超声速飞行器热管理系统性能仿真及优化设计研究

随着航空技术和军事作战能力的发展,超声速飞行器在军事领域中开始扮演重要角色,其外部气动加热效应和内部机载设备发热使机体承受的热负荷增高,设备性能与飞行安全面临较大的威胁,因此对机体结构和机载设备进行温度控制和热量管理,成为超声速飞行器方案设计阶段亟待解决的重要问题。现阶段国内外研究者对热管理系统的研究主要着眼于燃油系统和液体蒸发冷却系统,对于包含机体热防护功能的整机热管理系统的研究则不足,使得机体重要系统及燃油温度与实际情况存在差距。本文对考虑气动加热影响下的某超声速飞行器提出了一套热管理方案,并对其分别进行了非稳态性能仿真和热管理系统方案优化设计研究。主要研究工作如下:1.提出了超声速飞行器热管理方案并建立了相应的热管理系统模型。在对超声速飞行器的内、外部热源与冷源以及各部分之间传热过程进行分析的基础上,提出了一套以隔热毡作为机体第一层热沉、燃油作为主要热沉、蒸发冷却液作为燃油补充热沉的热管理方案,并针对方案中各子系统工作原理及传热过程,分别建立了热防护系统、机电系统、燃油循环冷却系统和液体蒸发冷却系统的性能仿真数学模型。2.开展了超声速飞行器热管理系统性能仿真研究。首先基于Flowmaster软件平台搭建了性能仿真网络模型,然后对典型飞行状态下的热管理系统进行了非稳态性能仿真,得到重要子系统及燃油流路中各重要节点的温度、质量等结果随时间的变化规律。结果表明,隔热毡具有良好的热防护效果,其内外表面温差可达到至少140℃;机载燃油和蒸发冷却液可为迅速升温的设备舱提供冷源,使舱温最终稳定在70℃至90℃之间;燃油循环冷却系统中,供油箱的燃油温度上升始终较为平稳,在蒸发冷却液的作用下其温度最终达到约110℃;供油箱流出的燃油经滑油散热器、液压油散热器等、最终去往发动机,温度达到约130℃。机舱温度以及燃油温度均可以满足工程设计需求。3.开展了超声速飞行器热管理系统方案优化设计研究。以隔热毡质量和两套液体蒸发器中冷却液消耗质量的线性加和作为优化设计目标,以隔热毡厚度和两套液体蒸发器的工作功率作为优化设计变量,以去往发动机的燃油温度上限作为约束条件,建立了热管理系统方案优化设计的数学模型,然后采用模拟退火算法与代理模型技术相结合的方法基于Isight软件对热管理系统方案进行了优化设计研究。结果表明,在隔热毡厚度为2.639mm,两套液体蒸发器冷却功率分别为5kW和10.504kW时,机体总热沉质量最小,约为22.036kg;进行4620步优化计算花费的时间约为5min;最优解处代理模型的目标函数值与采用Flowmaster仿真计算的结果误差约为0.47%,代理模型拟合程度较高。