刘 猛1李 骊2王 浚1庞丽萍1
(1北京航空航天大学航空科学与工程学院 北京 100191)
(2中国航空工业第一飞机设计研究院 西安 710089)
摘 要: 高空环境模拟中一个重要的试验指标是低气压条件下的高低温温度均匀度模拟，为了达到中国国家军用标准相关要求，提出采用阶梯式全面孔板、混合风道和内置大面积冷板组合式气流组织方案，采用正升压式空气制冷技术，在大空间的高空模拟舱内进行了试验研究。试验结果表明该低气压环境下的大空间温度均匀度模拟技术能够使大空间内的常压温度均匀度达到 2 ℃、低压低温温度均匀度达到 1 ℃、低压高温温度均匀度达到 1. 2 ℃，优于中国国家军用标准要求，从而解决了大空间低气压下温度均匀性的技术难题。
关键词: 温度均匀度 高空环境 模拟 试验
中图分类号: TB663 文献标识码: A 文章编号:1000-651
1 引 言
大型飞机的巡航高度达到 11 km 以上，飞行周期长达十余个小时以上，飞行过程中外部环境条件变化非常剧烈，外界温度会从低于 -65 ℃变化到超过 50℃ ，周围环境压力会从约 10. 1 kPa 变化到约 101kPa。为了克服飞行环境的不利影响，保证设备的可靠工作，在飞机研制时期必须首先对飞机关键系统进行飞行性能考核试验，即必须在地面对产品先进行相关高空飞行环境模拟试验[1]。高空环境模拟系统就是创造模拟高空环境条件的设备，由主体设备—高空模拟舱与其它系统( 如制冷系统、加温系统、加湿系统、抽空系统) 组合可在其中模拟飞行中的各种空中环境，为各类产品的性能考核提供试验环境[2-3]。
低气压环境下的温度均匀度模拟是高空环境模拟试验的一项重要内容[4] 。但是一般高空环境模拟舱内部容积大，可达到几百立方米以上，在这样大的空间内满足低气压环境下的高低温温度均匀度难度非常大，该技术难题一直是困扰着技术人员。本项研究通过多年的实践及理论分析，提出采用阶梯式全面孔板、混合风道和内置大面积冷板组合式气流组织方案，与正升压式空气制冷技术相结合，可在大空间高空模拟舱内实现超过军标要求高低温温度均匀度模拟。
2 低气压环境下的大空间温度均匀度模拟
一般常压环境下可以采用全面孔板送风方式以提高温度均匀度，但高空模拟舱还需要保证低气压( 高度 11 km) 环境中的高低温温度均匀度。由于低气压下空气密度小、无法形成很好的对流换热，换热性能很差，全面孔板送风方式无法满足低气压环境下的基本换热及温度均匀度要求。如何在在大空间高空模拟舱内实现低气压( 11 km) 低温 -65 ℃和低气压高温 80 ℃，且同时满足均匀度要求成为研制的技术难点。
本项研究在空气制冷系统的基础上[5] ，在大空间高空环境模拟舱内设计采用了全面孔板和循环风机气流组织形式，同时又在舱体内部圆周方向安装了18 块冷板，形成大面积的冷板结构，如图 1 和图 2 所示，在保证常压快速降温指标后，又能依靠冷板强大的辐射换热能力弥补低气压下空气换热性能较差的缺点，两种方式结合很好地解决了大空间、低气压环境下的低温环境模拟及温度均匀度模拟的技术难题。
低气压低温环境模拟时，利用大面积冷板结构对舱内形成均匀“冷壁”辐射，对外形成“热壁”效应，同时利用风机 + 全面孔板形成的均匀对流换热效应以去除舱内有效试验热负荷，解决了大空间低温低气压环境下的温度均匀度模拟难题; 低气压高温环境模拟时，利用冷板上硅橡胶加热带对整个冷板加温，从而使整块冷板均匀保持同一温度，利用该辐射及全面孔板对流换热方式维持舱内高低温环境，保证低气压高温环境下舱内温度均匀度。
利用 CFD 技术，对该方案进行了温度均匀度仿真分析，如图 3。分析表明: 通过采用全面孔板、冷板与电加热带组合，并与空气制冷相结合保证了高空舱内低气压环境高/低温温度均匀度。
3 关键技术实现
为了实现低气压环境高/低温温度均匀度模拟，还需要在主要关键技术上进行详细设计。
