临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法

第31卷第5期字航学报Vol 31 No 52010年5月Journal of AstronauticsMay 2010临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法马伟,宣益民,韩玉阁(南京理工大学热能工程教研室,南京21004)要:对临近空间飞行器所处空间独特的热环境及其热控过程的特殊性进行分析讨论。针对临近空间飞行器热设计过程的关键环节、有效载荷的散热方式和散热效果,进行实例分析及计算比较结合飞行器内部有效载荷和能源系统的功耗情况与热控要求,提出一套飞行器的热设计流程,建立相应的临近空间飞行器热设计模型本文旨在建立临近空间飞行器的热设计方法,提升临近空间飞行器的热管理水平。关键词:临近空间;飞行器;热环境;热设计中图分类号:V231.1文献标识码:A文章编号:10001328(2010)05-1272-06DoI:10.3873/j.sn.1000-1328.2010.05.0030引言已经作了一些的仿真计算2·和试验研究,建立了气囊蒙皮的热力学模型,对飞行器在上升过程中随着科学技术的迅猛发展和未来信息化作战概气囊蒙皮的热应力进行了仿真分析。但是,总体上念的不断演化,“临近空间”(20~100km高度的高讲,对处于临近空间飞行器的热管理与设计的研究空)这一人类过去较少涉足的空域,其战略价值逐渐仍显不足,尤其对于飞行器舱内有效载荷的热管理受到关注,同时,临近空间飞行器凭借其综合能力较方法与系统热设计方法的研究显得相对较少,目前强、费用相对较低等优点,成为各国争相研发的热国内外尚无公开的文献报道。本文在对临近空间热点。近年来,国内外对临近空间20~30km高度范环境特性分析的基础上,提出临近空间飞行器的热围内的飞行器开展了广泛的研究。随着临近空设计流程,建立临近空间飞行器的热设计模型,最后间飞行器应用技术的发展,大功耗的电子设备、通讯就飞行器热控过程中的关键问题作理论分析及实例设备等有效载荷在飞行器上的应用日趋广泛,为了计算,并建立临近空间飞行器的热设计方法。保障设备的正常工作,必须做好相应的热控措施。然而,由于临近空间独特的气温、气压等环境1热设计依据素,使得临近空间飞行器的热控措施既不同于通1.1特殊的空间热环境特性常的航空飞行器,也不同于大气层外卫星等航天器。在20km以下的近地空间,气温和气压随海拔高临近空间飞行器舱内设备的散热问题是在这个空域度的增加逐渐降低,而在临近空间范围内,高浓度约的飞行器系统设计的一个重要问题,关系到大功率臭氧吸收大量的空间紫外线使气温随海拔高度的电子设备和高功率密度有效载荷在临近空间飞行器升而迅速增加,每千米高度约能升温2℃,而气压亦陡上的应用与可靠运行,也在很大程度上影响着临近海拔高度的增加逐渐降低。如图1所示,在20km高空间飞行器技术的发展。度处,气温-57℃,大气压力约500Pa,而在50km高临近空间飞行器的热设计工作包括飞行器气囊度处℃.大气压力降至80Pa蒙皮的热分析部分和舱内有效载荷的热控管理部中国煤化工整个大气层内大分。对于飞行器气囊蒙皮的热力学分析,研究人员气重CNMHG波吸收强的物质收稿日期:20009-2;修回日期:2009-10-23第5期马伟等:临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法12734015不可达200W以上。显然,临近空间飞行器所处空间独特的热环境与自身工作状态使其热控过程具有与卫星或地面设备明显不同的“特殊性”,必须研究适用于临近空间飞行器的热管理与设计方法1.2临近空间飞行器热源的分类临近空间飞行器的热源来源于空间外热流飞行器壳体的加热和飞行器自身的设备耗热。飞行器的空间外热流主要来自太阳短波辐射(太阳直接照射01000020000300004000050000和地球反照太阳辐射)及地球长波热辐射。因为临图1气温、气压随海拔高度分布近空间上方空气的高透明度,可以忽略天空散射辐Fig. I Temperater and pre射,取太阳辐射强度约1300W/m2,地球表面平均长波热辐射约220W/m2。显著减少,较近地面的红外大气传输而言,临近空间飞行器自身的设备耗热来源于飞行器搭载的动以上部分的大气对长波的辐射热阻显著减小,可以力装置、通讯设备、电子设备、供电设备和储能系统认为临近空间上方大气是热辐射的“透明体”,散热等相关设备。从目前的器件工艺水平及设备的工作表面与深空背景的“辐射换热”作用明显,所以卫星环境来看,动力装置在低气压环境中的电-功转换的散热最终都是通过向太空环境的热辐射而实现效率较低,因而发热量较大,约占整套动力装置输入的。与太空环境相比,临近空间飞行器的辐射散热功率的20%~60%,供电设备及储能系统的发热量能力有所降低,但临近空间存在的稀薄气体有利于次之,约占供电-储能系统总功率的5%~20%,电对流换热,如在临近空间层底部约20km高度处,大子设备和通讯设备的发热量相对低些。气温度约-57℃,相对于飞行器内部发热部件表面的温差较大(约80℃),飞行器表面与周围环境间有2热设计方法较大的换热温差,对流换热也应是临近空间飞行器热控制的一种方式;与地球表面大气相比临近空t2.1飞行器热设计流程根据临近空间飞行器所处的热环境,结合其热大气压力较低,飞行器表面的对流换热系数又大大控指标要求,可以建立一套飞行器的热设计方法,其降低。