基于蒙皮换热器的无人机电子设备冷却方案分析

　　引言

　　近年来，无人机（UnmannedAerialVehicle,UAV)的使用范围已逐步拓展至军事、民用和科研三大领域，性能各异、技术先进的新型机种不断涌现。无人机功能的日益强大，得益于不断发展的人工智能和通信等电子技术因而对电子设备的需求日益提高。电子设备的集成化和小型化,直接导致其热流密度不断增大。为保障无人机电子设备工作的安全可靠，必须为其提供合适的工作温度，采取有效的冷却散热措施，并进行合理的热分析和热设计。

　　根据目前公开的文献报道，应用于无人机电子设备的冷却方式按载冷介质的不同，主要分为空气冷却和液体冷却两大类。空气冷却方式是通过将舱外冷空气流引入电子设备舱内实现自然对流或强制对流，与电子设备进行热交换而实现的，具有结构简单、使用方便、成本低的优点。在吊舱电子设备冷却中常采用逆升压式空气循环制冷系统，但对于功率大、热流密度高的电子设备，空气冷却方式并不能满足其散热要求。此外，引入机外冲压空气作为冷源增加了飞机的阻力从而增加了性能代偿损失。于是具有更高冷却效率和稳定工作特性的液体冷却方式越来越多地被应用于无人机环控系统，它通过将电子设备产生的热量传递给载冷剂来实现冷却，主要包括冷板冷却方式与喷雾冷却方式。冷板冷却方式使用的载冷剂通过换热器将电子设备的热量散失到外界环境中，喷雾冷却方式则是利用雾化后的载冷剂相变而产生的汽化潜热带走电子设备的热量。

　　本文针对某型无人机搭载的电子设备，提出了一种简单可靠的液体冷却方案，并对系统进行了试验验证。方案中通过选用蒙皮换热器，可将机身热容量与蒙皮结合，对无人机的热隐身和气动性能也有积极作用。该方案使得电子设备的发热量最终由载冷剂通过蒙皮换热器传递给舱外冲压空气。

　　1方案原理

　　该无人机电子设备冷却方案的基本原理如图1所示。系统由液冷泵、冷板、蒙皮换热器、管路及载冷剂组成。系统运行时，载冷剂FC-770由液冷泵输出到安装电子设备的冷板中，经加热的载冷剂通过蒙皮换热器冷却降温后回到液冷泵人口完成一个液冷循环回路。

　　方案使用的蒙皮换热器属气-液换热器，采用板翅式换热结构，直接安装在机头部位,通过飞机前飞时的外掠流带走电子设备的热量。换热器的外形如图2所示，其外表面积为0.7m2。

　　冲压空气模拟支路由高压气源、阀门、流量计、涡轮、蒙皮换热器及其外侧通道和温度传感器等组成。试验时，采用高压气源模拟冲压空气。阀门1可调节冲压空气流量，阀门2可调节涡轮出口反压，以便获得试验所需的蒙皮换热器空气侧人口温度r3,由流量计g2测得冲压空气流量。

　　在蒙皮换热器热边回路中,载冷剂FC-770由液冷泵输送至冷板,经模拟热源加热后进人蒙皮换热器，再经冲压空气冷却后回到液冷泵。回路中载冷剂的流量由流量计&测量，4个温度计分别记录蒙皮换热器热边进出口温度T,、T2和冷板进出口温度r5、7；。电子设备发热功率以实际加人到系统内的热量为准，通过式(2)计算获得。为保证试验效果，试验时所有管件均采取保温措施，试验数据均在系统达到热平衡后采集。

　　2.4结果及分析

　　方案验证试验结果如表2所示。在电子设备发热功率为1404.9W的情况下，蒙皮换热器换热量达到1412.3W，大于指标要求的1400W。可以认为蒙皮换热器的换热性能达到了该电子设备冷却系统的设计要求，说明此冷却方案有效可行。

　　方案中的蒙皮换热器为设计关键所在，载冷剂通过蒙皮换热器与外界大气换热,系统冷源实为舱外冲压空气。蒙皮换热器不仅实现了有效换热，还避免了由机身开口或发动机引气造成的飞机性能代偿损失。

　　试验同时也考查了液冷泵的性能。监测液冷泵的输人电压I/、输入电流/,可得到液冷泵的输入功率。则定义液冷系统的COP(能效比）值为

　　结果表明，液冷泵的效率及系统的能效比是比较可观的。

　　3结束语

　　本文提出的无人机电子设备冷却方案可满足电子设备的冷却要求。根据无人机飞行包线可确定系统的基本设计需求，并进一步确定系统各部分的设计指标，指导部件设计。该方案原理简单、易实现，具有广泛的应用价值。实际应用中通过增大蒙皮换热器换热面积或增加其他换热器可满足更大发热功率电子设备的使用需求。虽然在国内蒙皮换热器的使用还受制于加工工艺可靠性等因素，但因其高效性及对飞机整体性能的好处，该电子设备冷却方案将会得到越来越多的应用。本文的研究成果可为无人机电子设备热设计提供理论参考和技术储备，也可推广应用于其他机型的相关研究中。

　　                                曹仁凤\晏涛2，周君慧2，张兴娟\李静洪2

　　(1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191;2.成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都610092)