临近空间飞行器电动机散热方案研究

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1、临近空间飞行器电动机散热方案研究导师:韩玉阁南京理工大学宋雨蒙王晓梦(南京理工大学动力工程学院,江苏南京210094)摘要临近空间位于距地面20-100km处,近年来各国都开始对邻近空间飞行器的发展展开了广泛的研究.本文探讨的是飞行器位于临近空间时,电动机的发热量十分大,结合临近空间的热环境进行分析计算,.针对发动机的散热要求,提出几个可行的热控方案.再进行对比分析,得出可行的,最好的理论方案.引言临近空间位于距地面20-100km处,临近空间飞行器既能比卫星提供更多更精确的信息，又能比通常的航空器减少遭地面攻击的机会。从而使得临近空间飞行器的研究成为世界航空航天领域新

2、的研究热点。临近空间飞行器飞行高度高、隐身性能好、信息获取与传输能力强、可快速部署和转移的优势，因此具有极高的军事和商业应用价值。浮空型临近空间飞行器的飞行与姿态控制是通过驱动电动机实现的，由于临近空间空气稀薄，使得电动机的发热量不能快速有效的散失到环境中去，从而造成电动机过热，从而影响临近空间飞行器飞行和姿态控制，严重的可导致电动机烧毁，使得整个临近空间飞行器失去控制，因此临近空间飞行器电动机的散热问题成为研究临近空间飞行器的关键问题之一。本课题针对临近空间飞行器电动机的散热问题进行研究，提出电动机的散热方案。由于临近空间热环境的特殊性，首先对此空间站所处环境空间的大

3、气参数及此环境下的散热特性进行研究，考虑临近空间环境下电机与环境的换热关系，建立换热计算模型，考虑临近空间环境的大气密度特性、风速特性、温度特性、太阳辐射特性等主要特征以及临近空间飞行器的运动特性，提出临近空间电动机的热控方案，分析不同热控方案的热控效果，并结合重量、可靠性等要求，选择一种合适的散热方式。根据提出的方案，对散热系统的组成部件进行设计分析计算，确定最终的热控方案。1.临近空间的环境特性临近空间大致包括大气的平流层、中间层和部分电离层区域。平流层距地面高度l250km，环境特性受地面的影响较小，大气中杂质很少，几乎没有水汽凝结和雾、雨、雹等气象变化，只有微弱

4、的上下对流。中间层距地面50～80km，该层温度先升后降，上下对流非常明显。电离层距地面60～100km，该层内带有高密度的带电粒子，大部分气体由于高温发生电离。在临近空间所跨越的三类大气层中，相比而言，平流层的环境特性更适合临近空间飞行器的“生存.1)临近空间风速特性:临近空间处在对流层之上，气候条件稳定。这一区域不会发生云、雨、雷暴等强烈的天气现象，但是这一区域存在着风，并且在不同的高度、不同季节、不同地区有着不同的持续效果。风速在20km处达到一个最小值，约为3～20m/s.然后随高度的增加快速增加，在60km的高度，风速可达140m／s。风的特性直接影响到临近空

5、间平台的悬停能力和控制方式的选择。2)临近空间的温度特性:临近空间温度较低，20km之下的一段空域温度基本恒定，但是随着高度的增加，温度有所升高。而且昼夜温差大，太阳光照射面与背面温差大，这些特性对临近平台系统材料的选择有重要影响。3)临近空间的压力特性:在20km高度附近的大气压力约为地面的5．3％，随着高度上升压力下降，到30km高度时约为地面的1．1％。压力特性对飞行器的外形结构设计和运行方式的选择有直接影响。4)临近空间的辐射特性:临近空间臭氧浓度随季节、天时、纬度等有所变化，在20km附近一般会达到最大，随高度增加臭氧浓度下降，到达30km时，浓度仅为最高值的

6、3％，但是随着臭氧浓度的下降，紫外线等太阳辐射将逐渐增加。水蒸气、CO2等对长波吸收强的物质显著减少，较近地面的红外大气传输而言，临近空间以上部分的大气对长波的辐射热阻显著减小，可以认为临近空间上方大气是热辐射的“透明体”.环境中的这些辐射特性对发展临近空间系统有制约作用，紫外线等辐射对材料、设备等都有严重制约和影响。5)临近空间的大气密度特性:临近空间的大气的大气密度随高度呈指数形式下降。低层10%的大气拥有90%的空气。2.散热方案研究2.1电动机的热力学模型图1电动机的散热模型如图1所示,位于临近空间的飞行器的电动机热模型,电动机的温度波动受到以下几个因素的影响:

7、来自于地球地面和大气的辐射,地球反射太阳的热辐射,电动机与大气间的对流换热,电动机对大气的辐射放热,以及电动机的自身产热.此处由于电动机装在飞行器的下部,故将其视为电动机不受到太阳的辐射.当电动机达到热平衡时,其能量的平衡关系为:+=++2.2相关的一些计算设计采用热网格法:将电动机的表面视为N个小的面圆,对于每个面圆的能量平衡关系,则有:对于电动机与周围环境的辐射换热:对于电动机与周围环境的对流换热:地球反射的太阳辐射:来自于地球大气的辐射:在上面所描述的所有始式子中:为第个单元表面面积，为第个单元面发射率，为第个单元面朝深空的大气透过