基于蒙皮換熱器的無人機電子設備冷卻方案分析論文
引言
近年來，無人機（UnmannedAerialVehicle,UAV)的使用范圍已逐步拓展至軍事、民用和科研三大領域，性能各異、技術先進的新型機種不斷涌現(xiàn)。無人機功能的日益強大，得益于不斷發(fā)展的人工智能和通信等電子技術因而對電子設備的需求日益提高。電子設備的集成化和小型化,直接導致其熱流密度不斷增大。為保障無人機電子設備工作的安全可靠，必須為其提供合適的工作溫度，采取有效的冷卻散熱措施，并進行合理的熱分析和熱設計。
根據目前公開的文獻報道，應用于無人機電子設備的冷卻方式按載冷介質的不同，主要分為空氣冷卻和液體冷卻兩大類�？諝饫鋮s方式是通過將艙外冷空氣流引入電子設備艙內實現(xiàn)自然對流或強制對流，與電子設備進行熱交換而實現(xiàn)的，具有結構簡單、使用方便、成本低的優(yōu)點。在吊艙電子設備冷卻中常采用逆升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，但對于功率大、熱流密度高的電子設備，空氣冷卻方式并不能滿足其散熱要求。此外，引入機外沖壓空氣作為冷源增加了飛機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越多地被應用于無人機環(huán)控系統(tǒng)，它通過將電子設備產生的熱量傳遞給載冷劑來實現(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換熱器將電子設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生的汽化潛熱帶走電子設備的熱量。
本文針對某型無人機搭載的電子設備，提出了一種簡單可靠的液體冷卻方案，并對系統(tǒng)進行了試驗驗證。方案中通過選用蒙皮換熱器，可將機身熱容量與蒙皮結合，對無人機的熱隱身和氣動性能也有積極作用。該方案使得電子設備的發(fā)熱量最終由載冷劑通過蒙皮換熱器傳遞給艙外沖壓空氣。
1方案原理
該無人機電子設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)運行時，載冷劑FC-770由液冷泵輸出到安裝電子設備的冷板中，經加熱的載冷劑通過蒙皮換熱器冷卻降溫后回到液冷泵人口完成一個液冷循環(huán)回路。
方案使用的蒙皮換熱器屬氣-液換熱器，采用板翅式換熱結構，直接安裝在機頭部位,通過飛機前飛時的外掠流帶走電子設備的熱量。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、渦輪、蒙皮換熱器及其外側通道和溫度傳感器等組成。試驗時，采用高壓氣源模擬沖壓空氣。閥門1可調節(jié)沖壓空氣流量，閥門2可調節(jié)渦輪出口反壓，以便獲得試驗所需的蒙皮換熱器空氣側人口溫度r3,由流量計g2測得沖壓空氣流量。
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,經模擬熱源加熱后進人蒙皮換熱器，再經沖壓空氣冷卻后回到液冷泵�；芈分休d冷劑的流量由流量計&測量，4個溫度計分別記錄蒙皮換熱器熱邊進出口溫度T,、T2和冷板進出口溫度r5、7；。電子設備發(fā)熱功率以實際加人到系統(tǒng)內的熱量為準，通過式(2)計算獲得。為保證試驗效果，試驗時所有管件均采取保溫措施，試驗數(shù)據均在系統(tǒng)達到熱平衡后采集。
2.4結果及分析
方案驗證試驗結果如表2所示。在電子設備發(fā)熱功率為1404.9W的情況下，蒙皮換熱器換熱量達到1412.3W，大于指標要求的1400W�？梢哉J為蒙皮換熱器的換熱性能達到了該電子設備冷卻系統(tǒng)的設計要求，說明此冷卻方案有效可行。
方案中的蒙皮換熱器為設計關鍵所在，載冷劑通過蒙皮換熱器與外界大氣換熱,系統(tǒng)冷源實為艙外沖壓空氣。蒙皮換熱器不僅實現(xiàn)了有效換熱，還避免了由機身開口或發(fā)動機引氣造成的飛機性能代償損失。
試驗同時也考查了液冷泵的性能。監(jiān)測液冷泵的輸人電壓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結束語
本文提出的無人機電子設備冷卻方案可滿足電子設備的冷卻要求。根據無人機飛行包線可確定系統(tǒng)的基本設計需求，并進一步確定系統(tǒng)各部分的設計指標，指導部件設計。該方案原理簡單、易實現(xiàn)，具有廣泛的應用價值。實際應用中通過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)熱功率電子設備的使用需求。雖然在國內蒙皮換熱器的使用還受制于加工工藝可靠性等因素，但因其高效性及對飛機整體性能的好處，該電子設備冷卻方案將會得到越來越多的應用。本文的研究成果可為無人機電子設備熱設計提供理論參考和技術儲備，也可推廣應用于其他機型的相關研究中。
(1.北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100191;2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，四川成都610092)
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