一种太阳能无人机设备舱地面环境试验方法

本发明涉及热工，具体涉及飞行器环境控制技术中的一种太阳能无人机设备舱地面环境试验方法。

背景技术：

1、太阳能无人机具有爬升/巡航/下降速度慢而巡航高度高的特点，在飞行包线里会经历极端温度和低气压等恶劣工况。gjb1172.12中时间风险率20％的低气温全国工作极值在海拔0-20km最低温度可达-80℃，而0km热天极限为40℃。太阳能无人机的设备舱搭载各类电子设备，电子设备的正常工作需要适宜的环境温度条件。因此，太阳能无人机研制过程需要对设备舱增加热控措施，并通过开展地面环境试验评估飞行包线里设备舱的热环境特性和热控措施的有效性。

2、太阳能无人机一般采用复合材料机身，设备舱是机身的一部分，即设备舱外蒙皮与外界来流空气进行对流换热，同时由于巡航高度很高，需要考虑太阳辐射的作用。因此，与常规的环境试验有所不同，这类设备舱的地面环境试验除了需要在真空舱模拟飞行高度和极端高温/低温，还需要同时模拟蒙皮外部的对流换热和太阳辐射换热条件。然而，一般的热环境试验系统主要提供极端高温/低温/低气压等条件，太阳辐射模拟需设计增加相关的辐射模拟装置，同时也不具备大面积迎面风速的模拟能力，极端低温工况(-80℃)也给低温制冷设备的能力提出了更高的需求；进行迎面风速的的模拟需要采用风洞进行，而一般的风洞试验系统对高空、极端高温/低温和太阳辐射的模拟又有所欠缺，能够同时模拟风速、高空、极端高温/低温和太阳辐射的风洞试验系统的试验成本巨大。

3、事实上外部对流换热和辐射换热等条件主要通过设备舱蒙皮的传热对舱内热环境形成影响，在研制过程的性能摸底试验阶段，可以在原有热环境模拟试验系统的基础上，探寻一种能同时模拟对流换热和太阳辐射的等效试验方法，这对降低试验系统复杂度和试验成本具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供了一种太阳能无人机设备舱地面环境试验方法，将外部气流和太阳辐射对舱体的热作用所产生的当量温度形成综合温度，并在舱体外围构建微小通道模拟外部气流的对流换热系数，从而实现对外部换热条件的综合等效模拟。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种太阳能无人机设备舱地面环境试验方法，包括以下步骤：

4、第一步骤，以综合温度的形式融合外部对流换热和太阳辐射的影响，主要包括外部对流换热系数计算以及综合温度的计算。

5、第二步骤，设备舱外部等效换热模拟设计，通过在设备舱外围构建空气流动通道来模拟设备舱外部对流换热系数和综合温度，并保证进出口换热温差在1-3℃以内，实现外部换热条件的等效模拟。

6、第三步骤，搭建太阳能无人机设备舱热环境试验系统，结合前述两个步骤获得的综合温度和供气流量，进行高温、低温和低气压条件下的设备舱热环境试验，并进一步评估电子设备工作时的热控措施有效性。

7、具体的：

8、第一步骤，以综合温度的形式融合外部对流换热和太阳辐射强度的影响，具体包括外部对流换热系数计算以及综合温度的计算：

9、(1.1)设备舱外部对流换热系数计算

10、设备舱外部对流换热系数计算的方法主要有两种：工程计算和数值模拟。在研制过程的性能摸底试验阶段，采用工程计算的效率更高，数值模拟方法可以作为一种更加精细的方法，最终均为获得表面的对流换热系数。实际飞行过程中电子设备舱外表面的换热系数，可近似采用平板外流的换热系数进行工程计算。

11、考虑从机头到设备舱前的附面层发展过程，并根据转捩点与设备舱前端的位置判断设备舱表面的流动情况。定义转捩点和设备舱前端距机头的距离分别为xc和xs，电子设备舱表面的流动情况可分为全层流(xc＞l)、混合流动(xs＜xc＜l)和全湍流(xs＞xc)，3种流动情况的平均对流换热系数表达式分别为：

12、

13、式中，α为对流换热系数，l为整个平板的长度，αx，l和αx，t分别设备舱前端距机头的距离为x处的层流和湍流对流换热系数，可以选用已有的对流换热系数计算公式。

14、(1.2)考虑太阳辐射换热的设备舱外围空气综合温度计算

15、电子设备舱在高空的外部热环境主要包括与外部气流的对流换热和辐射换热两个参数，为了减少辐射模拟设备，采用综合温度进行等效。外部综合温度是将外部气流和太阳辐射对结构的热作用所产的的当量温度综合成的一个外部气象参数，有多种类型的计算方法，可以采用的一种为：

16、

17、α0＝αc+αr                           (3)

18、αr＝c·θ                                (4)

