CN115529812A - 一种电子吊舱环控装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电子吊舱环控装置的控制方法，包括由制冷涡轮、动力涡轮和压气机组成的涡轮冷却器，并采用第一电动活门和第二电动活门控制两个独立的制冷通路，避免了旁通阀的频繁启动和关闭，提高了整个环控系统的可靠性、安全性；通过对制冷涡轮出口温度进行优先控制，然后再对吊舱主框架温度、吊舱头罩温度、换热器热侧出口温度等进行递进式温度检测，这种多点递进式温度监测方法可以更加精准的保证制冷系统的制冷量能够完全涵盖电子设备热负荷和飞行器气动加热热量，但又不至于预留较大的富裕量，从而在一定程度上减小了吊舱环控装置的体积和重量，既能保证吊舱内电子设备的热负荷能够完全排散到机体外部，又能为吊舱装备更多装备节省空间和重量。

Description

一种电子吊舱环控装置的控制方法

技术领域

本发明涉及空气循环制冷系统技术领域，具体为一种电子吊舱环控装置的控制方法。

背景技术

电子吊舱大多位于载机机身之下，无法直接应用载机机舱内的气源，受此限制，必须有独立的环控系统来保证对电子设备的散热。

在吊舱环控系统中，制冷系统是最关键的组成部分，关于吊舱内搭载的电子设备的散热或制冷方式，目前国内外吊舱环控系统主要有以下几种：

简单逆升压空气吊舱冷却系统，该系统的制冷能力与马赫数相关，随着飞行马赫数升高则制冷能力也有相应增强，在一定范围内可以避免马赫数增大导致的更剧烈的气动加热的问题，但当飞机以低马赫数飞行时，进入舱体的冲压空气没有足够的压力，受空气循环机自身驱动力性能的限制，冷却涡轮的膨胀比，并不能达到设计状态，同时流入涡轮的空气流量也小，从而导致了制冷性能的下降，此时环控系统的制冷效率较低，不能满足额定热负荷的要求。

逆升压回冷式空气循环制冷系统，该系统增加了一个回冷器，该回冷器是利用吸收密封舱电子热负荷之后的冷空气来对制冷系统进气口高温冲压空气进行预冷，使制冷涡轮进口空气温度较低，可以获得更低涡轮出口温度，可增大系统制冷量。该制冷系统也充分吸收了TIALD吊舱的长处，采用了“蓄冷节能”的设计思想，能够满足瞬态热负荷突变的情况。但该方案对回冷器的设计要求很高，它要求回冷器效率高、流阻小，其流阻大小对制冷涡轮的前后压差造成的影响越小越好，并且必须与增加系统进出口压差、减少电子设备装置流阻等其他技术措施相配合，否则达不到预期的效果。

高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，该系统虽然可以有效地提高系统的制冷量，并且可以利用空气动压轴承来解决传统机械轴承高速运转产生大量的热量问题，但由于高速电机直接利用机载电源作为动力，需要消耗一定量的电能，给载机电源提出了更高的要求。

蒸汽压缩制冷式吊舱环控系统，该系统具有适应变工作状态及具有地面制冷能力的特点，但它也存在着结构复杂、成本高、耗电量大等缺点，而且在可靠性和安全性方面还存在一定的不足之处。并且目前吊舱密闭舱对于制冷系统是具有相对旋转运动的，因此制冷剂的密封和部件的相对运动所造成的影响目前还无法彻底解决，如果采用蒸气压缩制冷方案，在可靠性上不容易通过相关标准。

综上所述几种吊舱环控系统都有一定的不足之处，无法解决低马赫数飞行问题、回热器与系统匹配难度大问题、消耗机载电源严重以及结构复杂可靠性不足等问题。

同时，在系统控制方面，一般传统的控制方法是采用一个进气口，在制冷涡轮进气口前和出气口之间设置旁通阀，用于调节与热载荷换热的流体进口温度。制冷涡轮出口温度过低时，控制中心会发出指令打开旁通阀，此时制冷涡轮前的高温流体与制冷涡轮后的低温流体混合，根据需要的温度控制旁通阀的开度，从而得到温度适宜的流体与热载荷进行热交换。

