CN113484051B - 一种机载系统实时热等效模拟方法及系统 - Google Patents

一种机载系统实时热等效模拟方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请属于飞机热效应模拟设计技术领域，涉及一种机载系统实时热等效模拟方法及系统。热等效模拟方法包括：步骤S1、确定机载设备在实际工况下的实际热效应；步骤S2、对所述热效应进行缩比，获得缩比后的模拟热效应，所述模拟热效应至少包括热量数据及用于进行机载设备热交互的流体的流量数据；步骤S3、根据所述模拟热效应的热量数据，控制电加热装置对流体进行加热，所述流体被配置称与机载其他设备的热等效接口进行热交互，同时根据所述模拟热效应的流量数据控制流体驱动装置运转，所述流体驱动装置被配置成驱动流体按设定流量流动。本申请降低了成本和实验难度，实现了机载系统热管理方案快速验证迭代。

Description

一种机载系统实时热等效模拟方法及系统
技术领域
本申请属于飞机热效应模拟设计技术领域，特别涉及一种机载系统实时热等效模拟方法及系统。
背景技术
机载设备部件繁多，功能复杂。随着航空技术的发展，机载设备功率不断升高，散热量也不断升高，同时为满足实际任务需求，出于气动、隐身等方面的考虑，冲压空气等传统热沉越来越难以获取，这都使得热问题逐步成为制约机载系统和飞行器总体设计的关键因素。
机载系统热问题研究主要关注的是各系统、设备的热效应，若完全采用实际系统进行试验成本很高。特别是目前飞机热问题解决方案逐步向着综合热管理方向发展，如先进战机主流的热管理方案是通过燃油经过各子系统为机载系统散热，涉及到液压系统、电力系统、环控系统等多个子系统，要搭建如此复杂的试验台成本高，时间长。设计人员在前期往往只能搭建子系统试验台，难以在设计前期通过试验方法验证方案可行性，并进行快速迭代及优化设计。
此外飞机工作范围广，飞行速度和环境条件变化大，若采用实际系统，考虑到飞机的体积，要在地面试验环境模拟空中环境同样需要很高的成本，导致很多问题到设计后期的整机试飞阶段才能暴露出来。在这一阶段考虑到工程研制周期和成本问题，几乎不可能对设计方案进行大幅度的更改，导致系统难于做到最优。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种机载实时热等效模拟方法及系统，该方法能够实时根据实际机载设备情况，分析高空环境对机载系统热效应影响，按试验需求再进行缩比，从而更精准的模拟机载系统的热效应。
本申请第一方面提供了一种机载系统实时热等效模拟方法，主要包括：
步骤S1、确定机载设备在实际工况下的实际热效应；
步骤S2、对所述热效应进行缩比，获得缩比后的模拟热效应，所述模拟热效应至少包括热量数据及用于进行机载设备热交互的流体的流量数据；
步骤S3、根据所述模拟热效应的热量数据，控制电加热装置对流体进行加热，所述流体被配置称与机载其他设备的热等效接口进行热交互，同时根据所述模拟热效应的流量数据控制流体驱动装置运转，所述流体驱动装置被配置成驱动流体按设定流量流动。
优选的是，步骤S1中，确定所述实际热效应包括：
步骤S11、确定机载设备的实际工况下的发热量；
步骤S12、确定机载设备在实际工况下的散热渠道，及由所述散热渠道带来的新的散热量；
步骤S13、确定实际影响热管理系统的热量。
优选的是，步骤S11中，通过获取所述机载设备的电压电流参数，确定实时工况及所述机载设备的发热量。
优选的是，步骤S13中，实际影响热管理系统的热量Qreal为：
Qreal＝Qtot-Qair-Qtube+Qpump
其中，Qtot为步骤S11中确定的机载设备的实际工况下的发热量，Qair为实际工况下的通过机内空气散失这一散热渠道散失的热量，Qtube为实际工况下的通过润滑油管道这一散热渠道散失的热量，Qpump为由于驱动润滑油的泵带来的热量。
优选的是，步骤S2中，对所述热效应进行缩比包括：
对发热量按设定比例系数N进行缩比；
对用于进行升温模拟的流体的流量按设定比例系数N进行缩比；
对总换热系数与换热面积的乘积按设定比例系数N进行缩比。
优选的是，对流量进行缩比时，包括：
Figure BDA0003099496740000021
其中，m’real为缩比后流量，mreal为实际流量，c为实际流量的工质比热容，c′为缩比后流量的工质比热容。
