CN106828947A - 一种高空飞行器太阳能电池板与螺旋桨电机联合散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种利用飞行器螺旋桨尾部低温高速气流对高空飞行器太阳能电池板和螺旋桨后部电机的联合散热装置，该装置能用类似强制对流散热的手段提高系统的换热效率，使太阳能电池板满足工作所需温度，同时也通过翅片散热使集中热源螺旋桨电机的温度下降。太阳照射条件下，太阳能电池板的上表面温度可达到100℃以上，3万米高空低密度的空气大大减小了散热效率，因此在如此严酷的工作条件下，电池板的散热设计就变得非常重要。使用螺旋桨尾流进行对流散热的方式，可以省去强制对流散热风机的结构重量。同时，通过类似发动机短舱的结构来进行螺旋桨尾部气流进气引流，还可以在一定程度上提升螺旋桨的气动性能，一举两得。
Description
技术领域
本发明涉及一种高空飞行器太阳能电池板的强制对流散热和温差发电装置，其目的是根据高空飞行器太阳能电池板的温度控制要求、满足电池板工作温度条件，设计出一种适用于工作高度为3万米左右、单次连续飞行航时大于48小时的高空飞行器太阳能电池板的散热装置。同时，为尽量减小散热装置的结构重量，尽量精简散热装置的构成，采用了直接引用螺旋桨尾部气流来进行散热的方法。具体涉及模型几何尺寸的确定、引气结构的外形与尺寸确定、冷却通道的设计与排布等问题。
背景技术
随着科技发展和信息化作战概念的提出，在20～50km的高空(即临近空间)的战略价值越来越高，而在这个高度飞行的飞行器由于独特的气温、气压等环境因素，使得热控方法不同于通常的航空飞行器和航天器，但又兼具航空器和航天器的特点。太阳照射条件下，太阳能电池板的上表面温度可达到100℃以上，超过了可以正常工作的条件，因此在如此严酷的工作条件下，散热设计就变得非常重要。同时，飞行器的重量也是需要重点考虑的设计因素，为了尽量减少由散热而带来的重量增加，本发明直接采用螺旋桨尾部气流来对太阳能电池板进行散热。
30km工作高度上的空气比较稀薄，不利于太阳能电池板表面与大气环境的对流散热，但由于空气温度低至-40℃，与电池板表面温差较大，因此可以通过加强强制对流散热来实现太阳能电池板的散热要求。相比较于辐射换热，平流层底部空间的热环境下，对流换热的作用明显大于辐射换热，而本发明采用的直接引进螺旋桨尾部气流为太阳能电池板散热又将大大减轻散热系统的重量，减少飞行过程中的能量消耗，直接引入的螺旋桨尾部气流流过螺旋桨电机的同时，也将加强安装了翅片的电机散热效果。同时，螺旋桨后部气流受螺旋桨影响，桨盘后出现滑流，这也是螺旋桨气流的重要特征。滑流区气流绝对速度增加，且有旋转运动，因此对螺旋桨后部的气动部件有着重要的影响。因此选择采用与螺旋桨飞机发动机短舱进气道类似的结构进行引气，对飞机螺旋桨的气动效率也有一定的提高。而遍布于机翼内的冷却流道保证了引进的高速冷空气能够从每个电池板的两个方向对太阳能电池板进行冷却，从而达到所需工作温度条件。
综上所述，目前针对高空飞行器的散热设计还没有利用螺旋桨尾部气流直接引气散热设计的出现，需要解决包括模型几何尺寸的确定、引气结构的外形与尺寸确定、电机翅片的确定、冷却通道的设计与排布等问题。
发明内容
本发明技术解决问题：解决目前还没有的高空飞行器利用螺旋桨尾部气流直接引气散热设计，将短舱进气和内流道对流散热结合起来，最后进行整合来达到所要求的工作条件。
本发明基于强制对流换热的原理，而不使用风机对气流进行加速，使用螺旋桨后部的高速低温气流，直接引进气流进入冷却流道，进行预定的散热设计达到冷却效果。太阳能电池板放置于飞行器机翼的上表面，接受太阳光照射，在产生电能的同时发热，温度可达100℃以上，将强制对流的进气通道布置于机翼的前部螺旋桨位置的正后方，辅以类似发动机短舱的进气道设计，通过冷却通道将冷空气输送到太阳能电池板的下方与前后左右四周。这样的排布方式，技能解决螺旋桨后气流由于产生涡旋不容易进气的问题，也在另外一个方面提高了螺旋桨的气动效率。
本发明采用的技术方案由如下两大部分构成：
1.类似发动机短舱的进气道。气流受螺旋桨影响，桨盘后出现滑流，这是螺旋桨气流的重要特征之一。滑流区气流绝对速度增加，且有旋转运动，因此对螺旋桨后部的气动部件有着重要的影响。因此在对螺旋桨尾部气流进行引进时需考虑到该复杂的情况，不能采用单纯地在机翼前缘开孔的方式进行进气，而采用类似发动机短舱进气道的方式。由于进气口空气流速快温度低，且螺旋桨电机属于集中热源，故螺旋桨电机的冷却采用翅片冷却方式。
2.分布于机翼内的冷却通道。通过进气道的引气，外界的低温高速空气进入到机翼中，通过遍布于太阳能电池板前后左右(远端还有下方流道)的冷却通道实现对电池板的冷却功能。空气通过冷却通道后，由位于机翼后缘的出口排出。
附图说明
图1是太阳能电池板在机翼表面的排布方式示意图
图2是冷却通道安排示意图
图3是飞机螺旋桨的安装位置图
图4是进气道短舱与机翼结合方式示意图
图5是进气道短舱外形结构示意图
图6是螺旋桨电机的散热肋片布置图
图7是冷却气体的排气口示意图