3. 1 全面孔板
高空模拟舱舱内循环系统依靠顶部稳压腔及全面孔板结构保障舱内温度均匀度。全面孔板由带孔铝板和相应骨架及吊杆构成，全面孔板亦采用顶部单点固支悬挂方案，以适应热胀冷缩效应。需合理设计舱内循环风机风量以及全面孔板的孔径和孔距。孔板上均布 Φ8 -10 小孔，中心间距 60 -80 mm，铝板 δ= 1 - 1. 2 mm。全面孔板上部空间为稳压层，气流速度极小，可认为静止，气压均匀。为了在圆形截面的舱内得到均匀温度场，并最大限度地增大直径方向的使用空间，采用图 2 所示布置方式，轴向两端封死( 尾端留进风口和循环风道相接) 。
3. 2 冷板设计
冷板布置在高空模拟舱内壁圆周方向，尽可能地布置于整个舱壁，本项研究中采有了 18 块冷板，以确保制冷面积。其功能是在低气压低温试验时，将冷空气通入冷板，以达到整个舱体内保持低温目的。低气压高温状态时，靠贴于其上的硅橡胶加热带维持冷板表面及环境舱内高温。
各块冷板间气路并联，冷板背面焊冷气管( 集气管、岐管) ，其内面贴硅橡胶加热带。如图 4 所示，每块冷板包括两根集气管、若干岐管( 支管) 和吸热板组成。每块冷板工作原理是冷气先进入集气管，再通过并联的若干根岐管，岐管均匀地布置在厚 1. 5 mm的吸热板一侧，最后汇流入另一根集气管。冷板通过吸热板将冷量除去。在冷板背面用耐高低温的胶粘贴硅胶加热垫，并将电源引线引出舱外，分多个区控制。在低气压加温时，根据冷板表面温度传感器信号，经相对应区的固态继电控温装置，控制表面温度为设定值。
4 试验验证分析
为了验证提出的低气压环境下的大空间温度均匀度模拟方法的可靠性，在大空间的高空环境模拟舱内进行了大量的试验研究。
为测量大空间舱内的温度均匀度，在舱内布置了12 个测量点( T1- T12) ，还布置了 1 个压力测点，分布如图 5 所示。进行了低气压高温 40 ℃温度均匀度、常压低温- 60 ℃ 均匀度、低气压低温 - 55 ℃ 温度均匀度试验。
表1 - 表2 为低气压40 ℃时的大空间内12 个测点的均匀度试验数据。
通过试验可得到: 本文提出的阶梯式全面孔板、混合风道和内置大面积冷板组合式气流组织方案，能够使大空间常压温度均匀度达到2 ℃、低压低温达到1 ℃ 、低压高温达到 1. 2 ℃ ，满足中国国家军用标准GJB150 的要求，即任何两点温度差值小于 2. 2 ℃ ，而且低气压工下的温度均匀度明显优于常压时的温度均匀度。
5 结 论
在空气制冷的基础上，在大空间模拟舱内采用阶梯式全面孔板、混合风道和内置大面积冷板组合式气流组织方案，很好地解决了大空间、低气压环境下的温度均匀度模拟难题。试验表明: 常压低温 -60 ℃、低气压( 22 kPa) 低温 -55 ℃和低气压( 22 kPa) 高温40 ℃ 时的温度均匀度都满足中国国家军用标准GJB150 要求，即任何两点温度差值小于 2. 2 ℃ ; 在相同温度下，低气压工况下的温度均匀度明显优于常压时的温度均匀度。另外，该模拟方法同样适用于其它相似领域的温度均匀度模拟。
参 考 文 献
1 董素君，封正纲，王 浚. 高低温环境模拟系统 MATLAB 仿真研究[J]. 北京航空航天大学学报，2003，29 ( 8) : 708-712.
2 崔燚，庞丽萍，王 浚. 大飞机高空环境模拟系统传真优化研究[J]. 低温工程，2008，163( 3) : 38-43.
3 Stoecker W F. Design of Thermal Systems[M]. Tokyo: McGraw-HillKogakusha，Ltd，1980: 200-205.
4 军用装备实验室环境试验方法[S]. 国家军用标准 GJB 150. 1A-2009，中国，2009.
5 秦 钢，李 敏. 空气制冷机[M]. 北京: 国防工业出版社，1980:50-55.
