相變蓄熱技術(shù)在機(jī)載高能武器熱管理中的應(yīng)用進(jìn)展*

吳 波,張豐華，楊明明，任 召

(航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

高能武器是一種新概念武器，能夠利用光、電磁脈沖、高功率微波等先進(jìn)技術(shù)直接進(jìn)行殺傷目標(biāo)和破壞設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)威脅目標(biāo)的“軟殺傷”或“硬殺傷”，其基本原理、作戰(zhàn)應(yīng)用方式和殺傷破壞機(jī)理均與常規(guī)武器有著明顯區(qū)別。高能武器主要包括能夠?qū)崿F(xiàn)激光、微波等高能粒子束或電磁能的定向發(fā)射、聚束和遠(yuǎn)距離傳輸從而快速攻擊并毀傷目標(biāo)的定向能武器，以及依靠自身的動(dòng)能對(duì)目標(biāo)造成毀滅性破壞的動(dòng)能武器等。

將高能武器應(yīng)用在航空飛行器上可以達(dá)到戰(zhàn)略防御、戰(zhàn)區(qū)防御和戰(zhàn)術(shù)防空的目的。如機(jī)載激光武器可用于攔截戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈，還具有反衛(wèi)星和反飛機(jī)的能力，因而受到美國(guó)軍方的高度重視。

為了推進(jìn)高能武器在航空飛行器上的應(yīng)用，美國(guó)導(dǎo)彈防御局(MDA)提出了機(jī)載激光武器(ABL)的研究計(jì)劃，利用YAL-1A飛機(jī)為載體，通過安裝在YAL-1A飛機(jī)機(jī)頭部分轉(zhuǎn)塔上的兆瓦級(jí)激光器為武器，用于摧毀來襲的處于助推階段的彈道導(dǎo)彈。2007年7月美國(guó)導(dǎo)彈防御局(MDA)完成了機(jī)載激光武器(ABL)的空中模擬試驗(yàn)。成功擁有機(jī)載激光武器的國(guó)家，將引發(fā)作戰(zhàn)方式的質(zhì)變，預(yù)示著又一場(chǎng)“戰(zhàn)爭(zhēng)的革命”?？梢姲l(fā)展機(jī)載高能武器具有十分重要的意義。然而機(jī)載高能武器在工作時(shí)產(chǎn)生大量的廢熱，面臨嚴(yán)峻的熱管理問題。相變蓄熱技術(shù)是解決機(jī)載高能武器熱管理問題的一種有效手段。目前在國(guó)內(nèi)機(jī)載高能武器熱管理的相變蓄熱型換熱器方面的研究或產(chǎn)品鮮有公開資料報(bào)道。筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研介紹了國(guó)外研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

1 機(jī)載高能武器熱管理需求

機(jī)載高能武器的能量轉(zhuǎn)化過程中，大部分的能量在轉(zhuǎn)化過程中變?yōu)榱藦U熱。根據(jù)美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究[1]，某機(jī)載高能微波武器脈沖高能微波發(fā)射的能量轉(zhuǎn)化效率僅為30%，整個(gè)武器系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率僅為22.8%，如表1所列。根據(jù)作戰(zhàn)要求，高能激光器的平均功率至少為20 kW或脈沖量30 kJ以上才能起到打擊效果。由此可見機(jī)載高能武器工作時(shí)，需要對(duì)大量的廢熱進(jìn)行熱管理，才能保證高能武器的正常工作。

表1 典型機(jī)載高能微波武器能量轉(zhuǎn)化效率[1] /%

在機(jī)載環(huán)境中，冷卻資源匱乏，能源、有效載荷、空間都十分有限，因此機(jī)載高能武器的熱管理系統(tǒng)既要滿足高負(fù)荷的熱管理需求，又要盡可能地降低熱管理系統(tǒng)本身的能耗、重量和體積及對(duì)冷卻資源的調(diào)度。由于機(jī)載高能武器的熱負(fù)荷是脈動(dòng)的，在一個(gè)熱負(fù)荷脈動(dòng)周期內(nèi)，其高熱負(fù)荷僅持續(xù)較短時(shí)間，其余較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)熱負(fù)荷為零。如果按照其瞬時(shí)峰值的熱負(fù)荷進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將使得熱管理系統(tǒng)十分龐大。同時(shí)其熱管理能力在沒有熱負(fù)荷的時(shí)間段內(nèi)閑置，造成了系統(tǒng)的冗余。

