化工学报 ›› 2020, Vol. 71 ›› Issue (S1): 417-424.doi: 10.11949/0438-1157.20191356

• 能源和环境工程 • 上一篇    下一篇

高空长航时无人机综合热能管理的构型分析

马慧才(),刘毅玲,党晓民   

  1. 中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院机电系统所,陕西 西安 710089
  • 收稿日期:2019-11-08 修回日期:2019-11-23 出版日期:2020-04-25 发布日期:2020-05-22
  • 通讯作者: 马慧才 E-mail:myghost46@163.com
  • 作者简介:马慧才(1986—),男,硕士,工程师,myghost46@163.com

Configuration analysis of integrated thermal management about high altitude long-endurance unmanned aerial vehicle

Huicai MA(),Yiling LIU,Xiaomin DANG   

  1. Aviation Industry Corporation of China-The First Aircraft Institute, Xi’an 710089, Shaanxi, China
  • Received:2019-11-08 Revised:2019-11-23 Online:2020-04-25 Published:2020-05-22
  • Contact: Huicai MA E-mail:myghost46@163.com

摘要:

高空长航时无人机机载机电系统中,有供电、燃油、液压和环境控制系统等独立分系统,在热量的需求和使用上,它们又是相互紧密关联的。根据现有技术,提出了一种无人机的综合热能管理构型,针对该构型进行系统参数匹配计算,并对关键产品——热交换器、回热器、冷凝器、压气机、涡轮进行部件级的初步设计和仿真建模,得到可工程化的结构参数,并在Flowmaster仿真平台上完成两轮升压式制冷/液冷一体化系统仿真,仿真结果与设计目标匹配良好,用于将空气循环制冷系统与液冷系统热量交换的空-液热交换器,将不同使用工况下不同系统的富裕制冷量进行综合利用,得到综合热能管理可以减少飞机代偿损失的依据,体现出综合热能管理构型在节能方面的优越性。

关键词: 高空长航时无人机, 热能管理, 压缩机, 涡轮, 模型, 计算机模拟

Abstract:

There are many subsystems such as power supply system, fuel system and environmental control system(ECS) in the high altitude long-endurance unmanned aerial vehicle(UAV).They are independence and also have correlations with each other on the demand and use of the thermal. The new configuration of integrated thermal management about high altitude long-endurance UAV is put forward and the research about the parameters matching among the systems has been done. The preliminary design of the major system compoments is presented and the mathematical models of the compoments are established, such as heat exchanger, reheater, condenser, compressor and turbine. The structure parameters for engineering have been obtained.The computer simulation system of the integrated air-conditioning pack and liquid cooling system is established on the Flowmaster platform. It is presented that the computer simulation results match with design objective very well. The new configuration can make the thermal be integratly used under different working conditions with the heat exchanger which is used to exchange the heat between the air-conditioning pack and liquid cooling system. The aircraft performance penalty is reduced,which can show the superior of the integrated thermal management configuration. As the system configuration optimization is completed with the integrated aircraft thermal management, the target radar cross section (RCS) of the stealth high altitude long-endurance UAV will also be reduced.

Key words: high altitude long-endurance unmanned aerial vehicle, thermal management, compressor, turbine, model, computer simulation

中图分类号: 

  • V 245.3

图1

无人机综合热能管理构型工作原理图"

图2

涡轮-压气机式空气循环制冷系统匹配计算流程"

图3

压气机效率及转速通用特性曲面"

图4

涡轮效率及流量通用特性曲面"

图5

两轮升压式制冷/液冷一体化系统仿真结构图"

表1

设计点状态下系统性能参数计算结果"

参数设计目标值设计完成值
质量流量/(kg/s)0.6730.673
初散效率/%0.850.8
次散效率/%0.60.75
回热器效率/%0.510.41
冷凝器效率/%0.350.315
压气机压比1.6561.6
压气机效率/%0.70.7
涡轮膨胀比4.64.49
涡轮效率/%0.750.765
工作转速/(r/min)5000050400
出口温度/℃57.1
制冷量/kW14.813.5

表2

极热天、3 km高度下系统性能参数"

序号名称压力/bar温度/℃含湿量/(g/kg)流量/(kg/s)
1冲压空气0.7118.5190.9
2系统入口2.88180190.4
3系统出口0.81-12.60.4

