相变蓄热技术在机载高能武器热管理中的应用进展*

吴 波,张丰华，杨明明，任 召

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

高能武器是一种新概念武器，能够利用光、电磁脉冲、高功率微波等先进技术直接进行杀伤目标和破坏设备，可实现对威胁目标的“软杀伤”或“硬杀伤”，其基本原理、作战应用方式和杀伤破坏机理均与常规武器有着明显区别。高能武器主要包括能够实现激光、微波等高能粒子束或电磁能的定向发射、聚束和远距离传输从而快速攻击并毁伤目标的定向能武器，以及依靠自身的动能对目标造成毁灭性破坏的动能武器等。

将高能武器应用在航空飞行器上可以达到战略防御、战区防御和战术防空的目的。如机载激光武器可用于拦截战区弹道导弹，还具有反卫星和反飞机的能力，因而受到美国军方的高度重视。

为了推进高能武器在航空飞行器上的应用，美国导弹防御局(MDA)提出了机载激光武器(ABL)的研究计划，利用YAL-1A飞机为载体，通过安装在YAL-1A飞机机头部分转塔上的兆瓦级激光器为武器，用于摧毁来袭的处于助推阶段的弹道导弹。2007年7月美国导弹防御局(MDA)完成了机载激光武器(ABL)的空中模拟试验。成功拥有机载激光武器的国家，将引发作战方式的质变，预示着又一场“战争的革命”。可见发展机载高能武器具有十分重要的意义。然而机载高能武器在工作时产生大量的废热，面临严峻的热管理问题。相变蓄热技术是解决机载高能武器热管理问题的一种有效手段。目前在国内机载高能武器热管理的相变蓄热型换热器方面的研究或产品鲜有公开资料报道。笔者通过文献调研介绍了国外研究机构在该领域的研究进展。

1 机载高能武器热管理需求

机载高能武器的能量转化过程中，大部分的能量在转化过程中变为了废热。根据美国空军研究实验室的研究[1]，某机载高能微波武器脉冲高能微波发射的能量转化效率仅为30%，整个武器系统的能量转化效率仅为22.8%，如表1所列。根据作战要求，高能激光器的平均功率至少为20 kW或脉冲量30 kJ以上才能起到打击效果。由此可见机载高能武器工作时，需要对大量的废热进行热管理，才能保证高能武器的正常工作。

表1 典型机载高能微波武器能量转化效率[1] /%

在机载环境中，冷却资源匮乏，能源、有效载荷、空间都十分有限，因此机载高能武器的热管理系统既要满足高负荷的热管理需求，又要尽可能地降低热管理系统本身的能耗、重量和体积及对冷却资源的调度。由于机载高能武器的热负荷是脉动的，在一个热负荷脉动周期内，其高热负荷仅持续较短时间，其余较长时间段内热负荷为零。如果按照其瞬时峰值的热负荷进行热管理系统的设计，将使得热管理系统十分庞大。同时其热管理能力在没有热负荷的时间段内闲置，造成了系统的冗余。

在机载环境中，冷却资源匮乏，能源、有效载荷、空间都十分有限，因此机载高能武器的热管理系统既要满足高负荷的热管理需求，又要尽可能地降低热管理系统本身的能耗、重量和体积及对冷却资源的调度。由于机载高能武器的热负荷是脉动的，在一个热负荷脉动周期内，其高热负荷仅持续较短时间，其余较长时间段内热负荷为零。如果按照其瞬时峰值的热负荷进行热管理系统的设计，将使得热管理系统十分庞大。同时其热管理能力在没有热负荷的时间段内闲置，造成了系统的冗余。

相变蓄热型换热器恰恰可以解决这一问题。固-液相变材料(PCM)熔化/凝固时吸收/放出大量的热，而温度基本保持不变，同时体积变化相对于气-液相变小得多，其吸热再放热的过程可以循环利用。相变蓄热型换热器正是利用固-液相变材料的这些特点将一个脉动热负荷周期内的短时高热量储存在相变材料的潜热中，而在热负荷为零的其余较长时间段内将相变材料吸收的热量释放给最终的热沉。这样最终的热沉可以按照平均热负荷来进行设计，从而使热管理系统的整体能耗，重量和体积大大降低。另外，固-液相变材料在吸收热量后温度基本保持不变，这对于热沉温度受限的机载环境十分有益。根据美国通用原子公司、霍尼韦尔、主流工程公司等的研究报道，将相变蓄热型换热器应用在高能武器热管理系统中时，整个系统的体积、重量和能耗都得到了降低。如图1所示为主流工程公司研究的相变蓄热型换热器对高能武器热管理系统单位体积及单位质量储能密度的提升，在占空比(脉动热流密度参数)为20%的情况下，其单位质量储能密度最大提升了90%。

