[发明专利]一种应用于高超声速飞机的三轮冷却-制冷循环冷却系统

说明书

本发明提出一种应用于高超声速飞机的三轮冷却‑制冷循环冷却系统，涉及高超声速飞机领域。系统包括两个空气涡轮、压气机、蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀以及两组燃油‑空气换热器。空气涡轮主要用于发电与降低空气热沉温度，与燃油‑空气换热器、制冷循环组合构成多级冷却系统，空气涡轮发出的电能部分用于制冷循环，其余用于电子器件的使用，使经过涡轮的冷却空气再冷获得更低的温度，从而足以冷却电子器件以及供给座舱。解决高超声速飞机高马赫数飞行条件下，外部空气温度过高无法再用作冷源的问题。本发明利用飞行器自身所带的燃油，基于空气涡轮与压气机，建立多级冷却系统，解决了高超声速飞机热管理的问题。

技术领域

本发明涉及一种应用于高超声速飞机的三轮冷却-制冷循环冷却系统，属于高超声速飞 机技术领域。

背景技术

高超声速飞机已经成为航空航天领域的研究焦点。随着航空航天技术的迅猛发展，新 一代飞行器具有高热流密度的电子元件，并且朝着小型紧凑的方向发展，液冷散热器或者 其他复杂形势冷却方式的应用受限，虽然风冷冷却效率较低，但可靠性高，可解决复杂环 境的散热问题。加之动力供给系统、液压元件、电源系统等产生的热负荷，导致飞行器热 设计与热管理面临更大的挑战。目前飞行器设计逐渐朝着综合化、紧凑化的方向发展，大 量的发热设备组合封装在狭小的空间中，这种情况下，冷却管路无法直接进入，只能利用 空气冷却。此外，基于降低重量的目的，导热系数低的复合材料通常被用作飞行器表面材 料；为了隐身及减阻的需要，飞机要尽可能减少外表面开口数量和面积，这些因素都限制 了飞行器外表面与外界空气对流进行散热的能力。更为重要的是超声速飞行过程中，冲压 空气的滞止温度很高，降低了外界空气的热沉能力，空气热沉高达1000K以上无法直接利 用对电子设备进行冷却，综上所述，面对高热负荷的飞行器冷却问题，如何获取低温空气 热沉是高超声速飞机的关键热防护问题。

对低速飞机来说，外界来流温度较低，可直接或间接地作为电子部件的热沉。高超飞 行器与之不同的是，来流空气总温与飞行马赫数正相关，温度骤升导致冷却电子器件的能 力降低。许多高超声速飞机携带地面的热沉(例如水)为机载电子元件冷却，虽然确实可以保证设备的稳定工作，但随之而来的质量惩罚问题不能忽略，此外，高温来流空气引起的气动加热导致电子器件的热环境恶劣，仅依靠简单的燃油换热难以满足巨大的热沉缺口。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中提到的飞行器高马赫飞行时的空气热沉的技术问题， 提出一种应用于高超声速飞机的三轮冷却-制冷循环冷却系统，基于燃油冷却的空气涡轮建 立了三轮冷却-制冷循环多级冷却系统，为高超声速飞机提供空气热沉。

本发明提出一种应用于高超声速飞机的三轮冷却-制冷循环冷却系统，包括动力涡轮、 冷却涡轮、压气机，蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀、一级燃油-空气换热器和二级燃油 -空气换热器，

从发动机中引气并通入动力涡轮，动力涡轮出口与一级燃油-空气换热器进口相连， 一级燃油-空气换热器出口与压气机进口连接，空气自压气机流出后进入二级燃油-空气换 热器，在二级燃油-空气换热器中降低压气机引起的的空气温升后进入冷却涡轮，冷却涡轮 的出口与制冷系统中蒸发器热流体侧进口相连接，最后经过冷却的空气进入设备舱或者座 舱，蒸发器工质侧入口连接节流阀出口，蒸发器工质侧出口与压缩机进口相连，压缩机出 口连接冷凝器工质侧进口，冷凝器工质侧出口连接节流阀进口；燃油进口与冷凝器进口相 连接，冷凝器出口与一级燃油-空气换热器入口相连接，一级燃油-空气换热器出口与二级 燃油-空气换热器进口相连接，吸收热量后进入燃烧室或者再生冷却通道入口，实现燃油热 沉的梯级利用。

优选地，根据飞行器外界空气温度，选择有机工质作为制冷循环的工作流体。

优选地，所述循环工质为苯。

优选地，有机工质在蒸发器中吸收空气的热量发生相变，之后在压缩机中有机工质蒸 气经过压缩成为高温高压气体，之后在冷凝器中与升温后的燃油换热，有机工质蒸气凝结 成为液体，经过节流阀后进入蒸发器再次循环。