但是此种控制方法在很大程度上会导致进入涡轮的空气流量变小，从而导致涡轮输出的有效功率降低，制冷能力降低。由于吊舱受飞行状态的限制其进气流量较小，所以进入涡轮的空气流量变小对制冷造成的影响不容忽视。当旁通过来的流体温度过高时，会关闭旁通阀，制冷涡轮开始制冷，若温度过低又会打开旁通阀进行冷热流体混合，如此频繁的进行旁通阀的打开和关闭，在一定程度上增加了旁通阀的故障率，从而降低了整个环控系统的可靠性。

传统的座舱控制系统中大多设置有流量计、压力传感器、温度传感器等部件，用以检测进气流量、进气压力、温度等数据。座舱的环境控制一般采用发动机引气，发动机引气压力高，流量大，涡轮制冷能力大，但风险系数也高；同时大量流量计和压力传感器的使用，增加了制冷系统部件的种类和数量，加大了系统的故障概率。

另外，一般座舱或吊舱环控系统在设计制冷系统时都会考虑飞行器飞行时气动加热带来的热量，制冷系统所需要冷却的热量也包含了气动加热这一部分，为了保证制冷量能够满足要求，往往将制冷系统的制冷裕量加的比较大，造成整个制冷系统体积和重量较大，增加了飞行的负担或压缩了更多其它装备的安装空间等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的不足，提供一种电子吊舱环控装置的控制方法，解决涡轮进气度小、效率下降，影响制冷性能的问题，同时避免依赖载机电源，以及对吊舱可靠性、安全性等方面的考虑，可以有效解决背景技术中的问题。

一种电子吊舱环控装置的控制方法，包括换热器、密封舱、电子舱、吊舱主框架、吊舱头罩以及由制冷涡轮、动力涡轮和压气机组成的涡轮冷却器，所述换热器的冷侧进口连接有第一进气源和第二进气源，所述第一进气源包括第一冲压空气进口和第一电动活门，所述第一冲压空气进口依次经第一电动活门、制冷涡轮后与所述换热器的冷侧进气口相连通；所述第二进气源包括第二冲压空气进口和第二电动活门，所述第二冲压空气进口经第二电动活门后与所述换热器的冷侧进气口相连通；所述换热器的冷侧出气口经所述压气机后与大气相通，所述第一电动活门出口的另一路依次经动力涡轮和电子舱后与大气相通，所述换热器的冷侧出气口的另一路经单向活门后连接在用于连通所述动力涡轮和电子舱的管路上；所述换热器的热侧进口经第一通风管后与所述密封舱的出风口相连通，所述换热器的热侧出口经第二通风管后与所述密封舱的进风口相连通，在所述第一通风管内设置有用于向所述换热器内送风的送风风机，在所述第二通风管内设置有用于从所述换热器内抽风的抽风风机；在所述制冷涡轮的出口上设置有第一温度传感器、在所述第二电动活门的出口上设置有第二温度传感器，在所述换热器的热侧出气口上设置有第三温度传感器，在所述吊舱主框架上设置有第四温度传感器，在所述吊舱头罩上设置有第五温度传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、送风风机、抽风风机以及所述密封舱内设置的加热器均与控制器电连接；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：通电开机并自测试、故障检测和故障隔离，无故障后执行步骤2，否则，暂停并报警；

步骤2：检测第一温度传感器的温度值T1，当T1＞20℃时，执行步骤3；当5℃≤T1≤20℃时，执行步骤14；当T1＜5℃时，执行步骤8；

步骤3：打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第二电动活门，执行步骤4；

步骤4：当T1≤20℃时，执行步骤6；否则执行步骤5；

步骤5：当T1＞20℃，且所述第三温度传感器的温度值T3＞60℃时，暂停并报警，否则，执行步骤4；

步骤6：当第五温度传感器的温度值T5＜20℃，且T3＜15℃时，关闭送风风机和抽风风机，并执行步骤7，若否，则等待；

步骤7：当T1＜5℃时，执行步骤8，若否，则等待；

步骤8：打开第二电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第一电动活门，执行步骤9；

步骤9：当T2＜5℃，关闭第二电动活门、送风风机和抽风风机，执行步骤11，否则执行步骤10；

步骤10：当T2＞20℃时，执行步骤3，否则执行步骤9；

步骤11：当第四温度传感器的温度值T4＜-20℃且T5＜-20℃时，打开加热器并执行步骤12，若否，则等待；

步骤12：当T4＞-5℃或T5＞-5℃时，关闭加热器并执行步骤13，若否，则等待；

步骤13：当T5＞50℃或者T3＞45℃时，打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，并执行步骤2；若否，则等待；

