太阳能飞机一体化结构热设计技术探讨

郑 君，平丽浩，钟剑锋，战栋栋

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

太阳能飞机一体化结构热设计技术探讨

郑 君，平丽浩，钟剑锋，战栋栋

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

因在情报探测领域的独特优势，技术先进国家现已开展了太阳能飞机的研究。因为平台的特殊性，太阳能飞机探测系统在研制中面临着一系列技术变革和技术壁垒的突破，一体化结构热设计技术就是其中一项极为关键的技术变革。文中从太阳能飞机结构功能一体化设计出发，针对太阳能飞机的热控设计技术要求，提炼形成太阳能飞机探测系统一体化热设计技术概念，对一体化热设计中所涉及到的3个层次，即一体化热设计布局、一体化热设计的关键技术、一体化热设计的发展趋势及面临的问题，进行简要的阐述，就一体化热设计技术的研究方向和发展应用方向提出了建议。

太阳能飞机;探测系统;一体化热设计

引 言

用于情报获取的太阳能飞机具有探测能力强、持续态势感知及良好的机动性等优势，目前各技术先进国家都已逐步开展了太阳能飞机技术的研究[1]。美国防部高级研究计划局 2009 年版战略规划增加了2项临近空间飞行器的计划：一是“秃鹰”计划，其目标是研制一种无需加油和维修，可在18～28 km 高空驻留5 年的飞行器；二是“快眼”无人机计划，其目标是利用火箭在1 h内把具有远程续航能力的临近空间无人机从美国本土发射部署到全球任何地点，用于完成长时间监视、侦察与通信任务。

因受平台飞行环境条件和承重、供电能力等因素的限制，常规的设计思路根本不可能适用于太阳能飞机平台。若减小系统规模直至可满足适装性要求，探测性能的下降又无法容忍。因此，太阳能飞机在研制中面临着一系列技术框架的变革和必须突破的技术壁垒，即在设计中采用结构和功能的一体化设计思路，同时必须采用大量的新技术、新材料和新工艺，而这些新技术、新材料和新工艺的采用涉及到太阳能飞机系统的方方面面，飞机探测系统的一体化结构热设计技术就是其中极为关键的一项技术变革。

针对同样工作在临近空间环境的平流层飞艇，国外已有大量的热设计研究[2-3]，国内也有较多的研究文献可供借鉴[4-5]，但针对太阳能飞机的热控研究尚未见报道。因为平台的差异性和一体化的特有属性，太阳能飞机的热控研究又不能完全沿袭平流层飞艇的研究成果，只能借鉴部分研究思路和方法，另辟蹊径，探索出适用于太阳能飞机的一体化结构热设计技术。

1 一体化热设计概念

1.1 太阳能飞机结构功能一体化技术

作为临近空间飞行器的一种，太阳能飞机具有体积大、长航时、无人化的特点。体积大可拓展雷达功率孔径积，增强探测能力；长航时、无人化可确保任务灵活性、持续态势感知、无人员伤亡风险。此外，太阳能飞机还具有更好的机动性、更低的成本、更低的使用风险(不存在收放等风险环节)等优势。

虽然太阳能飞机有其独特的优势，但与大型预警机相比，其承重和供电能力的短板也很明显。因供电能力的限制，太阳能飞机系统对各组成部分都提出了非常严苛的重量指标要求。就这些标准指标而言，传统的设计思想根本无法满足和达到。若减小系统规模直至可满足适装性要求，探测性能的下降又无法容忍。可行的设计思路是在方案论证之初就采用一体化的思想，将雷达与机体外形及机翼结构高度集成，全机以传感器为中心，飞机用先进传感器建造而不是装备先进传感器。采用结构与功能一体化设计具备2个优势：一是增大了天线的有效口径，提高了探测能力；二是结构部分大量复用，有效降低了雷达的重量。

结构功能一体化技术在研制实现中面临着一系列技术变革和必须突破的技术壁垒，即各系统在设计中均需最大限度地采用结构和功能的一体化设计思路，同时必须采用大量的新技术、新材料和新工艺来实现一体化功能。而这些新技术、新材料和新工艺的采用涉及到太阳能飞机系统的方方面面，飞机探测系统的一体化结构热设计技术就是在上述应用要求和应用背景下，沿袭太阳能飞机结构与功能一体化设计框架而提炼发展出的一种全新的设计思路，也是太阳能飞机结构与功能一体化设计中一项极为关键的技术变革。

1.2 一体化热设计概念

太阳能飞机探测系统一体化热设计概念沿袭太阳能飞机结构与功能一体化设计理念。探测系统一体化热设计概念可以理解为在太阳能飞机结构设计和探测系统布局设计过程中，充分考虑探测系统的工作环境及电子元器件的产热与散热平衡，最大效率地利用传导、对流和辐射3种热控途径，同时最大限度地提高飞机结构件的复用率，即结构件同时作为飞机结构件、雷达结构件和散热系统结构件，以有效降低热控系统重量,并达到热控指标。

