航空活塞发动机热管理技术分析

李科阳(浙江大学动力机械及车辆工程研究所，浙江 杭州 310027)

0 概述

近年来，随着国内通航的逐渐开放和军事应用的需求增加，我国对两万米及以下空域作业的无人机需求日益提高，各行业、各应用领域都展开了大量的无人机研究，这些无人机广泛应用了航空活塞发动机，拓展了航空活塞发动机的应用领域，并为其下一步发展指明了方向。

为了满足无人机的动力需求，促进航空活塞发动机向高空、长航时领域发展，必须发展航空活塞发动机的热管理技术。与地面环境相比，万米以上高空的散热条件恶劣，空气密度沿海拔的递减既对活塞发动机提出了增压要求，从而给热管理系统引进了增压中冷这一新的热源，又极大降低了热管理系统的散热性能。这些因素制约着航空活塞发动机性能的提升和轻量化的发展，成为了困扰航空活塞发动机技术突破的瓶颈之一。

目前，国内的航空活塞发动机热管理技术的研究以仿真分析为主，缺乏高空试验的平台和对应的高空试验数据，对高空相关的影响规律掌握不足，这一问题极大限制了航空活塞发动机热管理系统设计计算的准确度和有效性。此外，现有的航空活塞发动机热管理技术研究没有明确的发展方向，相关的研究或并于飞行器气动性能的研究或停留在散热强化的表面上，未能就高空散热规律进行归纳和理论分析。

本文以航空活塞发动机热管理技术为基础，结合不同海拔的热管理系统研究，总结了国内外航空活塞发动机热管理系统的研究内容和最新进展，指明了航空活塞发动机热管理系统技术研究的几个关键技术，并对我国航空活塞发动机热管理系统的下一步发展重点提出了建议。

1 国内外研究现状

目前，航空活塞发动机根据使用环境的不同，可以划分为低空、中空和高空三种类型，低空无人机的飞行升限不超过5 km，功率在20 kW以下；中空无人机的飞行升限在5～11 km范围，其功率以75 kW为主，高空无人机的飞行升限最高可至20 km，其功率都在110～120 kW范围内。国内成熟的航空活塞发动机产品应用集中在20 kW以下和75 kW级别，许多高校和研究机构都展开了相关的热管理系统研究。

哈尔滨工业大学的杨巍[1]研究了低速无人机发动机短舱设计和实验方法，该无人机的发动机原型是Rotax914发动机，最大起飞功率为85 kW，散热量的需求是45 kW，热管理系统的最终目标是在最恶劣的环境条件下保证航空活塞发动机缸头的温度在120 ℃以下。北京交通大学的蔡贺[2]研究了航空内燃发动机热管换热器的应用，其研究的发动机同样是Rotax914发动机，但其飞行升限为5 km，最大换热量为30 kW，这一研究将辐射换热引入了航空活塞发动机热管理系统的应用，验证了热管换热在航空状态下的可行性。北京航空航天大学的姬芬竹[3]研究了航空风冷发动机的冷却系统传热模型，其研究表明，飞行高度的增加会导致发动机热状态升高，而螺旋桨的转速能够在一定范围内稳定气缸体的温度，但该研究的仿真和试验分析的海拔高度都在5 km以下。北京航天动力研究所的王国文[4]进行了高空风冷换热器的设计与仿真，其热源为电子仪器设备，散热量需求为5 kW。该换热器以68%的乙二醇为冷却介质，在20 km的高空环境中可以保证上述电子仪器的散热需求。其研究证明对于小热量的热源而言，高空散热的问题可以直接通过传统风冷换热器解决。从上述研究情况来看，国内的航空活塞发动机热管理系统研究极大受限于实机试验的缺少，已有的试验也多存在海拔低、换热量低等问题，无法真实反映高空情况。

另一方面，得益于无人机技术的进步和应用范围的扩展，国外的航空活塞发动机热管理系统具有更加成熟的应用和试验平台。从无人机产品本身来看，美国的“伯修斯”无人机和“阿尔塔斯”无人机都实现了两级增压下的高空长航时飞行，其中，“伯修斯”无人机的飞行升限为19.8 km，“阿尔塔斯”无人机的飞行升限为20 km。这两个成熟的产品说明相关的航空活塞发动机热管理系统已经可以满足高空低密度空气环境下的散热需求。从强化散热的角度来看，美国“捕食者-A”无人机的热管理系统设计较为成熟，作为中空长航时无人机，其采用的强化散热手段主要是大面积散热器和高扩张比风道设计。在热管理系统的研究方面，国外领先的程度更高，由于散热功率的恢复问题已经有了较好的解决方案，在热管理系统研究上，国外的高校和研究机构更多的将研究方向指向多元目标优化的研究和整体的热管理系统及相关辅助系统的研究。目前已知的研究多已经结合的飞行器的外部气流特点对传热的影响，对飞行器的气动特性和散热特性进行了协同设计。