优选的是，步骤S3中，控制电加热装置对流体进行加热包括：
通过比较给定的实时热功率数据与实时解算的所述电加热装置的功率反馈数据，采用闭环控制所述电加热装置产生设定的热功率。
优选的是，通过调整电压，对所述电加热装置的热功率进行控制。
本申请第二方面提供了一种机载系统实时热等效模拟系统，主要包括：
实际热效应确定模块，用于确定机载设备在实际工况下的实际热效应；
模拟热效应确定模块，用于对所述热效应进行缩比，获得缩比后的模拟热效应，所述模拟热效应至少包括热量数据及用于进行机载设备热交互的流体的流量数据；
控制模块，用于根据所述模拟热效应的热量数据，控制电加热装置对流体进行加热，所述流体被配置称与机载其他设备的热等效接口进行热交互，同时根据所述模拟热效应的流量数据控制流体驱动装置运转，所述流体驱动装置被配置成驱动流体按设定流量流动。
优选的是，所述模拟热效应确定模块包括：
发热量确定单元，用于确定机载设备的实际工况下的发热量；
热效应影响确定单元，用于确定机载设备在实际工况下的散热渠道，及由所述散热渠道带来的新的散热量；
实际热量确定单元，用于确定实际影响热管理系统的热量。
本申请提供的方法及系统具有通用性，可模拟各类机载设备发热量，也可用于补偿试验设备以实现与实际机载设备热等效，大大降低成本和实验难度，实现机载系统热管理方案快速验证迭代。
附图说明
图1是本申请机载系统实时热等效模拟方法的一优选实施例的流程图。
图2是本申请图1所示实施例的发电机发热模拟图。
图3是本申请图1所示实施例的热源模拟系统架构图。
图4是本申请的热功率模拟装置示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请第一方面提供了一种机载系统实时热等效模拟方法，如图1所示，根据机载设备真实控制进行建模，形成控制模型。根据不同飞行剖面下已经得到的工况数据，对控制模型进行设置，保证模型和机载运行工况相同，同时根据该设备的热功率理论计算方法，形成该机载设备的热模型。控制模型和热模型在上位机中运行，随时间实时输出随时间产生的实时热功率。以下详细说明。
步骤S1、确定机载设备在实际工况下的实际热效应。
在一些可选实施方式中，步骤S1中，确定所述实际热效应包括：
步骤S11、确定机载设备的实际工况下的发热量；
步骤S12、确定机载设备在实际工况下的散热渠道，及由所述散热渠道带来的新的散热量；
步骤S13、确定实际影响热管理系统的热量。
本申请通过不同飞行剖面下需求分析或依据实际飞参数据，得到不同飞行剖面下各个机载大功率设备的实时工况，将数据注入实时仿真模型，保证仿真模型按照飞机机载设备的真实工况进行运转，同时实时模型中嵌入设备的热模型，计算机载系统发热功率。
以模拟系统模拟实际机载发电机发热量为例，首先为保证热功率数据产生的真实性和可靠性，通过不同飞行剖面下真实的机载热功率作为输入，进行机载热源的模拟，才能真实反映飞机热源的发热情况。由于目前机载设备在飞机上的参数记录并没有热功率的计算和采集，所以需要根据机载已有参数包括电压、电流等，将机载设备的实时工况提取出来，作为上位机实时模型的工作输入。假设发电机在该功率下发热量为Qtot。
机载发电机冷却是通过润滑油冷却发电机，其热效应通过润滑油经换热器导入整个系统。
如图2所示，分析发电机热量的传递过程，一部分热量Qair直接通过机内空气散失，受到高空环境影响，公式如下：
Qair＝hairAeng(teng-tair)
另一部分热量Qtube通过润滑油管道散热：
Qtube＝htubeAtube(ttube-tair)
驱动润滑油的泵也会产生热量Qpump。
实际影响热管理系统的热量为：
Qreal＝Qtot-Qair-Qtube+Qpump
步骤S2、对所述热效应进行缩比，获得缩比后的模拟热效应，所述模拟热效应至少包括热量数据及用于进行机载设备热交互的流体的流量数据。
本申请在步骤S1之后分析机载设备传热过程，建立模型考虑空中环境及其他因素的影响，获得机载设备对热管理系统实际的热效应。
在一些可选实施方式中，步骤S2中，对所述热效应进行缩比包括：
对发热量按设定比例系数N进行缩比；
对用于进行升温模拟的流体的流量按设定比例系数N进行缩比；
对总换热系数与换热面积的乘积按设定比例系数N进行缩比。
以下分别说明。
