臨近空間飛行器電動(dòng)機(jī)散熱方案研究

1、臨近空間飛行器電動(dòng)機(jī)散熱方案研究臨近空間飛行器電動(dòng)機(jī)散熱方案研究導(dǎo)師導(dǎo)師:韓玉閣韓玉閣南京理工大學(xué)南京理工大學(xué)宋雨蒙宋雨蒙王曉夢(mèng)王曉夢(mèng)(南京理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院江蘇南京210094)摘要摘要臨近空間位于距地面20100km處近年來各國都開始對(duì)鄰近空間飛行器的發(fā)展展開了廣泛的研究.本文探討的是飛行器位于臨近空間時(shí)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量十分大結(jié)合臨近空間的熱環(huán)境進(jìn)行分析計(jì)算.針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱要求提出幾個(gè)可行的熱控方案.再進(jìn)行對(duì)比分析得出可行的最好的

2、理論方案.引言引言臨近空間位于距地面20100km處臨近空間飛行器既能比衛(wèi)星提供更多更精確的信息，又能比通常的航空器減少遭地面攻擊的機(jī)會(huì)。從而使得臨近空間飛行器的研究成為世界航空航天領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。臨近空間飛行器飛行高度高、隱身性能好、信息獲取與傳輸能力強(qiáng)、可快速部署和轉(zhuǎn)移的優(yōu)勢，因此具有極高的軍事和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。浮空型臨近空間飛行器的飛行與姿態(tài)控制是通過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，由于臨近空間空氣稀薄，使得電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量不能快速有效的散失到環(huán)

3、境中去，從而造成電動(dòng)機(jī)過熱，從而影響臨近空間飛行器飛行和姿態(tài)控制，嚴(yán)重的可導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒毀，使得整個(gè)臨近空間飛行器失去控制，因此臨近空間飛行器電動(dòng)機(jī)的散熱問題成為研究臨近空間飛行器的關(guān)鍵問題之一。本課題針對(duì)臨近空間飛行器電動(dòng)機(jī)的散熱問題進(jìn)行研究，提出電動(dòng)機(jī)的散熱方案。由于臨近空間熱環(huán)境的特殊性，首先對(duì)此空間站所處環(huán)境空間的大氣參數(shù)及此環(huán)境下的散熱特性進(jìn)行研究，考慮臨近空間環(huán)境下電機(jī)與環(huán)境的換熱關(guān)系，建立換熱計(jì)算模型，考慮臨近空間環(huán)境的大氣

4、密度特性、風(fēng)速特性、溫度特性、太陽輻射特性等主要特征以及臨近空間飛行器的運(yùn)動(dòng)特性，提出臨近空間電動(dòng)機(jī)的熱控方案，分析不同熱控方案的熱控效果，并結(jié)合重量、可靠性等要求，選擇一種合適的散熱方式。根據(jù)提出的方案，對(duì)散熱系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析計(jì)算，確定最終的熱控方案。1.臨近空間的環(huán)境特性臨近空間的環(huán)境特性臨近空間大致包括大氣的平流層、中間層和部分電離層區(qū)域。平流層距地面高度l250km，環(huán)境特性受地面的影響較小，大氣中雜質(zhì)很少，幾乎沒有水

5、汽凝結(jié)和霧、雨、雹等氣象變化，只有微弱的上下對(duì)流。中間層距地面50～80km，該層溫度先升后降，上下對(duì)流非常明顯。電離層距地面60～100km，該層內(nèi)帶有高密度的帶電粒子，大部分氣體由于高溫發(fā)生電離。在臨近空間所跨越的三類大氣層中，相比而言，平流層的環(huán)境特性更適合臨近空間飛行器的“生存.1)臨近空間風(fēng)速特性:臨近空間處在對(duì)流層之上，氣候條件穩(wěn)定。這一區(qū)域不會(huì)發(fā)生云、雨、雷暴等強(qiáng)烈的天氣現(xiàn)象，但是這一區(qū)域存在著風(fēng)，并且在不同的高度、不同季

6、節(jié)、不同地區(qū)有著不同的持續(xù)效果。風(fēng)速在20km處達(dá)到一個(gè)最小值，約為3～20ms.然后隨高度的增加快速增加，在60km的高度，風(fēng)速可達(dá)140m／s。風(fēng)的特性直接影響到臨近空間平臺(tái)的懸停能力和控制方式的選擇。2)臨近空間的溫度特性:臨近空間溫度較低，20km之下的一段空域溫度基本恒定，但是隨著高度的增加，溫度有所升高。而且晝夜溫差大，太陽光照射面與背面溫差大，這些特性對(duì)臨近平臺(tái)系統(tǒng)材料的選擇有重要影響。地球反射的太陽輻射:ReflectQ

7、1cosNiReflectiiiQAI????????來自于地球大氣的輻射:EAirQ?1cosNiEairiiiQAJ?????????4_EairJT?????在上面所描述的所有始式子中:為第個(gè)單元表面面積，為第個(gè)單元面發(fā)射率，為第個(gè)單iAii?ii?i元面朝深空的大氣透過率，為第個(gè)單元面的等溫黑體輻射力為第個(gè)單元表面與環(huán)境大氣的對(duì)流iRiihi換熱，為第個(gè)單元表面的溫度，為環(huán)境大氣溫度為第個(gè)單元面與當(dāng)?shù)劂U垂線的夾角，為iTisur

8、Ti?iI地球反射的太陽輻射。反射率一般取行星平均反照率0.35為第個(gè)單元面的紅外長波吸收率，為地i?iJ球大氣系統(tǒng)長波輻射力，為地氣系統(tǒng)等效黑體溫度。_EairT綜合以上公式發(fā)現(xiàn)若要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射換熱和的對(duì)流換熱最直接的方式是在電動(dòng)機(jī)的表面加裝肋片增加換熱的面積.取距離地面20km處，當(dāng)風(fēng)速為6ms時(shí)，若取翅片高度為1cm，則散熱面的對(duì)流換熱系數(shù)：Re=333Rel(=510^5)則換熱方式可以看成是平壁內(nèi)的層流強(qiáng)迫對(duì)流換熱，換熱系

9、數(shù)公式為：ah130.664PraaaaVhvL??其中的為20km高空空氣的導(dǎo)熱系數(shù)（≈0.027Wm.℃），為來流空氣流速，為空氣的運(yùn)動(dòng)a?aVav粘度，為散熱表面的特征長度，在計(jì)算翅片的散熱量時(shí)，取翅片高度為特征長度，翅片的散熱量Lfq為：()fffsaqeAhTT????其中，為翅片的對(duì)流換熱系數(shù)，為翅片的面積，為翅片的效益，且，fhfAetan()emlml?其中，為翅片的導(dǎo)熱系數(shù)，為翅片的厚度。fffmh????f?f?下面