步骤14：打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第二电动活门，执行步骤15；

步骤15：当T5＜20℃，T3＜15℃时，关闭送风风机和抽风风机并执行步骤16，若否，则等待；

步骤16：当T1＜5℃时，执行步骤8，若否，则等待。

进一步为：所述加热器为薄膜加热器。

进一步为：所述制冷涡轮、动力涡轮以及压气机的叶片均通过空气动压轴承转动安装在同一转轴上。

本发明的有益效果：1、动力涡轮的使用提高了压气机的输出功，从而提高制冷涡轮的膨胀比，解决了飞行器在高空或者低马赫数飞行状态下的涡轮进气度小，制冷能力降低的问题。

2、使用制冷涡轮、动力涡轮、压气机三轮同轴的涡轮冷却器，可以在高空或者低马赫数飞行状态下利用冲压空气的能量来完成对吊舱内电子设备热载荷的排散，除了控制器及控制活门等微量用电外，不再大量使用载机电能对吊舱进行散热，从而节约了大量的机载电能。

3、本发明中的涡轮冷却装置采用了空气动压轴承，相比于传统机械轴承，具有适用转速范围大（在转速高达5万转/分时，其温升不超过20℃~30℃。）、摩阻低寿命长、工作介质干净无污染、适用温度范围广（气体轴承的温度适用范围-265℃~1650℃）、可靠性更高等优点。

4、本发明采用第一电动活门和第二电动活门独立控制两个制冷通路，当环境温度较高不能满足热载荷及时散热时，就关闭第二电动活门，打开第一电动活门进行膨胀制冷；当环境温度较低时，就关闭第一电动活门，打开第二电动活门直接利用低温大气对热载荷进行降温。两个独立的制冷通路避免了传统旁通方式中旁通阀的频繁启动和关闭，增加了整个环控系统的可靠性、安全性。

5、本发明中以制冷涡轮出口温度作为第一控制目标，可以防止涡轮膨胀降温之后出现制冷涡轮出口温度过低而产生结冰现象，避免冰片对压气机的叶轮造成损坏。

6、本发明通过对制冷涡轮出口温度进行优先控制，然后再对吊舱主框架温度、吊舱头罩温度、换热器热侧出口温度等进行递进式温度检测，这种多点递进式温度监测方法可以更加精准的保证制冷系统的制冷量能够完全涵盖电子设备热负荷和飞行器气动加热热量，但又不至于预留较大的富裕量，从而在一定程度上减小了吊舱环控装置的体积和重量，既能保证吊舱内电子设备的热负荷能够完全排散到机体外部，又能为吊舱装备更多装备节省空间和重量。

7、该控制方法将温度设置为最终单一控制目标， 因为吊舱所处的环境与座舱环境不同，吊舱处于飞行器外部，不能利用发动机引气进行制冷，只能利用飞行器飞行时的冲压空气，冲压空气流量小，压力低，涡轮的制冷能力小，危险系数小，所以吊舱内的环境控制可以完全不用对流量和压力进行监测，也就是说减小了系统中设备的种类和数量，解决了控制系统因需要控制的部件种类和数量多而造成的故障率高等问题，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明中电子吊舱环控装置的连接图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明实例中的左、中、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

