán)境中去。

(2)如果整流罩內(nèi)熱負荷過大,所需傳出的熱量無法通過整流罩壁面直接轉(zhuǎn)移到環(huán)境中去,則還需采用強迫通風的方式將冷風送入,由其將部分熱量交換到環(huán)境中去。

3.2.1 整流罩壁面?zhèn)鳠岱绞?/p>

采用壁面直接傳熱方式的整流罩結(jié)構(gòu)最為簡單,可靠性高,但傳熱能力有限。為評估其傳熱的效果,可通過仿真分析其實際應(yīng)用的可行性。采用FloEFD軟件對其進行熱仿真分析以確定通過整流罩壁面?zhèn)鳠釙r罩內(nèi)空氣溫度。仿真分析的邊界條件為:罩內(nèi)設(shè)備負荷為29 kW,在天線陣面均布。到達工作高度后,整流罩外部環(huán)境溫度32 ℃,整流罩頂部和系留氣球接觸面無傳熱(考慮極端工況認為副氣囊和整流罩內(nèi)部空氣溫度相同)。

圖2所示為仿真分析所得整流罩內(nèi)溫度切片云圖。由于整流罩封閉處于保壓狀態(tài),內(nèi)部空氣無外因擾動保持靜止,天線設(shè)備發(fā)熱僅依靠傳導與周圍空氣熱交換。仿真分析結(jié)果表明,熱源在天線陣面非均勻分布,導致局部位置空氣的最高溫度可達80 ℃,而絕大部分內(nèi)部區(qū)域空氣的溫度在60 ℃左右。由此可知,單獨采用整流罩壁面?zhèn)鳠岱绞綗o法滿足設(shè)計指標要求,不具可行性。

圖2 壁面?zhèn)鳠嵴髡謨?nèi)部切片溫度云圖

3.2.2 整流罩壁面?zhèn)鳠?強迫通風方式

整流罩壁面?zhèn)鳠?強迫通風方式利用整流罩壓力調(diào)節(jié)風機和閥門,使得整流罩內(nèi)部空氣與外部環(huán)境流通,通過環(huán)境冷風帶走熱量與整流罩壁面?zhèn)鳠嵯嘟Y(jié)合的方式完成整流罩的散熱。其與整流罩壁面?zhèn)鳠岱绞街饕獏^(qū)別在于通過向整流罩通入一定量的環(huán)境風而降低罩內(nèi)的溫度。

結(jié)合風機的風量指標,在抽風風量分別為1 000、2 000和2 500 m3·h-1條件下對整流罩散熱效果進行仿真分析,結(jié)果如圖3～5所示。當抽風風量為1 000 m3·h-1,整流罩內(nèi)部空氣的溫度大部分區(qū)域都在55 ℃以下(圖3)。當風量達到2 000 m3·h-1,整流罩內(nèi)部空氣的溫度大部分區(qū)域都在50 ℃以下,但是仍有部分區(qū)域溫度高達51 ℃以上(圖4)。當風量達到2 500 m3·h-1,整流罩內(nèi)部絕大部分區(qū)域空氣溫度能達到50 ℃以下(圖5)。

圖3 強迫通風方案(1 000 m3·h-1)內(nèi)部切片溫度云圖

圖4 強迫通風方案(2 000 m3·h-1)內(nèi)部切片溫度云圖

相較整流罩壁面?zhèn)鳠岫?采用整流罩壁面?zhèn)鳠?強迫通風方式能明顯降低整流罩內(nèi)部空氣的溫度,在其他條件相同時隨著風量的增加整流罩內(nèi)部的空氣溫度不斷降低。根據(jù)仿真分析所得結(jié)果整流罩送風風量可設(shè)置為3 000 m3·h-1?；谏鲜龇治隹芍?采用整流罩壁面?zhèn)鳠?強迫通風的方式整流罩內(nèi)空氣的溫度下降非常明顯,滿足整流罩內(nèi)部設(shè)備在不同環(huán)境下工作要求。

3.3 高空工作模式

當系留氣球升空至海拔高度6 000 m高空時,整流罩外部環(huán)境溫度約14 ℃,遠比整流罩內(nèi)部環(huán)境溫度要低,因此可以考慮直接采用壁面?zhèn)鳠岱绞健榱舜_定高空壁面?zhèn)鳠嵘岬目尚行?對其進行仿真分析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可見,整流罩內(nèi)大部分區(qū)域空氣溫度均在50 ℃以下,因此,高空工作模式下直接采用整流罩壁面?zhèn)鳠岱绞郊纯蓾M足設(shè)計指標要求。

圖6 高空壁面?zhèn)鳠嵴髡謨?nèi)部切片溫度云圖

4 結(jié)論

本文就某型系留氣球在不同工作模式下,如何保證整流罩內(nèi)部環(huán)境溫度滿足任務(wù)設(shè)備需求,采用仿真方法,結(jié)合氣球升空狀態(tài)、外部環(huán)境要求以及系留氣球本身進行分析,所得結(jié)論如下:

(1)低空工作模式下,須采用強迫通風和整流罩壁面?zhèn)鳠峤Y(jié)合的方式。通風量為3 000 m3·h-1可使整流罩內(nèi)部空氣溫度低于50 ℃,滿足整流罩內(nèi)空氣溫度的要求;

(2)高空工作模式下,外部環(huán)境溫度較低,整流罩壁面?zhèn)鳠峒纯墒拐髡謨?nèi)部空氣溫度低于50 ℃,滿足整流罩內(nèi)空氣溫度的要求。