民航应急定位发射机力热防护设计研究

杨立明 刘亮堂 洪元 周旭 吴文才

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100194；2.中国民航科学技术研究院，北京 102206）

0.引言

应急定位发射机（Emergency Locator Transmitter，简称ELT）是一台可以独立工作的航空多用途紧急定位发射机，在飞机正常飞行过程中，发射机一直处于待机状态，不工作。当发生紧急状况后，发射机通过人为操作触发或通过冲击撞击触发启动后，由GPS和BD接收天线接收GPS和BD导航信号，完成导航定位，再通过天线发送121.5MHz、243.0MHz、406.0MHz 3个固定频率的遇险报警调制信号，将飞机的相关信息和位置信息发送给全球卫星搜救系统，以便开展紧急救援[2-3]。

在近年调查中，发现在大部分事故中ELT未能发挥其应有的作用。回顾过去30年的ICAO事故记录，在257次事故中，携带ELT的案例有173次，而仅其中的39次ELT被成功激活，激活概率仅22.5%。依据调查结果，ELT无法正常工作有3个主要原因：（1）飞机残骸对ELT天线进行物理遮挡，导致信号无法正常传播至全球卫星搜救系统；（2）飞机坠毁后机体遭受严重损伤或损毁，导致ELT天线损坏，搜救信号无法正常发射；（3）ELT是事故发生后往往处于高温（火烧）环境中，ELT在高温中的存活时间少于少于搜救卫星两次访问之间的时间间隔，在卫星访问事故区域前已停止工作。

本文针对ELT产品失效原因，提出了一种具有抗冲击耐高温火烧的力热防护方法，以提高ELT的可靠性和生存概率。

1.结构方案设计

应急定位发射机包含发射/接收天线、发射机、控制面板、电池等系统。考虑到发射机需要承受强冲击、挤压等恶劣环境，整体防护结构设计为圆柱形结构以提高结构强度，天线发射区域设计具有耐高温透波陶瓷天线罩结构。

应急定位发射机结构出于抗冲击性能的考虑，整体设计为圆柱形结构，如图1所示。柔性纳米纤维隔热层、石英陶瓷支撑结构、相变防热层组成设备力热防护系统。面板结构采用310s耐热钢，设备内部结构框架采用力学性能较好，导热性能较低的聚酰亚胺材料。

图1 结构组成示意图

2.力学防护设计

石英陶瓷支撑结构是力热防护系统的主要组成部分，首先依据内部电路结构尺寸和定位发射机所处力学环境开展石英陶瓷支撑结构厚度设计。

定位发射机需耐受500g（5ms）强冲击和690kPa静态挤压，持续5min，保证内部设备不受损坏[4]。经过迭代设计，石英陶瓷支撑结构壁厚设计15mm，开展力学校核。

2.1 静态挤压仿真分析

静态挤压可从两个方向进行分析，如图2所示，取安全系数1.2～1.35。由于挤压，结构主要承受压缩力，陶瓷的压缩强度σc在180MPa～270MPa之间，拉伸强度σt为15MPa～22MPa，通过计算得到应变应力云图如图3所示，陶瓷材料的应力最大值为20.8MPa。根据莫尔强度理论，满足陶瓷结构强度要求。

图2 静力载荷下结构受力示意图

图3 陶瓷结构应力云图

2.2 冲击仿真分析

设备承受冲击载荷500g（5ms），冲击分析重点关注结构强度，对设备冲击载荷下的应力分析如图4所示，陶瓷各方向最大应力值如表1所示，陶瓷材料最大Von Mises值为23.0MPa，满足结构强度要求。

表1 冲击应力分布表

图4 冲击载荷下结构主应力云图

3.热防护设计

系统热防护设计由两级隔热层和内部吸热材料组成，保证在外部承受高温火烧时，内部可稳定在允许范围内。

第一级隔热层，选用柔性纳米纤维隔热膜材料，具有高温隔热性能，兼具力学缓冲作用。使用温度可达1200℃，导热系数仅0.02W/mk，主要成分是二氧化硅材料。最大程度上隔绝热量向设备内部传递。如图5所示。