一种电子吊舱环控装置的控制方法，如图1所示，包括换热器、密封舱、电子舱、吊舱主框架、吊舱头罩以及由制冷涡轮、动力涡轮和压气机组成的涡轮冷却器，所述制冷涡轮、动力涡轮以及压气机的叶片均通过空气动压轴承转动安装在同一转轴上，所述换热器的冷侧进口连接有第一进气源和第二进气源，所述第一进气源包括第一冲压空气进口和第一电动活门，所述第一冲压空气进口依次经第一电动活门、制冷涡轮后与所述换热器的冷侧进气口相连通；所述第二进气源包括第二冲压空气进口和第二电动活门，所述第二冲压空气进口经第二电动活门后与所述换热器的冷侧进气口相连通；所述换热器的冷侧出气口经所述压气机后与大气相通，所述第一电动活门出口的另一路依次经动力涡轮和电子舱后与大气相通，所述换热器的冷侧出气口的另一路经单向活门后连接在用于连通所述动力涡轮和电子舱的管路上；所述换热器的热侧进口经第一通风管后与所述密封舱的出风口相连通，所述换热器的热侧出口经第二通风管后与所述密封舱的进风口相连通，在所述第一通风管内设置有用于向所述换热器内送风的送风风机，在所述第二通风管内设置有用于从所述换热器内抽风的抽风风机；在所述制冷涡轮的出口上设置有第一温度传感器、在所述第二电动活门的出口上设置有第二温度传感器，在所述换热器的热侧出气口上设置有第三温度传感器，在所述吊舱主框架上设置有第四温度传感器，在所述吊舱头罩上设置有第五温度传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、送风风机、抽风风机以及所述密封舱内设置的加热器均与控制器电连接，所述加热器为薄膜加热器；其中，涡轮冷却器设置了制冷涡轮和动力涡轮并使两者采用同时进气的并联结构，第一个优点是，给压气机输出额外驱动力提高增压比，从而提高制冷涡轮的膨胀比，解决了飞机在高空或低马赫数飞行状态下，制冷涡轮进气度小，制冷能力降低的问题；第二个优点是：可以为电子舱提供冷流体，降低电子设备工作时产生的热功耗。所述单向活门设置在换热器冷侧出口管路与动力涡轮出口管路之间，当第二电动活门打开，第一电动活门关闭时，从旁通路进来的冷流体既可以带走密封舱的热负荷，也可以通过单向活门进入电子舱，从而带走电子舱内电子设备工作时的热负荷。

结合图2所示，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：通电开机并自测试、故障检测和故障隔离，无故障后执行步骤2，否则，暂停并报警；

步骤2：检测第一温度传感器的温度值T1，当T1＞20℃时，执行步骤3；当5℃≤T1≤20℃时，执行步骤14；当T1＜5℃时，执行步骤8；

步骤3：打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第二电动活门，执行步骤4；

步骤4：当T1≤20℃时，执行步骤6；否则执行步骤5；

步骤5：当T1＞20℃，且所述第三温度传感器的温度值T3＞60℃时，暂停并报警，否则，执行步骤4；

步骤6：当第五温度传感器的温度值T5＜20℃，且T3＜15℃时，关闭送风风机和抽风风机，并执行步骤7，若否，则等待；

步骤7：当T1＜5℃时，执行步骤8，若否，则等待；

步骤8：打开第二电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第一电动活门，执行步骤9；

步骤9：当T2＜5℃，关闭第二电动活门、送风风机和抽风风机，执行步骤11，否则执行步骤10；

步骤10：当T2＞20℃时，执行步骤3，否则执行步骤9；

步骤11：当第四温度传感器的温度值T4＜-20℃且T5＜-20℃时，打开加热器并执行步骤12，若否，则等待；

步骤12：当T4＞-5℃或T5＞-5℃时，关闭加热器并执行步骤13，若否，则等待；

步骤13：当T5＞50℃或者T3＞45℃时，打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，并执行步骤2；若否，则等待；

步骤14：打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第二电动活门，执行步骤15；

步骤15：当T5＜20℃，T3＜15℃时，关闭送风风机和抽风风机并执行步骤16，若否，则等待；

步骤16：当T1＜5℃时，执行步骤8，若否，则等待。

本发明与现有技术相比：

当制冷涡轮出口温度较低时，直接引入外界的低温空气进行通风冷却，即第二电动活门打开，第一电动活门关闭（此时升压式-涡轮冷却装置不工作），低温空气利用换热器的热交换功能吸收密封舱内的热负荷，然后经单向活门直接进入电子舱，将电子舱中的热负荷带走，最后将密封舱和电子舱的热负荷排入大气环境。