表3

极热天、3 km高度下系统部件性能参数"

序号名称效率/%膨胀比/压比转速/(r/min)
1涡轮0.723.236500
2压气机0.71.4636500

表4

液冷系统部件性能参数"

序号部件名称制冷量/kW流量/(kg/s)温降/K效率/%
1蒙皮散热器19.10.521010.1
2空液换热器80.52441
1 刘重阳. 国外无人机技术的发展[J]. 舰船电子工程, 2010, 30(1): 19-23.
Liu C Y. Development of UAV technology abroad[J]. Ship Electronic Engineering, 2010, 30(1): 19-23.
2 刘春阳. 无人机隐身技术若干问题研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2012.
Liu C Y. Some key techniques for stealth UAV[D]. Xi an: Xidian University, 2012.
3 《国外无人机系统装备系列丛书》编委会. 全球鹰: 高空长航时无人侦察机系统 [M]. 北京: 航空工业出版社, 2010.
Editorial Board of “Foreign UAV System Equipment Series”. Global Hawk: High Altitude Long Endurance Unmanned Aerial Vehicle System [M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2010.
4 郁新华, 赵明禹. 无人机进气道设计中的隐身技术[J]. 飞行力学, 2007, 25(4): 69-72.
Yu X H, Zhao M Y. A study on stealth technology in UAV inlet design[J]. Flight Dynamics, 2007, 25(4): 69-72.
5 郑伟连. 无人机动力进排气系统隐身设计分析[J]. 航空动力, 2019, (4): 28-31.
Zheng W L. Analysis of stealth design for UAV inlet and exhaust systems[J].Aerospace Power, 2019, (4): 28-31.
6 Sacks A H, Spreiter J R. Theoretical Investigation of Submerged Inlets at Low Speed[R]. NACA TN-2323, 1951.
7 Mossman E A, Randall L M. An Experimental Investigation of the Design Variables for NACA Submerged Duct Entrances[R]. NACA RM-A7130, 1948.
8 Ezgi S T. Multi-Objective Design Optimization and Experimental Measurements for a Submerged Inlet[R]. AIAA2004-25, 2004.
9 Vasilije J J. Experimental Investigation of a Submerged Subsonic Inlet-Part Ⅱ[R]. AIAA2004-4842, 2004.
10 Lee J G. Numerical Simulation of Three-Dimensional Flows for Flush Inlet[R] .AIAA2004-5109, 2004.
11 薛浩, 崔利, 赵竞全. 战斗机综合热能管理系统稳态仿真[J]. 飞机设计, 2010, 30(3): 51-55.
Xue H, Cui L, Zhao J Q. Numerical simulation of integrated heat management system in steady working condition[J].Aircraft Design, 2010, 30(3): 51-55.
12 薛浩, 王俊延, 李世民. 基于遗传算法的综合热能管理系统代偿优化[J]. 装备环境工程, 2010, 7(6): 138-142.
Xue H, Wang J Y, Li S M. Cost optimization of integrated heat energy management system using genetic algorithm[J]. Equipment Environmental Engineering, 2010, 7(6): 138-142.
13 李楠, 江卓远. 某飞机综合热能管理系统初步研究[J]. 民用飞机设计与研究, 2013, (2): 13-17.
Li N, Jiang Z Y. The preliminary research on integration thermal and energy management system for some aircraft [J]. Civil Aircraft Design and Research, 2013, (2): 13-17.
14 许昕. 空气/蒸汽组合式循环飞机环控系统方案研究及仿真技术[D].北京: 北京航空航天大学, 2004.
Xu X. The research and simulation technology of aircraft environmental control system based on air/steam combined cycle [D]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2004.
