临近空间飞行器电动机散热方案研究.doc

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l2 50 km，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，只有微弱的上下对流。中间层距地面5080 km，该层温度先升后降，上下对流非常明显。电离层距地面60100 km，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20 km处达到一个最小值，约为320m/s.然后随高度的增加快速增加，在60 km 的高度，风速可达140 ms。风的特性直接影响到临近空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，20 km 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20 km高度附近的大气压力约为地面的53 ，随着高度上升压力下降，到30 km 高度时约为地面的11。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20 km 附近一般会达到最大，随高度增加臭氧浓度下降，到达30 km 时，浓度仅为最高值的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: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率，为第个单元面的等温黑体辐射力, 为第个单元表面与环境大气的对流换热，为第个单元表面的温度，为环境大气温度, 为第个单元面与当地铅垂线的夹角，为地球反射的太阳辐射。反射率一般取行星平均反照率0.35, 为第个单元面的红外长波吸收率，为地球-大气系统长波辐射力，为地气系统等效黑体温度。 综合以上公式,发现,若要提高发动机的辐射换热和的对流换热,最直接的方式是在电动机的表面加装肋片,增加换热的面积. 取距离地面20km处，当风速为6m/s时，若取翅片高度为1cm，则散热面的对流换热系数：Re=333Rel(=5*105), 则换热方式可以看成是平壁内的层流强迫对流换热，换热系数公式为： 其中的为20km高空空气的导热系数（0.027W/m.），为来流空气流速，为空气的运动粘度，为散热表面的特征长度，在计算翅片的散热量时，取翅片高度为特征长度，翅片的散热量为： 其中，为翅片的对流换热系数，为翅片的面积，为翅片的效益，且，其中，为翅片的导热系数，为翅片的厚度。下面引用参考文献（1）中的两幅图片： 图2 翅片散热量随翅片高度及风速的变化关系 图3 散热表面在不同翅片高度下的散热量图2描述的是高度分别为1cm5cm的翅片在3m10m风速变化范围内的翅片的散热量，由图可知，当翅片的高度逐渐增大时，翅片的肋效益变小，而散热能力逐渐趋于一个稳定的值，在10m/s的来流风速下，翅片的散热量高达2900W/m2，而在翅片高度为0.01m、风速为3m/s时，翅片的散热量亦能达到1000W/m2。因为20km高度处长年风速维持在320m/s，故图3针对平流层自然风冷却时不同散热表面的散热特性进行分析表明：在20km高度下，不同的翅片结构下，翅片的对流散热量明显大于连接翅片底板的对流散热量，而翅片和底板对深空的辐射散热量最低。综上，对于20km左右高度工作的飞行器，在采取散热措施时，应以所占散热份额较大的对流散热为主，以辐射散热为辅。而对于飞行高度高于20km的飞行器，可以参考以上方法，分析对流、辐射两种方式各自的散热效果，若上述散热表面在翅片高度0.1m，来流风速3m/s的条件下，在不同海拔高度下的散热效果如图4所示。图4辐射-对流换热随海拔高度的变化关系可见，在33km以下的临近空间范围内，对流换热效果明显大于辐射换热，且在近地空间11km高度处，对流换热最强，散热量能达到7000W/m2以上；而在33km左右高度处，辐射换热量和对流换热量基本持平，约为650W/m2；以33km为分界点，对于33km以上高空，由于臭氧浓度升高导致气温迅速回升，且空气密度较小、导热系数降低、气体粘度增大，使得对流换热作用迅速降低，而随着海拔高度的增加，对空辐射背景温度降低，使得辐射换热效果略有增强。所以，在进行临近空间飞行器的电动机的散热设计时，应先综合各方面的因素，考虑其飞行的高度等，采用不同形式的肋片的排布形式和不同的肋片形式，同时，考虑到换热系数与材料也有一定的关系，可以在选用适宜材料的同时选择在雷劈阿表面涂上一些增大散热量的涂料。3结论 本文先分析了临近空间环境特性，再结合环境特性和相关的公式对邻近空间的电动机散热特