总体来看，国内的航空活塞发动机热管理系统研究现状是起步较晚，试验平台不足，试验条件有限，整体研究停留在低功率产品的设计和仿真阶段，未出现高功率、高空散热产品的设计与试验验证。随着无人机等产品的需求快速增长，航空活塞发动机热管理系统逐渐成为限制其应用范围扩大的关键因素，对现阶段的航空活塞发动机热管理关键技术进行梳理和分析是非常必要的。

2 航空活塞发动机热管理系统关键技术分析

结合现有的国内外研究现状，可以归纳出航空活塞发动机热管理系统研究的三点关键技术，从零而整依次是海拔对热管理系统的影响研究，结合整机的多目标优化研究和综合热管理系统的研究。这三点关键技术都是航空活塞发动机热管理系统未来发展的重点方向，其中海拔对热管理系统的影响研究是所有未来研究的基础，需要投入更多的试验来获得足够的数据支撑。

2.1 海拔对热管理系统的影响研究

随着航空活塞发动机使用海拔的升高，热管理系统的外部环境发生明显变化，这一变化的表现为：0～11 km，大气压力、密度、温度都随海拔升高而减小；11～20 km，大气温度保持在-56.5 ℃，大气压力和密度继续随海拔升高而减小。针对这一现象，业内学者主要从两个方向进行了海拔对航空活塞发动机热管理系统影响的研究，分别是随海拔变化的散热器结构适应性研究和低压低密度环境的散热功率恢复研究。

从散热器结构适应性的角度，同一款散热器在不同海拔下的散热表现不同，这是由于密度降低造成的，在相同入口流速下，随着海拔的升高，散热器内部流动状态会发生从湍流到层流的转变，极大降低了换热效果，这一湍流-层流转变的海拔高度由散热器的自身结构决定，即不同结构的散热器表现出不同的海拔适应性。Mohamed L.Elsayed[5]以平行板翅片散热器的翅片厚度、间距、数量为变量，进行了不同参数散热器的仿真计算，研究了不同海拔下各参数对散热器热阻影响的规律，给出了有效降低热阻的途径。其研究结果表明，不同海拔高度对应着不同的最优结构参数，在高海拔条件下需要进行热阻与重量之间的优化匹配。该研究以压力作为区别海拔的指标，发现在不同大气压条件下，散热器结构参数的最优值不同，因此在进行散热器优化时，以地面工况为基准进行高空的散热器优化的结果无法满足高空的散热需求。与之相似，蔡惠坤[6]进行了不同翅片的变海拔工况性能分析，以海拔为变量分析了百叶窗翅片、平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片4种常见翅片散热器的性能指标，其研究结果指出了不同海拔下散热器翅片的性能表现不同，如图1所示，在5 km以下的海拔高度里，波纹翅片受海拔的影响最小，但散热能力较差，锯齿翅片受海拔的影响最大，其散热能力在2 km以上时小于百叶窗翅片。

图1 散热量随海拔的变化曲线[6]

在低压低密度环境的散热功率恢复研究方面，现有的研究表明，最有效的增大散热器高空散热能力的途径是增大散热器的迎风面积。杨巍[1]通过并联一个滑油散热器和一个冷却液散热器，增大了热管理系统在高空中的散热能力，保证在空中环境下，航空活塞发动机缸头的温度始终在120 ℃以下，其研究还指出了风道设计是航空活塞发动机动力短舱设计的关键之一，采用扩张风道并提高风道进口总压、降低风道出口总压，能够减少强化换热所需付出的阻力代价。此外，蔡贺[2]考虑了高空工作时气压低、传统换热器换热量小的特点，研究了热管技术在航空发动机换热器中的应用。其在热管换热器传统模型的设计方法的基础上，利用VB语言加入了辐射换热的设计计算程序。最终的计算结果表明，在5 km海拔高度下，满足30 kW的散热量需要10 m2的换热面积，这一结果既证明了热管在航空活塞发动机中的应用的可行性，又指明了此类散热器所需换热面积过大的问题。姬芬竹[3]进行了航空风冷发动机热状态研究，建立了航空用风冷活塞式发动机冷却系统传热模型，并通过试验验证了该仿真的准确性。该研究结果表明当无人机的飞行高度在3.5 km以下时，调节螺旋桨的转速就可以使汽缸体温度维持在0 km海拔高度的温度水平。