在一体化热设计过程中，在设计思路转变的同时，还需转变各专业间相互配合的工作思路，而最需要转变的是摈弃结构设计向热设计单向提要求、指标的传统工作思路。在太阳能飞机设计中存在机、电、热高度耦合关系，单一专业设计的更改，常会引起其他专业领域设计的变更，甚至导致设计方案颠覆性的改变。因此，一体化热设计在结构材料选用、结构形式设计、结构布局等多方面需要与探测系统结构设计、电性能等专业设计之间多方互提指标，重复迭代，共同推进。一体化热设计也因此更需要多方参与，协同配合，在机、电、热多场耦合设计配合上更趋紧密，协作配合的要求也更高。

2 一体化热设计方案

2.1 一体化热设计技术要求

一体化热设计的目标在于轻质高效，轻附加质量是一体化热设计的首个要求。一体化设计强调结构件功能性复用比率的最大化。因此在一体化热设计中首先考虑的是借用机翼结构件的散热功能特性，最小限度地增加附加结构实现最大效率的散热功效。

太阳能飞机工作在平流层，大气环境温度约为-60 ℃～ -50 ℃。敷设于机翼上表面的太阳能电池板处温度可达+ 60 ℃，对于一体化在机翼内部的天线电子元件器而言，其工作环境温度处于-60 ℃～+60 ℃。此外，机翼内部形成封闭空腔，对外无空气等介质交换。

因为重量限制，电子器件逐步向高集成化及小型化发展，由此带来了大功率产热在局部区域过度集中的问题，如在3 cm2范围内集中2 W的产热。这样大的热流密度在以往的设计中很少出现。大热流密度的产热、散热问题给轻质一体化热设计带来了首个困难。

此外，距离地面30 km的平流层空气稀薄，供对流散热的空气流量少，以致对流散热条件差。如在30 m/s风速条件下，对流散热能力仅约3 W/(m2·K)。这给太阳能飞机轻质一体化热设计带来了另一个困难。

2.2 一体化热设计方案

针对太阳能飞机热设计中的大热流密度及对流散热条件恶劣的问题，可采用将发热电子器件依附在热扩展层/辐射器上的方案。散热方案如图1所示，发热电子器件的产热由热扩展层快速扩展到更大面积的辐射器，通过热辐射将热量传递到内部和外界环境，以免局部温度过高。机翼内部环境的热量主要由热扩展层的辐射和对流带来，经机翼内部的热传导，流动到机翼蒙皮，进而通过对流和辐射，流动到环境大气中。

图1 一体化散热原理图

热扩展层、辐射器结构功能一体化设计，即作为热扩展层和散热辐射器，也是天线系统必须的结构件，不额外增加系统重量。目前可以考虑的方案1是将机翼上蒙皮作为热扩展层和辐射器，方案2是将机翼主承力机构的主梁作为热扩展层和辐射器，如图2所示。无论机翼蒙皮还是机翼主梁，一旦作为热扩展层/辐射器，就需要具有良好的热传导特性，或至少在发热电子器件位置的局部具有良好的热传导特性。

图2 机翼蒙皮散热方式结构示意图

2.3 一体化热设计仿真结果

图3为采用现有不同材质作为热扩展层/辐射器时的热仿真结果，其中，炭基导热材料为目前较好的热扩展材料。从仿真结果可看出，对相同的产热源，以导热系数最高的材料作为热扩展层，其温度控制效果也最好。由仿真结果得出以下结论：

1)高效热扩展技术是一体化热设计的关键技术；

2)现有的热扩展材料与太阳能飞机一体化热设计的需要还有一定的距离；

3)需要深入开展热扩展效率的影响因素研究，进一步提高热扩展效率。

图3 采用不同的热扩展层/辐射器时的温度分布

3 一体化热设计的发展趋势及面临的问题

3.1 高效热扩展技术研究方向

如上所述，一体化热设计技术的关键技术是高效热扩展技术。大量的研究资料表明，实现高效热扩展的途径主要包括2方面：一是应用高导热材料；二是采用蒸汽腔、热管等相变热扩展元件。

高导热材料包括上述炭基导热材料及可变发射率智能热控涂层等。在热扩展元件方面，目前研究较多的有高效柔性微通道流体回路(如图4所示)及高效柔性相变储能技术(如图5所示)。高效柔性微通道流体回路将产热电子器件热耗有效传输到专门的散热器上，高效柔性相变储能技术将产热电子器件的温度始终控制在很窄的范围内，从而抑制电子器件的温度波动。