15 邹冰. 飞机环境控制系统仿真及优化研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2005.
Zou B. The simulation and optimization of the aircraft environment control system [D]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2005.
[1] 李攀, 孔慧, 宋卓栋, 张作毅, 王云芳. 甲醇-甲醛-聚甲氧基二甲醚三元体系汽液平衡[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 7-14.
[2] 裴后举, 蒋彦龙, 施红, 崔永龙, 陈常栋, 钱晓辉. 基于M-L湍流模型的浮空器强迫对流换热[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 136-141.
[3] 张行, 庞丽萍, 王莹. 某型运输机飞行状态下冷凝器风道性能[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 166-171.
[4] 方黄峰, 刘瑶瑶, 张文彪. 基于LSTM神经网络的流化床干燥器内生物质颗粒湿度预测[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 307-314.
[5] 史璐璐. 大型民用飞机座舱区域多级温度控制系统的研究[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 322-327.
[6] 孟繁鑫, 孙佳宁, 周月, 高赞军, 程定斌. 飞机环控系统空气循环机仿真建模及试验校核[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 328-334.
[7] 郭良, 李恒, 庞丽萍, 毛晓东, 赵竞全, 杨晓东. 高速运载器发电/制冷联合系统稳态性能[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 391-396.
[8] 马德胜, 庞丽萍, 毛晓东, 董素君. 机载综合环控系统的热管理[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 436-440.
[9] 王金红, 陈志, 刘凡, 李建明. 密封环支撑边界条件对机械密封端面变形的影响[J]. 化工学报, 2020, 71(4): 1744-1753.
[10] 周星宇, 曾凡桂, 相建华, 邓小鹏, 相兴华. 马脊梁镜煤有机质大分子模型构建及分子模拟[J]. 化工学报, 2020, 71(4): 1802-1811.
[11] 杨永安, 李瑞申, 李坤, 孙天慧. 采用R410A单一工质的复叠式空气源热泵[J]. 化工学报, 2020, 71(4): 1812-1821.
[12] 杨鑫宇, 吴杰, 张建庭, 吴纯鑫, 赵德明. 功能化磁性纳米复合材料Fe3O4-mPD/SP吸附Cr(Ⅵ)研究[J]. 化工学报, 2020, 71(3): 1060-1071.
[13] 韩宇, 李俊芳, 高强, 田宇, 禹国刚. 基于故障判别增强KECA算法的故障检测[J]. 化工学报, 2020, 71(3): 1254-1263.
[14] 冯毅萍, 章途潮, 陈歆. 面向智能制造的多要素生产成本建模方法[J]. 化工学报, 2020, 71(3): 1111-1121.
[15] 何德峰, 张永达, 李廉明, 仇翔. 循环流化床燃烧系统无终端约束字典序经济预测控制[J]. 化工学报, 2020, 71(3): 1210-1216.
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[1] 韩进, 朱彤, 今井刚, 谢里阳, 徐成海, 野崎勉. 基于高速转盘法的剩余污泥可溶化处理 [J]. 化工学报, 2008, 59(2): 478 -483 .
[2] 王晓莲, 王淑莹, 彭永臻. 进水C/P比对A2/O工艺性能的影响 [J]. 化工学报, 2005, 56(9): 1765 -1770 .
[3] 罗雄麟, 白玉杰, 侯本权, 孙琳. 基于相对增益分析的换热网络旁路设计 [J]. 化工学报, 2011, 62(5): 1318 -1325 .
[4] 唐志杰, 唐朝晖, 朱红求. 一种基于多模型融合软测量建模方法 [J]. 化工学报, 2011, 62(8): 2248 -2252 .
[5] 张建文, 李亚超, 陈建峰. 旋转床内微观混合与反应过程的特性[J]. 化工学报, 2011, 62(10): 2726 -2732 .
[6] 杨基础,董燊,杨小民. 海藻糖对固定化酶的保护作用 [J]. CIESC Journal, 2000, 51(2): 193 -197 .
[7] 梁运涛, 曾文. 封闭空间瓦斯爆炸与抑制机理的反应动力学模拟 [J]. 化工学报, 2009, 60(7): 1700 -1706 .
[8] 魏清渤,高楼军,付 峰,张玉琦,马荣萱. pH响应PAAm-g-PEG/PVP半互穿网络水凝胶的制备以及溶胀动力学[J]. 化工进展, 2012, 31(01 ): 163 -168 .
[9] 赵亚红,薛振华,王喜明,王丽. 羧甲基纤维素/蒙脱土纳米复合材料对刚果红染料的吸附及解吸性能[J]. 化工学报, 2012, 63(8): 2655 -2660 .
[10] 汪泽华,蔡卫权,郭蕾,童亚超,胡玉珍. P123辅助SB粉溶胶制备大孔径介孔γ-Al2O3及其对甲基蓝的强化吸附性能[J]. 化工学报, 2012, 63(8): 2623 -2628 .