上述两个方向的研究都是基于高空的空气物性参数本身，在低密度空气环境造成了散热器性能降低的情况下，通过各种途径实现散热性能强化的研究，而在散热器设计领域，将空气物性归纳在海拔这一变量中，能够简化散热器的设计过程。这一归纳有两种途径，一是直接以海拔高度本身进行相关公式的映射，另一途径是以克努森数作为空气物性随海拔变化的衡量。刘震涛[7]基于多尺度耦合的计算流体力学数值模拟方法对某型空-空中冷器的内部流动和温度场进行了三维数值仿真计算，结果表明，高空工况下，热侧空气入口流量保持不变的情况下，中冷器的换热效率随中冷器工作环境的海拔高度的上升而降低，在对流层区域，温度下降造成的温差变化是这一换热效率降低的主要原因，而在11～20 km高度范围内，大气密度的变化成为换热效率变化的主要因素。该研究为航空活塞发动机中冷器的设计提供了理论指导和计算依据。党晓民[8]对蒙皮换热器进行了地面试验，得到了换热器的性能数据和该换热器流动换热的准则，结合地面试验的结果和流动换热的准则推导了蒙皮换热器散热能力的地面-高空映射关系。这一地面-高空的映射关系之于活塞发动机的热管理系统同样非常重要，准确的映射关系能够大量减轻相关散热器设计过程的难度和成本。部分学者则开始从克努森数[9-10]变化的角度进行散热器性能变化的研究，随海拔变化时，空气侧的克努森数会显著提高，在翅片形式密集的散热器中，这一提高会导致连续性介质假设接近不完全成立的边界，从而降低散热器设计计算的准确性。同时基于克努森数的相似，还有可能实现地面微通道散热器与高空常规尺度散热器的映射关系研究。

2.2 结合整机的多目标优化研究

在提高热管理的有效性，增大散热能力的同时，热管理系统本身的重量和造成的风阻是影响整个飞行器飞行的关键参数，结合这两个参数进行热管理系统的设计往往需要在整机层面上进行多目标优化研究，现有的多目标优化研究以翼型散热器研究和增强湍流方式研究为主。

航空活塞发动机的动力舱往往受到飞机横截尺寸的限制，无法布置大面积的散热器，因此为了实现大面积散热器的应用，常常会在机翼布置散热器，但机翼的状态对飞行器飞行的影响非常巨大，业内学者对翼面散热的方式进行了大量研究[11-15]，研究结果表明：翼型散热器相关的主要参数是形状、迎角和排热区域，其中，由外形决定的层流-湍流转变点的位置显著影响排热性能，而湍流边界层区域则可用于增强排热性能，因此可以通过形状设计使得排热区域处于湍流边界层的区域内，从而实现散热性能的增强，但对飞行器整体而言机翼的形状影响甚大，每一次改动都必须对所有参数进行多元的优化设计。

除了翼型散热器的研究以外，结合整机的热管理系统设计还体现在，螺旋桨-散热器的协同设计，散热器前涡发生器设计等方面，这些设计的目标都是为了创造更好的湍流环境，从而增大热管理系统的散热能力。Elsaadawy E[16]研究了在螺旋桨动力的飞行器中，螺旋桨引起的滑流对对流换热的影响，这一类飞行器采用多级涡轮增压的活塞发动机，研究结果表明螺旋桨的滑流效应会引起机身表面流体层流-湍流转变点的位置发生变化，而这一转变点的位置对散热和流动阻力会产生非常大的影响，因此需要控制这一转变点的位置。对于航空活塞发动机，必须设计好相关舱的外形流线，从而让滑流效应对散热起到正向的促进作用。

Ghazanfari[17]研究了三角翼型涡发生器的扰流对换热器的性能影响，涡发生器产生的二次流是改善翅片侧传热的有效途径，它的作用是阻断热边界层的发展，同时产生纵向涡，改善靠近壁面的区域与远离壁面的区域之间流体的传热和传质。研究表明，对于采用涡发生器的管翅式换热器，涡发生器的迎角、翼长、安装位置都会影响传热的效果，另外涡发生器还会带来一定的流动阻力，为了在提高热效率的同时减少涡发生器带来的流动阻力提高，必须设立多目标优化的方案来达到最优配置。

结合整机的多目标优化研究集中在这些几何参数的优化设计，实现风阻和散热的同步优化，相关研究以翼型散热器和湍流强化方式为主，皆需综合考虑飞机的外形设计，而另外一类研究则在与整机结合的基础上加入了整体的能量管理，将燃油舱、动力舱、乘员舱等所有需要热量管理的部分集中在一个系统里，一方面实现散热器的性能优化，另一方面则将这部分热量转移至需要的部位，是一种热量合理配置的方式，这种方式不局限于散热的强化，是综合热管理系统思想的体现。