19、式中，tsa-外部综合温度，k；

20、t0-环境温度，k，由于太阳能无人机巡航速度很低，认为附面层恢复温度为环境温度；

21、i-太阳辐射强度，w/m2，18km处的辐射强度为1300w/m2，具体根据气象数据查取；

22、ρs-设备舱表面辐射吸收率，碳纤维材料可取0.8，也可根据实际材料特性选取；

23、α0-外表面换热系数，包含对流换热系数αc和长波辐射换热系数αr；

24、c-参与辐射换热两物体的导来辐射系数，w/(m2·k4)；

25、θ-温度因子，k3；

26、(1.3)由于太阳辐射具有方向性，需要根据飞行地点所处的太阳辐射角进行相应的辐射分量计算。可分为两种方式处理：一种是对设备舱每个表面分别求解综合温度，一种是将辐射换热均匀分配到设备舱各个表面。第一种方式对设备舱每个表面的综合温度进行计算，能更为细致地对辐射换热模拟，第二种方式可以简化供气分配模拟，将电子设备舱与外界的辐射换热总量均匀地分布到每个侧面，这样可保证辐射总热量与实际情况一致。

27、第二步骤，设备舱外围换热模拟通道尺寸参数和供气参数设计，具体包括：

28、(2.1)由于综合温度已经包含了太阳辐射作用，因此，通过外围微小通道的空气流动来模拟设备舱外部对流换热，并保证进出口温差在较小量级，从而形成稳定的外部换热条件模拟。可根据设备舱的外形构建等高度或变高度的外围通道。由于舱体截面一般为矩形，因此可以在舱体外围采用四个矩形通道模拟外部对流换热。

29、(2.2)通道内对流换热系数计算可采用数值模拟方法，也可采用dittus-boelter管内湍流关联式等工程方法进行计算。若为矩形通道，其宽度b由设备舱侧面宽度决定，假设通道高度h，保证通道内设备舱各侧表面的对流换热系数应与第一步骤(1.1)中的换热系数α近似相等，从而可以得到通道的流量。若分别控制每个通道的供气参数，可获得每个通道的流量，从实现对每个通道的综合温度和供气流量的单独调节。

30、(2.3)对通道进出口温差进行校核和控制，当设备舱表面换热量达到热平衡时，得到

31、φ＝g·cp·δt   (5)

32、式中，cp-通道内气流定压比热容，j/(kg·k)；δt-通道内气流进出口温差，k；g-试验用空气流量，kg/s；φ-设备舱内试验件发热量。

33、由式(5)算得进出口温差，应保证换热温差δt在1-3℃以内。如不满足需求，则重新选取通道截面尺寸(通道高度)，重复(2.2)和(2.3)的计算，直至满足需求为止。

34、(2.4)虽然可以对每个通道的供气流量和综合温度单独控制，但是由于工程中舱体截面常为正方形，因此采用平均供气参数可以减少上游供气系统的复杂度，即在第一步骤进行综合温度计算时，将太阳辐射热量均分到四个表面，每个通道均使用同样的供气流量和综合温度，上游采用集中供气即可。

35、第三步骤：搭建太阳能无人机设备舱热环境试验系统，进行高温、低温和低气压条件下的设备舱热环境试验。

36、(3.1)将电子设备舱试验件放置于外部换热模拟通道中，并将两者放置于真空舱，其中外围通道的外部敷设气凝胶等类型的保温层，减少与外界的能量交换，连接供气管路和测量设备，搭建起太阳能无人机设备舱热环境试验系统。

37、(3.2)开启供气系统，据前述两个步骤获得综合温度和供气流量，调节供气流量和温度，开启真空系统，调整舱内大气高度和供气参数到达所需的试验条件。

38、(3.3)开启电子设备舱内的发热模拟件电源，调整所需的发热功率。

39、(3.4)记录供气参数、大气高度、电子设备舱内的空气温度、电子设备表面温度等参数，试验参数稳定后，依次关闭加热元件、真空系统和供气系统，结束试验。

40、(3.5)除了进行稳态试验外，也可以根据包线变化调整供气参数进行全包线内的动态环境试验，并考核评估热控措施的有效性。

41、本发明主要应用于太阳能无人机设备舱地面环境模拟试验，通过引入综合温度和对流换热等效模拟通道，弥补了一般环境试验模拟舱的风速模拟的不足，并简化了太阳辐射的模拟，解决了极端高/低温和低气压条件下同时进行设备舱外部对流换热和辐射换热模拟的问题。该发明包含融合外部对流换热和太阳辐射影响的综合温度的获取、设备舱外部等效换热通道的模拟、极端高温/低温和低压条件下环境试验三个步骤，在太阳能无人机研制的性能摸底阶段可以大幅降低环境试验系统的复杂度，同时由于太阳辐射的引入一般会使得综合温度高于环境温度，可以降低极端低温工况对制冷能力的需求，有效节约地面环境试验成本。