图8是整个发明的系统总图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及方案实例，对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先，对机翼进行设定，高空长航时太阳能飞机的飞行速度约为100m/s，翼型选用为下平翼型的矩形机翼。机翼为空心，表面包裹有蒙皮，所有的相关设备均安装在机翼内部，实际情况下的参数可用以下相同的方法进行类比计算。太阳能电池板沿机翼的长度方向布置于机翼上表面蒙皮的上方，如图1所示的为机翼与电池板构成的一个机翼单元，整个飞行器的机翼由多个机翼单元横向拼接而成。这时空气空气流过通风道带走的热量与散热通道面积，根据温升、气流速度之间的关系，设定空气的出口温度不超过40℃，假定散热前后温差，可以得到电池板表面温度，以此判断设备热设计是否满足要求，若不符合要求则重新假定温差重复上述计算，直到满足设备热设计要求为止。
冷却通道位于机翼内部的太阳能电池板下方位置，由类似夹层结构构成，能使冷空气较为均匀地分布到电池板下部的每个位置。由于进气道设置在螺旋桨后部，与排气口的位置关系决定了无法保证所有冷却通道均路径长度相同从而有等量的气体通过，因此为了保证气流流经的路径基本相同，设置了机翼后缘的两侧和中间共3个排气口，其示意图如图2。
螺旋桨安装于机翼前缘离的进气道短舱前部，位置如图3所示。进气道短舱突出于机翼前缘，其后部与机翼平滑过渡，如图4所示。进气道短舱的外形结构参照成熟的发动机进气道设计，示意图如图5所示。带螺旋桨的发动机短舱根据进气道所处位置和形式来分有若干种构型：下颌式、上颌式、双颌式以及环形等。而根据文献中的设计准则选择采用标号为UK Cowling No.6的外形设计，是英国在上世纪70年代设计的六种翼吊式短舱的型线之一，是六款外罩中最成功的一款，其优良的性能表现在高低马赫数时均优于NACA 1系列外罩。进气道直接采用等直管道，无扩张角。
除了电机本来的对流散热，要想保持电机表面的热力学平衡，设定电机形状与需要散热的热量。本设计采用等截面矩形肋，肋片分别均匀布置于电机外壳的圆周各个方向，总共需要安装30片肋片，可设定翅片长度之后计算得出翅片散热的效果，以验证该翅片参数的可行性。散热翅片的分布方式如图6所示。该种布置方式虽然会对进气道的进气速度产生一定的影响，但由于翅片的布置方式在尖端位置都空出了一定的空间，故这样的影响在整体来看不会对散热效果造成比较大的改变。
冷却气体的排气口分为两个，一个位于正对螺旋桨的机翼后缘处，另一个位于翼尖的机翼后缘位置，旨在尽量使冷却通道的气体行程相同，从而均分气体的流量，排气口的示意图如图7。
最后，此发明所涉及到的系统总图如图8所示。
以上所述仅为本发明的理想状况下的设计计算方法实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高空飞行器太阳能电池板与螺旋桨电机联合散热装置，其特征包括以下两大部分内容：
第一部分，类似发动机短舱的进气道。螺旋桨后部的气流受螺旋桨影响，桨盘后出现滑流，这是螺旋桨气流的重要特征之一。滑流区气流绝对速度增加，且有旋转运动，因此对螺旋桨后部的气动部件有着重要的影响。因此在对螺旋桨尾部气流进行引进时需考虑到该复杂的情况，不能采用单纯地在机翼前缘开孔的方式进行进气，而采用类似发动机短舱进气道的方式。应注意到，由于螺旋桨属于集中热源，也应当有冷却，考虑到螺旋桨进气口处风速高达100m/s左右，则此时的对流换热要远强与辐射和传导的方式，因此将螺旋桨电机的散热设计为普通的翅片散热。
第二部分，分布于机翼内的冷却通道。通过进气道的引气，外界的低温高速空气进入到机翼中，通过遍布于太阳能电池板附近的冷却通道实现对电池板的冷却功能。空气通过冷却通道后，由位于机翼后缘的出口排出。
2.根据权利要求1所述的一种高空飞行器太阳能电池板与螺旋桨电机联合散热装置的类似发动机短舱进气道，其特征在于：进气道的外形根据螺旋桨发动机的进气道来进行设计，降低了设计难度，同时也可以提高螺旋桨性能。而所采用的短舱外罩，是英国在上世纪70年代设计的六种翼吊式短舱的型线之一，是六款外罩中最成功的一款，其优良的性能表现在高低马赫数时均优于NACA1系列外罩。进气道直接采用等直管道，无扩张角。短舱与进气道内侧的设计参数通过成熟的参数表可查得。短舱后端与机翼前缘平滑过渡，内部结构则与冷却通道连通。对于螺旋桨风机的散热，翅片的材料要满足较好的导热性能，较好的抗腐蚀能力，较高的强度，易于加工成型，较低的成本和较轻的质量。因此综合各材料的优缺点后，在高空长航时无人机电机上的散热翅片材料选择铝。
3.根据权利要求1所述的一种高空飞行器太阳能电池板与螺旋桨电机联合散热装置的机翼内部冷却通道，其特征在于：不消耗多余能量，所用于冷却的气流基本上完全来自于螺旋桨尾部气流。冷却通道布置于太阳能电池板的下方，以类似夹层的结构进行散热，以达到使用要求。
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