此外,临近空间飞行器内部有效载荷的功耗流程如图2所示。和发热量一般都比卫星的较大,单个设备的发热量热源分析制订热控指标提出热设计初优化备通讯/储能设备步方案设备人设备建立临近空间飞行器热力学模型校核/流分析热特性分析标准大气模型图2飞行器的热设计流程图Fig 2 Flow chart of thermal design中国煤化工飞行器的热设计流程可分为分析模块、指标模CNMH日部分、空间热流块模型部分、方案设计模块四个部分,各部分的内的分析部分和临近空间环境热特性的分析部分。上容如下所述:文已经对临近空间飞行器热源的种类进行了分类说1274宇航学报第31卷明,对于飞行器空间热流的分析将在下文建立的临性、自身热源分布的多样性以及热控指标的独特性近空间飞行器热力学模型中作详细分析,对于临近使得常规的热设计方法不再适用。在临近空间中辐空间环境热特性部分,下文将引用实例作详细分析。射与对流换热能力的强弱对比直接决定着飞行器热指标模块:评价系统热设计工作的指标包括根设计的主要方向和热控途径。因此,对临近空间飞行据飞行器工作需要所制订的“热控指标”及用于方案器的辐射和对流换热能力的分析显得尤为重要。评估所制订的“评估指标”。1)辐射换热特性。临近空间的辐射换热环境模型部分:包括对飞行器热源分析和空间热流不同于大气层外卫星等飞行器的辐射换热环境,其分析所建立的飞行器的热力学模型,以及用于临近辐射环境的特殊性在文献[8]中有详细分析说明,限空间环境散热特性分析所选用的标准大气模型。于篇幅,本文不累述。方案设计模块:包括热设计初步方案的提出、方(2)对流换热特性。临近空间空气稀薄,使得案优化、方案校核、方案评审、方案修改、方案的最终环境空间的对流换热特性发生变化,主要表现在低生成。压气体导热系数的变化及气体粘度的变化对对流换以上建立了一套完整的临近空间飞行器的热设热特性的影响。计流程,下文将首先建立飞行器的热力学模型,并就①低压气体导热系数的变化。经典的气体动力临近空间复杂的环境热交换特性展开具体的分析。论认为在气体压力不太低时,气体的导热系数与压强22飞行器换热模型无关,受当时实验条件的限制,未能对低压情况下根据具体任务要求的不同,临近空间飞行器的气体导热系数随压强的变化给出明确的关系。随着结构、载荷和推进系统等可能不尽相同。从整个飞实验技术的发展,近年来的一些实验数据表明:低行器系统的热分析角度看,描述临近空间飞行器热气压情况下,气体导热系数的变化在气压值较低时显传递的基本原理是一致的。不失一般性,本文以图得尤为明显。若临近空间某一点气体的导热系数为3所示的结构建立临近空间飞行器的热模型。飞行A1,且A1=λ(P,T);在一个标准大气压Po,温度为器温度波动受到以下参数的影响:太阳直接热辐射7时气体的导热系数为A0,A。=(P,T)。则在同Q。,地球反射太阳热辐射Qkc,地球-大气系统温度下高空气体和地面气体导热系数的比值λ/λ热辐射QE2,舱内热载荷的散热量Q,飞行器表面与气压的变化关系如图4所示。与环境背景的辐射换热Q。及飞行器表面与周围环境的对流换热Q。高度:20kcm高度:0km气压:5.5kPa比例:1高度:30km气压:1.2kPa比例:0.66高度:装0地气长波辐射&地球反射太阳辐射气压/如Pa图3飞行器热平衡示意图图4气体导热系数的变化特性Fig 3 Heat balance of space vehicleFig 4 Thermal conductivitiy of air with altitude当临近空飞行器达到热平衡状态时,其能量进中国煤化工产度以下的空间范出平衡如公式(1)所示。围内的导热系数受压Q-+Q(1)CNMH强变度以上的空间,气23临近空间环境热交换待性体的导热系数随气压的降低而迅速下降。如图所临近空间飞行器由于其所处空间热环境的复杂示,在20km高度处,气压为55kPa,其导热系数是第5期马伟等:临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法1275地面的90%在30km高度处,气压为12kPa,其导下文将首先分析上述散热表面在20km高度处的热系数约为地面的66%,在50km高度处,气压为散热情况给出一般性的经验计算公式,并分析比较不0.08kPa,其导热系数仅为地面的11%同的表面结构参数及环境来流风速条件下散热表面的②低压气体运动粘度的变化。低气压下气体辐射、对流散热特性。具体计算分析过程如下:运动粘度的变化直接影响着流动区域内雷诺数的大小,即影响着运动流体的流动形式,进而影响着对流换热公式的选取。记气体的粘度为t,从统计热力学的角度来看,有如下关系:f(T,p)(2)金属教热板气体的粘度大小与气温成正比,与气体密度成反比,在20km~50km的高度范围内随着海拔图6散热表面结构示意图高度的增加,气温逐渐上升,空气的密度逐渐减小,Fig 6 Structure of cooling surface如图5所示,在20km以下的近地空间,空气的粘度散热表面在达到热平衡时散热量q可以表示为:随海拔高度的上升增幅较小,而在20km以上的空间范围内,空气的运动粘度随着海拔高度的升高迅q=E(T,-T)+h(T-T)(3)公式(3)右边第一项为散热面的辐射散热量,第速变大。二项为对流散热量,当来流风速垂直吹向对流散热临近空间1600表面时,若风速为5m/s时,翅片高度1cm时,掠过气粗:-3t散热面的雷诺数Re为:Re5(m/s)·0.01(m)气温:-7℃277.8