2.3 综合热管理系统的研究

综合热管理系统的研究是将燃油舱，动力舱、乘员舱等热量集中起来进行分析，通过热流的合理分配实现热量管理，是真正意义上的热管理系统，对热流控制提出的要求也更高。燃油热沉的热管理系统是最简单的综合热管理系统，即将燃油舱的冷源和动力舱的热源连接起来，利用燃油为动力舱散热。陈刘忠[18]设计了几套无人机综合热管理方案，不同的负载情况适用不同的综合热管理方案。在低负载工况下，燃油系统、通风系统和液冷系统构成一个热管理系统，该系统基本等同燃油热管理系统；在有新增电子设备舱的高负载工况下，则将全部产热、散热相关的系统整合起来，得到完整的热管理系统。

在综合热管理系统中，低负载下整合燃油系统是提高制冷量的一个有效途径，其最简单的方式就是增加燃油-滑油或者燃油-冷却液散热器，具体的燃油热管理方案如图2所示。燃油从供油箱消耗舱泵出后分为两路，一路通过燃油-空气散热器和燃油-滑油散热器，带走发动机传给滑油的热量；另一路通过燃油-液压油散热器，带走液压油的热量[19]。但是考虑到燃油性质和长航时燃油的消耗，燃油热管理系统的效果会随着飞行时间的增加而递减，因此只能处于一个辅助散热的位置，另外由于高空环境中，制冷量非常有限，在大气密度突变或者飞行状态改变的区域，散热情况会明显恶化，此时，可以暂时启用燃油热管理系统，在工作情况稳定后，停止使用燃油热沉以避免燃油性质恶化是使用燃油热管理系统的另一个有效方案。

图2 典型飞机燃油热管理系统示意图[19]

现有的综合热管理系统以燃油舱与动力舱的整合为基本结构，再按照需求加入电子舱的热负荷和成员舱的环境温度负荷。相变系统[20]是一种积累热量集中处理的热管理系统，该系统将航空电子负载和飞机环境控制系统热量集中起来，运输到散热器中，材料的自身特性是该系统吸收和集中热量的关键。此外，综合热管理系统还可以增加大量辅助系统，例如，Nagurny N[21]在液冷高空活塞发动机中应用了废热回收系统。这一废热回收系统的原理是在一个基础的液冷发动机热管理系统上增加一个反向朗肯循环，制冷剂首先在再生热交换器中预热，在蒸发器中达到饱和蒸汽点，蒸汽在涡轮机中膨胀后在再生器的另一层冷却，后由燃料冷凝完成循环。这一设计适用于爬升结束和炎热日的高海拔地区，能够提高散热器的耐久性，同时保证循环以15%的热力学效率运行，为航空电子设备提供足够的电力。这一系统最大的问题就是引入了额外的重量，因此必须权衡这一额外重量的引入带来的净功率是否高于强加的损失，同时这一系统必须在液冷活塞发动机中应用，但这一系统适合用于高空长航时的飞机，因为这一类飞机具有长耐久性要求和大量的可用热源。

在单一的航空活塞发动机动力舱热管理实在无法满足需求的情况下，综合热管理系统是真正实现航空活塞发动机热管理的最终途径，但其所需进行的改动和花费的成本都较高，且其在实现不同系统间优化协调的同时，仍需以变海拔优化和多元目标优化为基础。

3 结论

1)总体来讲，现阶段国内航空活塞发动机热管理技术的研究还不够深入，高空散热能力不足这一问题的解决多停留在面积增大和制造强制湍流两个方面，不能很好地适应活塞式飞行器高空长航时飞行的实际需求，同国外相同产品的差距也较大。

2)与海拔影响因素相关的关键技术问题有：①高海拔下换热机理问题，②不同海拔间换热公式的映射关系，③不同结构散热器的海拔适应性问题。与多元目标优化策略相关的关键技术问题有：①整机流场与热管理系统温度场之间的协同优化问题研究，②湍流增强途径的轻量化研究，③流动、传热、形状、质量等全参数协同优化问题研究。这些问题的研究可以为飞行器续航能力和巡航高度的进一步提高打下基础。

3)航空活塞发动机热管理技术下一阶段的发展方向是得到适应海拔变化的散热器设计准则，实现热管理系统性能目标的全参数协同优化。最后，为了突破热管理系统的自身局限，可以在上述发展目标实现的基础上结合整机情况进行综合热管理系统的设计。