当吊舱头罩温度或者换热器热侧出口温度的空气温度逐渐升高时，无法直接引入外界的低温空气对密封舱和电子舱进行降温时，第一电动活门打开（此时升压式-涡轮冷却装置开始工作），第二电动活门关闭，冲压空气进入制冷涡轮膨胀降温后进入换热器，利用换热器的热交换功能吸收密封舱内的热负荷，然后通过压气机的抽吸作用排入大气环境。同时经动力涡轮膨胀降温的冷却空气带走电子舱内的热负荷排入大气环境。制冷涡轮和动力涡轮中提供的机械功率共同用于提高压气机压比，使得冷却涡轮出口的温度更低，以提高换热效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种电子吊舱环控装置的控制方法，其特征在于：包括换热器、密封舱、电子舱、吊舱主框架、吊舱头罩以及由制冷涡轮、动力涡轮和压气机组成的涡轮冷却器，所述换热器的冷侧进口连接有第一进气源和第二进气源，所述第一进气源包括第一冲压空气进口和第一电动活门，所述第一冲压空气进口依次经第一电动活门、制冷涡轮后与所述换热器的冷侧进气口相连通；所述第二进气源包括第二冲压空气进口和第二电动活门，所述第二冲压空气进口经第二电动活门后与所述换热器的冷侧进气口相连通；所述换热器的冷侧出气口经所述压气机后与大气相通，所述第一电动活门出口的另一路依次经动力涡轮和电子舱后与大气相通，所述换热器的冷侧出气口的另一路经单向活门后连接在用于连通所述动力涡轮和电子舱的管路上；所述换热器的热侧进口经第一通风管后与所述密封舱的出风口相连通，所述换热器的热侧出口经第二通风管后与所述密封舱的进风口相连通，在所述第一通风管内设置有用于向所述换热器内送风的送风风机，在所述第二通风管内设置有用于从所述换热器内抽风的抽风风机；在所述制冷涡轮的出口上设置有第一温度传感器、在所述第二电动活门的出口上设置有第二温度传感器，在所述换热器的热侧出气口上设置有第三温度传感器，在所述吊舱主框架上设置有第四温度传感器，在所述吊舱头罩上设置有第五温度传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、送风风机、抽风风机以及所述密封舱内设置的加热器均与控制器电连接；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：通电开机并自测试、故障检测和故障隔离，无故障后执行步骤2，否则，暂停并报警；

步骤2：检测第一温度传感器的温度值T1，当T1＞20℃时，执行步骤3；当5℃≤T1≤20℃时，执行步骤14；当T1＜5℃时，执行步骤8；

步骤3：打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第二电动活门，执行步骤4；

步骤4：当T1≤20℃时，执行步骤6；否则执行步骤5；

步骤5：当T1＞20℃，且所述第三温度传感器的温度值T3＞60℃时，暂停并报警，否则，执行步骤4；

步骤6：当第五温度传感器的温度值T5＜20℃，且T3＜15℃时，关闭送风风机和抽风风机，并执行步骤7，若否，则等待；

步骤7：当T1＜5℃时，执行步骤8，若否，则等待；

步骤8：打开第二电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第一电动活门，执行步骤9；

步骤9：当T2＜5℃，关闭第二电动活门、送风风机和抽风风机，执行步骤11，否则执行步骤10；

步骤10：当T2＞20℃时，执行步骤3，否则执行步骤9；

步骤11：当第四温度传感器的温度值T4＜-20℃且T5＜-20℃时，打开加热器并执行步骤12，若否，则等待；

步骤12：当T4＞-5℃或T5＞-5℃时，关闭加热器并执行步骤13，若否，则等待；

步骤13：当T5＞50℃或者T3＞45℃时，打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，并执行步骤2；若否，则等待；

步骤14：打开第一电动活门、送风风机和抽风风机，关闭第二电动活门，执行步骤15；

步骤15：当T5＜20℃，T3＜15℃时，关闭送风风机和抽风风机并执行步骤16，若否，则等待；

步骤16：当T1＜5℃时，执行步骤8，若否，则等待。

2.根据权利要求1所述的一种电子吊舱环控装置的控制方法，其特征在于：所述加热器为薄膜加热器。

3.根据权利要求1所述的一种电子吊舱环控装置的控制方法，其特征在于：所述制冷涡轮、动力涡轮以及压气机的叶片均通过空气动压轴承转动安装在同一转轴上。

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