图5 隔热材料耐温与隔热试验验证

第二级隔热层，选用耐高温熔融石英陶瓷材料，兼具支撑结构，具有高温力学性能优异、隔热性能好、使用温度高等点。导热系数1.2W/mk，使用温度1200℃。

内部吸热材料选用相变石蜡，填充于防热层与内部电子设备之间的缝隙中。通过相变潜热吸收经隔热层传入设备内部的热量，保证内部温度在允许范围内。相变石蜡采用微胶囊结构形式，导热系数0.3W/mk，相变潜热180J/g～190J/g。

3.1 热防护设计计算

定位发射机所受极端热环境需要承受高温火烧1100℃恶劣环境，最长可持续15min。据此开展热防护计算[2]。已知陶瓷支撑结构和内部电路结构可计算出内部填充相变石蜡材料不少于0.8kg。假设热防护内外表面均为平面，外界温度恒定，传入内部的热量均有相变材料吸收。隔热膜材料、陶瓷石英材料吸热以及间隙传热影响忽略不计。各层壁之间平面接触良好，因此热防护满足多层圆通稳态传导条件，可建立2层圆通热分析模型。如图6所示。

图6 圆筒热分析模型

已知相变材料总重量G，得：

圆筒隔热层热传导模型：

式中：

Q―总热流量，J；

A―外表面积，mm2；

T3―外界温度，℃；

T1―相变材料相变温度，℃；

b―高温防护层材料厚度，mm；

Kb―高温防护材料导热系数，W/（m·℃）；

a―隔热层材料厚度，mm；

Ka―隔热层材料导热系数，W/（m·℃）；

τ―工作时间，h；

H―隔热层高度。

上下各层之间热防护满足多层平壁稳态热传导条件，可建立一维2层平壁热分析模型，如图7所示。

图7 一维2层传热模型

一维平壁热传导模型：

式中：

b1―高温防护层材料厚度，mm；

λ1―高温防护层材料导热系数，W/（m·℃）；

b2―隔热层材料厚度，mm；

λ2―隔热层材料导热系数，W/（m·℃）；

T1―外界温度,℃；

T3―相变材料相变温度，℃。

由计算可知，第一级隔热层的厚度为15mm。

3.2 热仿真分析

考虑高温火烧的环境条件下，假设天线罩外壁面承受1100℃火焰烧蚀。因此设置隔热层外表面温度1100℃，设备初始温度为50℃。设备耐受时间15min。散热方式为传导、对流和辐射。通过15min瞬态热仿真分析，结果如下。

ELT热防护层温度整体温度分布如图8所示；ELT隔热层温度分布如图9所示，内壁最高温度约为71℃，低于微胶囊石蜡的耐受温度180℃；石蜡防热模块的温度分布如图10所示；设备内部温度分布如图11所示，结构框架与陶瓷接触位置温度最高为66.6℃，天线表面温度约为55℃，基带板表面温度约为52℃。满足设备的工作要求。

图8 整体温度分布

图9 隔热层温度梯度分布

图10 相变石蜡温度分布

图11 内部温度分布

4.产品研制

面板结构选用310S不锈钢结构，内部支撑结构选用耐高温陶瓷―熔融石英陶瓷材料，结构设计圆柱形结构，壁厚7mm，具体参数如表2所示。产品实物如图12所示。

表2 熔融石英陶瓷材料参数

图12 石英陶瓷天线罩实物图

隔热层选用柔性纳米纤维隔热膜材料缠绕，具有高温隔热性能，总厚度15mm，最外层采用石英纤维布防护。具体参数如表3所示。

表3 柔性纳米纤维隔热膜材料参数

吸热层选用防热层选用有机相变石蜡，通过相变潜热吸收经隔热层传入设备内部的热量，保持内部温度温度在合理范围内。相变石蜡采用微胶囊相变石蜡，材料参数如表4所示。

表4 石蜡材料参数

最外层设计亚克力装饰结构，同时对内部隔热层进行物理防护，产品组装后实物如图13所示。

图13 防护性应急定位发射机实物图

5.结论

本文建立应急定位发射机力热防护系统，对内部电子设备进行有效力热防护，通过仿真分析满足极端恶劣强冲击挤压、高温火烧等条件。可显著提高应急定位发射机生存率。