机载设备发热量可达几十至上百kW，搭建试验台往往要对发热量进行缩比，即使采用等比例发热量，也可能需要进行工质替换以提高试验安全性。如下式，Q′real为缩比后发热量，N为比例系数。
Q′real＝Qreal/N
根据流体温升公式，为保持热效应一致，m′real为缩比后流量，mreal为实际流量，流量也需等比例缩小，c、c'分别为实际工质(本例中为润滑油)与替换后工质的比热容。
Figure BDA0003099496740000051
根据牛顿冷却公式，为保持热效应一致，模拟系统换热单元总换热系数U'与换热面积A'乘积也应与发电机的总换热系数U与换热面积A乘积对应成比例。
U′A′＝UA/N
步骤S3、根据所述模拟热效应的热量数据，控制电加热装置对流体进行加热，所述流体被配置称与机载其他设备的热等效接口进行热交互，同时根据所述模拟热效应的流量数据控制流体驱动装置运转，所述流体驱动装置被配置成驱动流体按设定流量流动。
在一些可选实施方式中，步骤S3中，控制电加热装置对流体进行加热包括：
通过比较给定的实时热功率数据与实时解算的所述电加热装置的功率反馈数据，采用闭环控制所述电加热装置产生设定的热功率。
在步骤S3中，根据实际需求(如功率缩比、工质替换)，为达到相同的热效应，解算出系统要提供的热量、流量等物理参数。比较实际采用的试验设备与理论计算结果差值，根据计算结果利用热等效系统对试验设备进行补偿。若研究对象仅关注设备的热效应，则可直接采用热等效系统替代试验设备。
在一些可选实施方式中，通过调整电压，对所述电加热装置的热功率进行控制。
本机载热源模拟系统硬件架构如图3，由控制单元控制流体驱动单元，驱动系统中的流体流动，另外控制单元也和热量提供单元进行信息交互，将满足机载模拟的热功率信息发送给热量提供单元，由热量提供单元向换热单元传输热量，并进入流体中。流体中的热量和其他热等效接口单元进行热交互，模拟机载热交互，由测量与记录单元和计算单元，对交互信息进行实时计算并反馈控制单元。
本申请第二方面提供了一种与上述方法对应的机载系统实时热等效模拟系统，包括：
实际热效应确定模块，用于确定机载设备在实际工况下的实际热效应；
模拟热效应确定模块，用于对所述热效应进行缩比，获得缩比后的模拟热效应，所述模拟热效应至少包括热量数据及用于进行机载设备热交互的流体的流量数据；
控制模块，用于根据所述模拟热效应的热量数据，控制电加热装置对流体进行加热，所述流体被配置称与机载其他设备的热等效接口进行热交互，同时根据所述模拟热效应的流量数据控制流体驱动装置运转，所述流体驱动装置被配置成驱动流体按设定流量流动。
在一些可选实施方式中，所述模拟热效应确定模块包括：
发热量确定单元，用于确定机载设备的实际工况下的发热量；
热效应影响确定单元，用于确定机载设备在实际工况下的散热渠道，及由所述散热渠道带来的新的散热量；
实际热量确定单元，用于确定实际影响热管理系统的热量。
在一些可选实施方式中，控制模块主要由控制单元喝热量提供单元组成，如图4所示，RS485总线是常用的串行总线，采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗公模干扰能力强，最高传输速率10Mbps，通信距离达几十到上千米。上位机通过RS485总线通讯将数据实时传递给热功率模拟的控制装置，控制装置由DSP2812及相应外围电路组成，接收上位机的热功率数据给定，作为热功率模拟装置的控制核心，采用闭环控制，通过比较上位机的功率给定和功率解算装置的功率反馈，将控制信号输出给驱动装置，通过驱动装置实时产生准确的热功率。
功率解算装置由功率分析电路、电压采集电路、电流采集电路、电流传感器、电压传感器组成，该装置实时采集电加热装置的电压和电流，并通过功率分析电路计算电加热装置的实时热功率，把实时热功率数据转换为4-20mA信号，通过4-20mA信号进行功率数据反馈，作为控制装置的闭环反馈信号。
驱动装置采用可控硅器件，接收控制装置的控制信号，实时调整电源输出给电加热装置的电压，通过调整电压，保证电加热装产生的热功率与上位机给定的热功率相同。
驱动装置还包括流量驱动装置接收控制装置的控制信号，保证热等效接口的流量与上位机给定的流量相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)成本低，采用该系统可替代复杂实际机载设备，也可采用功率体积缩比的试验设备，同时体现出相同的热效应，降低机载系统热研究试验台搭建成本，易于实现和快速迭代。
