相变蓄热材料在高超声速飞行器 热控系统中的应用

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1、相变蓄热材料在高超声速飞行器热控系统中的应用１２１王佩广，刘永绩，王浚（１畅北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１０００８３；２畅成都飞机设计研究所，成都６１００６４）［摘要］　就高超声速飞行器防热与热控问题，从“相变蓄热材料充当辅助冷源”思路出发，结合不同飞行器的飞行特点，提出了５种热控系统方案，即空气循环热控方案、蒸发循环热控方案、液体冷却回路方案、开式蒸发冷却热控方案、直接式相变蓄热冷却方案；指出了选择合适相变蓄热材料及相变蓄热封装设计是其中的关键技术，并结合航空航天领域相关技术进行了探讨与分

2、析。［关键词］　相变蓄热材料；热控；高超声速飞行器［中图分类号］　V２４５　［文献标识码］　A　［文章编号］　１００９－１７４２（２００８）０７－００９２－０５冷却。1前言［3～6］2系统方案比较高超声速飞行器在政治、经济及军事方面具有重要的战略意义，是２１世纪世界航空航天事业发展相变热控系统的优点是：相变材料种类繁多，选的热点。目前世界各主要航天大国都在积极开展与择范围大；相变过程近似等温变化，易于控制和管之相关的技术研究。解决“热障”问题是高超声速飞理；可针对具体的冷却需要采取不同的封装形式，结［１

3、，２］行器研制的关键技术之一。高超声速飞行器热构紧凑；系统设计自由度大。控系统的主要任务是对内部热载荷进行冷却。与普2．1空气循环热控方案通飞机不同，高超声速飞行器在飞行过程中将遭受空气循环热控系统主要由压气机、膨胀涡轮、相严重的气动加热，无法像普通飞机那样利用冲压空变材料容器、水分离器等组成，如图１所示。工作介气对飞行器内部的热载荷进行冷却，必须寻找新的质为空气。空气在压气机内受到压缩后进入相变材替代冷源。目前高超声速飞行器普遍使用低温燃料容器，将热量传递给相变材料，再进入膨胀涡轮膨料，如液氢等。低温

4、燃料具有很大的热容量，可以作胀降温，经水分离器进入设备舱，吸收热量后再进入为冷源使用。然而，低温燃料的流量控制必须以发压气机，完成一个循环。压气机动力来自发动机或动机需求为基准，而在特定飞行阶段，如下降阶段，电动机。该方案的优点是结构简单、可靠性高、设备低温燃料的流量无法满足热控系统冷却热载荷的需质量小，由于高超声速飞行器对质量大小非常敏感，要，必须采用辅助冷源加以补充。相变蓄热材料具因此这一优点值得重视；缺点是空气制冷效率低，控有较大的相变潜热，相变过程中温度变化很小，作为制精度差，受高度和速度的影响

5、较大。高超声速飞行器辅助冷源使用引起了人们很大的兴2．2蒸发循环热控方案趣。短时飞行的无人验证飞行器特点是飞行速度、蒸发循环热控系统由蒸发器、压缩机、相变材料飞行高度变化快，峰值热流高，总加热量相对较小，容器、节流阀等组成，如图２所示。液体制冷剂在蒸因而适合利用相变蓄热材料对瞬时峰值热载荷进行发器中吸收设备舱热量蒸发，蒸气进入压缩机压缩，［收稿日期］　２００７－０３－２６；修回日期　２００７－０５－２３［作者简介］　王佩广（１９７４－），男，山东淄博市人，北京航空航天大学博士研究生188中国工程科学图1

6、空气循环热控系统原理图图3液体冷却回路系统原理图Fig畅1SchemeofaircyclethermalcontrolsystemFig畅3Schemeofliquidloopthermalcontrolsystem然后进入相变材料容器将热量传递给相变材料，冷图４是一个间接通风式冷却系统，用空气冷却却后的制冷剂经节流阀流入蒸发器，再次吸收热量热载荷。空气由风扇驱动，经循环管路到各个设备，而不断循环。该方案的优点是性能系数较高，经济吸收热量后进入换热器与液态低温冷却剂换热，冷性好，受飞行高度和速度影响小；

7、缺点是结构比较复却剂蒸发后蒸气经排气口排出飞行器。温度传感器杂，制造成本高。装在流速大、温度均匀的空气分配管路内。通过流量控制和限流器限制最大流量，以防在开始冷却时液态冷却剂溢出。加热器只在过冷状态下工作。图2蒸发循环热控系统原理图Fig畅2Schemeofvaporcyclethermalcontrolsystem图4间接式蒸发冷却系统原理图2畅3液体冷却回路方案Fig畅4Schemeofindirectevaporationcoolingsystem液体冷却回路系统由液体回路、换热器、相变材料容器、

8、集液箱及附件组成，如图３所示。冷却液经图５是一个直接式蒸发冷却系统图。与间接式增压泵升压后经液体循环管路进入设备舱吸收热蒸发冷却系统不同的是，液态制冷剂由喷嘴直接喷量，在换热器中将热量传递给低温燃料，最后流回集射到舱内，并在风扇驱动下与舱内空气混合，降低舱液箱。当低温燃料流量不能满足冷却需要时，冷却内环境温度。当舱内压力超出某一要求值时，舱内液通过旁路进入相变材料容器将热量传递给相变材空气经压力控制活门排出飞行器外。与间接式方案料。该方案中