在機(jī)載環(huán)境中，冷卻資源匱乏，能源、有效載荷、空間都十分有限，因此機(jī)載高能武器的熱管理系統(tǒng)既要滿足高負(fù)荷的熱管理需求，又要盡可能地降低熱管理系統(tǒng)本身的能耗、重量和體積及對(duì)冷卻資源的調(diào)度。由于機(jī)載高能武器的熱負(fù)荷是脈動(dòng)的，在一個(gè)熱負(fù)荷脈動(dòng)周期內(nèi)，其高熱負(fù)荷僅持續(xù)較短時(shí)間，其余較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)熱負(fù)荷為零。如果按照其瞬時(shí)峰值的熱負(fù)荷進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將使得熱管理系統(tǒng)十分龐大。同時(shí)其熱管理能力在沒有熱負(fù)荷的時(shí)間段內(nèi)閑置，造成了系統(tǒng)的冗余。

相變蓄熱型換熱器恰恰可以解決這一問題。固-液相變材料(PCM)熔化/凝固時(shí)吸收/放出大量的熱，而溫度基本保持不變，同時(shí)體積變化相對(duì)于氣-液相變小得多，其吸熱再放熱的過程可以循環(huán)利用。相變蓄熱型換熱器正是利用固-液相變材料的這些特點(diǎn)將一個(gè)脈動(dòng)熱負(fù)荷周期內(nèi)的短時(shí)高熱量?jī)?chǔ)存在相變材料的潛熱中，而在熱負(fù)荷為零的其余較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)將相變材料吸收的熱量釋放給最終的熱沉。這樣最終的熱沉可以按照平均熱負(fù)荷來進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使熱管理系統(tǒng)的整體能耗，重量和體積大大降低。另外，固-液相變材料在吸收熱量后溫度基本保持不變，這對(duì)于熱沉溫度受限的機(jī)載環(huán)境十分有益。根據(jù)美國(guó)通用原子公司、霍尼韋爾、主流工程公司等的研究報(bào)道，將相變蓄熱型換熱器應(yīng)用在高能武器熱管理系統(tǒng)中時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的體積、重量和能耗都得到了降低。如圖1所示為主流工程公司研究的相變蓄熱型換熱器對(duì)高能武器熱管理系統(tǒng)單位體積及單位質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度的提升，在占空比(脈動(dòng)熱流密度參數(shù))為20%的情況下，其單位質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度最大提升了90%。

圖1 相變蓄熱系統(tǒng)相比純對(duì)流散熱在儲(chǔ)能密度上的提升

2 機(jī)載高能武器相變蓄熱技術(shù)研究進(jìn)展

以下重點(diǎn)介紹國(guó)外著名的研究機(jī)構(gòu)及科技公司利用相變蓄熱技術(shù)解決機(jī)載高能武器熱管理問題的技術(shù)方案。

2.1 美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室

2002年美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室[2](Air Force Research Laboratory)報(bào)道了一種定向能武器熱管理方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室定向能武器管理方案

整個(gè)熱管理方案分為三級(jí)冷卻。第一級(jí)采用液態(tài)氨對(duì)定向能武器熱源實(shí)施噴射冷卻，液態(tài)氨受熱氣化后在相變蓄熱系統(tǒng)中放熱冷凝，繼續(xù)下一個(gè)冷卻循環(huán)；第二級(jí)相變蓄熱系統(tǒng)吸收氨的熱量?jī)?chǔ)存起來；第三級(jí)采用沖壓空氣或R22制冷循環(huán)對(duì)相變蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。在這個(gè)方案的基礎(chǔ)上針對(duì)高能激光武器(HEL)和機(jī)載主動(dòng)拒止系統(tǒng)(ADD)分別設(shè)計(jì)了熱管理系統(tǒng)，儲(chǔ)能密度分別達(dá)到了77 kJ/kg和69 kJ/kg。