(2)实时性高，可控性好。该系统针对机载设备的热功率产生，能够随实时功率数据给定，不断采用闭环控制精准产生，保证热功率产生的实时性和准确性。
(3)通用性好。该系统通过变换不同的功率等级，能够满足不同机载设备的热功率模拟，轻易实现不同系统热效应的模拟，而不需要外加或者修改系统，实现综合系统的快速组建。
(4)真实性高。该系统上位机中运行的模型是通过不同剖面的机载数据产生的，可以保证该系统能够真实反映飞机热特性。
(5)安全性高，可采用安全工质替代危险性高的工质，低功率装置替代高功率装置，提高安全性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种机载系统实时热等效模拟方法，其特征在于，包括：
步骤S1、确定机载设备在实际工况下的实际热效应；
步骤S2、对所述热效应进行缩比，获得缩比后的模拟热效应，所述模拟热效应至少包括热量数据及用于进行机载设备热交互的流体的流量数据；
步骤S3、根据所述模拟热效应的热量数据，控制电加热装置对流体进行加热，所述流体被配置成 与机载其他设备的热等效接口进行热交互，同时根据所述模拟热效应的流量数据控制流体驱动装置运转，所述流体驱动装置被配置成驱动流体按设定流量流动。
2.如权利要求1所述的机载系统实时热等效模拟方法，其特征在于，步骤S1中，确定所述实际热效应包括：
步骤S11、确定机载设备的实际工况下的发热量；
步骤S12、确定机载设备在实际工况下的散热渠道，及由所述散热渠道带来的新的散热量；
步骤S13、确定实际影响热管理系统的热量。
3.如权利要求2所述的机载系统实时热等效模拟方法，其特征在于，步骤S11中，通过获取所述机载设备的电压电流参数，确定实时工况及所述机载设备的发热量。
4.如权利要求2所述的机载系统实时热等效模拟方法，其特征在于，步骤S13中，实际影响热管理系统的热量Qreal为：
Qreal＝Qtot-Qair-Qtube+Qpump
其中，Qtot为步骤S11中确定的机载设备的实际工况下的发热量，Qair为实际工况下的通过机内空气散失这一散热渠道散失的热量，Qtube为实际工况下的通过润滑油管道这一散热渠道散失的热量，Qpump为由驱动润滑油的泵带来的热量。
5.如权利要求1所述的机载系统实时热等效模拟方法，其特征在于，步骤S2中，对所述热效应进行缩比包括：
对发热量按设定比例系数N进行缩比；
对用于进行升温模拟的流体的流量按设定比例系数N进行缩比；
对总换热系数与换热面积的乘积按设定比例系数N进行缩比。
6.如权利要求5所述的机载系统实时热等效模拟方法，其特征在于，对流量进行缩比时，包括：
Figure FDA0003099496730000021
其中，m′real为缩比后流量，mreal为实际流量，c为实际流量的工质比热容，c′为缩比后流量的工质比热容。
7.如权利要求1所述的机载系统实时热等效模拟方法，其特征在于，步骤S3中，控制电加热装置对流体进行加热包括：
通过比较给定的实时热功率数据与实时解算的所述电加热装置的功率反馈数据，采用闭环控制所述电加热装置产生设定的热功率。
8.如权利要求7所述的机载系统实时热等效模拟方法，其特征在于，通过调整电压，对所述电加热装置的热功率进行控制。
9.一种机载系统实时热等效模拟系统，其特征在于，包括：
实际热效应确定模块，用于确定机载设备在实际工况下的实际热效应；
模拟热效应确定模块，用于对所述热效应进行缩比，获得缩比后的模拟热效应，所述模拟热效应至少包括热量数据及用于进行机载设备热交互的流体的流量数据；
控制模块，用于根据所述模拟热效应的热量数据，控制电加热装置对流体进行加热，所述流体被配置成 与机载其他设备的热等效接口进行热交互，同时根据所述模拟热效应的流量数据控制流体驱动装置运转，所述流体驱动装置被配置成驱动流体按设定流量流动。
10.如权利要求9所述的机载系统实时热等效模拟系统，其特征在于，所述模拟热效应确定模块包括：
发热量确定单元，用于确定机载设备的实际工况下的发热量；
热效应影响确定单元，用于确定机载设备在实际工况下的散热渠道，及由所述散热渠道带来的新的散热量；
实际热量确定单元，用于确定实际影响热管理系统的热量。
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