图1 相变蓄热系统相比纯对流散热在储能密度上的提升

2 机载高能武器相变蓄热技术研究进展

以下重点介绍国外著名的研究机构及科技公司利用相变蓄热技术解决机载高能武器热管理问题的技术方案。

2.1 美国空军研究实验室

2002年美国空军研究实验室[2](Air Force Research Laboratory)报道了一种定向能武器热管理方案，其系统结构如图2所示。

图2 美国空军研究实验室定向能武器管理方案

整个热管理方案分为三级冷却。第一级采用液态氨对定向能武器热源实施喷射冷却，液态氨受热气化后在相变蓄热系统中放热冷凝，继续下一个冷却循环；第二级相变蓄热系统吸收氨的热量储存起来；第三级采用冲压空气或R22制冷循环对相变蓄热系统进行冷却。在这个方案的基础上针对高能激光武器(HEL)和机载主动拒止系统(ADD)分别设计了热管理系统，储能密度分别达到了77 kJ/kg和69 kJ/kg。

2.2 通用原子公司

2007年美国通用原子公司[3]对机载电子激光(AEL)能量系统的热管理系统进行了实况实验研究，该系统的结构如图3所示。实验在隶属于美国空军研究实验室的一架货运飞机上进行，实验过程中飞机处在固定高度并保持固定速度，对AEL能量系统加载一个名义任务剖面。实验在保持AEL激光发射功率恒定为100 kW的情况下评估了不同的技术方案，二极管工作温度，脉动热负荷占空比及环境条件对热管理系统尺寸及结构的影响。研究结果表明在热管理系统中采用相变蓄热系统，近期质量可降低26%体积可降低19%，远期质量可降低35%体积可降低27%。

图3美国通用原子公司机载激光武器热管理方案

2.3 主流工程公司

主流工程公司[5,6]报道的高能武器热管理子系统实验管路循环如图4所示。管路循环中分别有两路循环交替与相变蓄热换热器进行热交换，一路吸热另一路放热。同时还进行了对比实验，对照组在同样的热负荷下采用1:1体积比的丙二醇与水的混合工质进行冷却。对比结果发现，将相变蓄热装置集成到单相冷却循环中之后，热管理系统的体积重量以及系统能耗都带来降低的效果，单位体积储能密度最大能提升90%。

图4 主流工程公司高能武器热管理方案

系统中所采用的相变蓄热换热器的结构如图5所示。该换热器采用泡沫石墨复合相变材料作为蓄热工质，若干列管束与复合相变材料相间隔构成换热器的主体。管术中通流换热工质与复合相变材料进行热交换。管术在换热器两端汇合成主流通道。相变材料与壳体之间填充有闭孔泡沫，用以平衡相变材料在蓄热和放热过程中的体积变化。该换热器结构可以为此项目的研究提供重要参考。值得注意的是，此研究中报道了这个结构存在一定程度的相变材料蓄热后液相泄露的问题。

图5 主流工程公司相变蓄热换热器结构及实验蓄热单元

2.4 霍尼韦尔公司

霍尼韦尔[4]公司报道的包含蓄热系统的定向能武器热管理方案如图6所示。

图6 霍尼韦尔公司定向能武器热管理方案

霍尼韦尔研究了两种定向能武器的热管理系统，一个工作温度较高，另一个工作温度较低且温度范围窄。两个系统均针对机载应用环境设计，以减小体积，重量和气动阻力为目标。对于工作温度较高的系统，其系统结构包括，利用飞机燃料的去离子水系统或专用的PCM蓄热系统，都采用直接冲压空气冷却作为最终的热沉。对于工作温度较低的系统，其系统结构包括，带PCM蓄热的去离子水系统，带PCM蓄热的氨系统，和使用氨蓄热的氨系统。

其中的相变蓄热系统结构与主流工程公司的相变蓄热换热器的不同之处在于采用管板式结构作为流体工质的通道，相变材料与流体通道在竖直方向上交替排布，总体出入口设计在同一端。

3 结 语

通过文献调研，介绍了相变蓄热技术在机载高能武器热管理上的应用进展。重点详细介绍了美国空军研究实验室、通用原子公司、主流工程公司以及霍尼韦尔公司等著名研究机构和科技公司在该领域的研究方案。相变蓄热技术是一种应对机载高能武器热管理需求的有效技术，在运用时需要与对流冷却结合起来。介绍的技术方案可为高功率机载电子设备提供有益的参考。