图4 高效柔性微通道流体回路

图5 高效柔性相变储能技术

3.2 高效热扩展技术研究现状

为解决未来高热流密度和恶劣条件下雷达的散热问题，DARPA、Raytheon、诺·格等公司、机构牵引相关高校和科研机构进行先进热扩展技术的研究，正在进行蒸汽腔、金刚石复合材料、炭基高导热材料的研究。目前研制的金刚石基材料的导热系数可达700 W/(m·K)，炭基高导热材料横向导热系数已达1 700 W/(m·K)，封装炭基高导热材料(APG)横向导热系数已达700 W/(m·K)，蒸汽腔当量导热系数可达1 000 W/(m·K)。

国内在热扩展技术方面的研究较为落后，在热功能材料方面，目前制备的金刚石/铜材料的导热系数可达500 W/(m·K)，具有与芯片相近的线胀系数；研制的炭基高导热材料的导热系数达700 W/(m·K)，但材料较脆，不具备工程应用条件，还需研制带封装结构的APG材料。国内一些研究机构已合作研制成功金刚石/铜芯片热层、组件壳体工程样机和炭基导热材料样品，且相关的研究仍在进一步深化。

3.3 一体化热设计的发展趋势及面临的问题

探测系统一体化热设计技术目前面临的首要问题是高效热扩展技术的突破。图6为现今高效热扩展技术发展路线图。在突破高效热扩展技术方面，有以下2个方面有待深入研究：

1)牵引轻质热功能材料研究、相变热扩展技术研究，研制高效热扩展层，解决有限重量条件下大面积热扩展问题；

2)开展基于热功能材料(金刚石基、炭基高导热材料、导热塑料及未来新型纳米材料等)的应用研究、柔性相变热扩展元件应用研究，解决热扩展层与芯片连接等工程问题等。

图6 高效热扩展技术

4 结束语

本文基于太阳能飞机结构功能一体化设计思路，提炼形成了太阳能飞机探测系统一体化热设计技术概念，对一体化热设计方案、一体化热设计的关键技术、一体化热设计的发展趋势及面临的问题进行了阐述。主要结论为：

1)一体化热设计技术是适用于太阳能飞机结构与功能一体化设计的唯一热设计解决方案；

2)一体化热设计技术的关键在于高效热扩展技术；

3)目前已有的高效热扩展技术与太阳能飞机的应用需求还有一定的距离，需要进一步开展相应的研究工作；

4)在未来的一体化热设计关键技术研究中，可引领性地开展轻质热功能材料研究、相变热扩展技术研究，研制高效热扩展层，同时开展基于热功能材料的应用研究、柔性相变热扩展元件的应用研究。

[1] 刘军. 国外低速临近空间飞行器与技术发展(下)[J].中国航天，2012(1): 31-35.

[2] ALEXEY A P, MATTHEW K H., SCHLAIFER R S. Advanced balloon performance simulation and analysis tool[C]// AIAA’s 3rd Annual Aviation Technology, Integration and Operations (ATIO) Tech. Denver, USA: AIAA, 2003, AIAA2003-6741.

[3] HARADA K, EGUCHI K, SANO M, et al. Experimental study of thermal modeling for stratospheric platform airships[C]// AIAA’s 3rd Annual Aviation Technology, Integration and Operations (ATIO) Tech. Denver, USA: AIAA, 2003, AIAA2003-6833.

[4] 王丽. 临近空间大功率电子设备的热设计[J]. 电讯技术，2010, 50 (7): 127-130.

[5] 马伟, 宣益民, 韩玉阁. 临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法[J]. 宇航学报, 2010，31(5): 1272-1277.

郑 君(1974-)，男，博士，主要从事先进复合材料结构强度、电子设备结构设计及强度研究工作。

平丽浩(1960-)，男，研究员级高级工程师，主要从事电子设备结构设计及强度研究工作。

钟剑锋(1967-)，男，研究员级高级工程师，主要从事电子设备结构设计及强度研究工作。

战栋栋(1982-)，男，博士，主要从事电子设备结构热设计技术研究工作。

Discussion on Integration Thermal Design of Solar-powered Airplane

ZHENG Jun，PING Li-hao，ZHONG Jian-feng，ZHAN Dong-dong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Solar-powered airplane has been developed in many developed countries due to its advantages in detection domain. There are a series of technical innovations and difficulties to overcome in development of the solar-powered airplane. The integration thermal design technology is one of these innovations. Based on integration structure-function design technology and the corresponding requirements, the integration thermal design concept on solar-powered airplane is put forward. In this paper the layout, the key technology, the development trend and problems of integration thermal design are discussed briefly. And some suggestions are given on development and application of the integration thermal design technology.

solar-powered airplane; detecting system; integration thermal design

2013-11-27

V271.9

A

1008-5300(2014)02-0005-04