2.2 通用原子公司

2007年美國(guó)通用原子公司[3]對(duì)機(jī)載電子激光(AEL)能量系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)況實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)在隸屬于美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的一架貨運(yùn)飛機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中飛機(jī)處在固定高度并保持固定速度，對(duì)AEL能量系統(tǒng)加載一個(gè)名義任務(wù)剖面。實(shí)驗(yàn)在保持AEL激光發(fā)射功率恒定為100 kW的情況下評(píng)估了不同的技術(shù)方案，二極管工作溫度，脈動(dòng)熱負(fù)荷占空比及環(huán)境條件對(duì)熱管理系統(tǒng)尺寸及結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明在熱管理系統(tǒng)中采用相變蓄熱系統(tǒng)，近期質(zhì)量可降低26%體積可降低19%，遠(yuǎn)期質(zhì)量可降低35%體積可降低27%。

圖3美國(guó)通用原子公司機(jī)載激光武器熱管理方案

2.3 主流工程公司

主流工程公司[5,6]報(bào)道的高能武器熱管理子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)管路循環(huán)如圖4所示。管路循環(huán)中分別有兩路循環(huán)交替與相變蓄熱換熱器進(jìn)行熱交換，一路吸熱另一路放熱。同時(shí)還進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)照組在同樣的熱負(fù)荷下采用1:1體積比的丙二醇與水的混合工質(zhì)進(jìn)行冷卻。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將相變蓄熱裝置集成到單相冷卻循環(huán)中之后，熱管理系統(tǒng)的體積重量以及系統(tǒng)能耗都帶來降低的效果，單位體積儲(chǔ)能密度最大能提升90%。

圖4 主流工程公司高能武器熱管理方案

系統(tǒng)中所采用的相變蓄熱換熱器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。該換熱器采用泡沫石墨復(fù)合相變材料作為蓄熱工質(zhì)，若干列管束與復(fù)合相變材料相間隔構(gòu)成換熱器的主體。管術(shù)中通流換熱工質(zhì)與復(fù)合相變材料進(jìn)行熱交換。管術(shù)在換熱器兩端匯合成主流通道。相變材料與殼體之間填充有閉孔泡沫，用以平衡相變材料在蓄熱和放熱過程中的體積變化。該換熱器結(jié)構(gòu)可以為此項(xiàng)目的研究提供重要參考。值得注意的是，此研究中報(bào)道了這個(gè)結(jié)構(gòu)存在一定程度的相變材料蓄熱后液相泄露的問題。

圖5 主流工程公司相變蓄熱換熱器結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)蓄熱單元

2.4 霍尼韋爾公司

霍尼韋爾[4]公司報(bào)道的包含蓄熱系統(tǒng)的定向能武器熱管理方案如圖6所示。

圖6 霍尼韋爾公司定向能武器熱管理方案

霍尼韋爾研究了兩種定向能武器的熱管理系統(tǒng)，一個(gè)工作溫度較高，另一個(gè)工作溫度較低且溫度范圍窄。兩個(gè)系統(tǒng)均針對(duì)機(jī)載應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)，以減小體積，重量和氣動(dòng)阻力為目標(biāo)。對(duì)于工作溫度較高的系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括，利用飛機(jī)燃料的去離子水系統(tǒng)或?qū)Ｓ玫腜CM蓄熱系統(tǒng)，都采用直接沖壓空氣冷卻作為最終的熱沉。對(duì)于工作溫度較低的系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括，帶PCM蓄熱的去離子水系統(tǒng)，帶PCM蓄熱的氨系統(tǒng)，和使用氨蓄熱的氨系統(tǒng)。

其中的相變蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主流工程公司的相變蓄熱換熱器的不同之處在于采用管板式結(jié)構(gòu)作為流體工質(zhì)的通道，相變材料與流體通道在豎直方向上交替排布，總體出入口設(shè)計(jì)在同一端。

3 結(jié) 語

通過文獻(xiàn)調(diào)研，介紹了相變蓄熱技術(shù)在機(jī)載高能武器熱管理上的應(yīng)用進(jìn)展。重點(diǎn)詳細(xì)介紹了美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、通用原子公司、主流工程公司以及霍尼韋爾公司等著名研究機(jī)構(gòu)和科技公司在該領(lǐng)域的研究方案。相變蓄熱技術(shù)是一種應(yīng)對(duì)機(jī)載高能武器熱管理需求的有效技術(shù)，在運(yùn)用時(shí)需要與對(duì)流冷卻結(jié)合起來。介紹的技術(shù)方案可為高功率機(jī)載電子設(shè)備提供有益的參考。