[发明专利]一种高空飞行器太阳能电池板与螺旋桨电机联合散热装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种高空飞行器太阳能电池板的强制对流散热和温差发电装置，其目的是根据高空飞行器太阳能电池板的温度控制要求、满足电池板工作温度条件，设计出一种适用于工作高度为3万米左右、单次连续飞行航时大于48小时的高空飞行器太阳能电池板的散热装置。同时，为尽量减小散热装置的结构重量，尽量精简散热装置的构成，采用了直接引用螺旋桨尾部气流来进行散热的方法。具体涉及模型几何尺寸的确定、引气结构的外形与尺寸确定、冷却通道的设计与排布等问题。

背景技术

随着科技发展和信息化作战概念的提出，在20～50km的高空(即临近空间)的战略价值越来越高，而在这个高度飞行的飞行器由于独特的气温、气压等环境因素，使得热控方法不同于通常的航空飞行器和航天器，但又兼具航空器和航天器的特点。太阳照射条件下，太阳能电池板的上表面温度可达到100℃以上，超过了可以正常工作的条件，因此在如此严酷的工作条件下，散热设计就变得非常重要。同时，飞行器的重量也是需要重点考虑的设计因素，为了尽量减少由散热而带来的重量增加，本发明直接采用螺旋桨尾部气流来对太阳能电池板进行散热。

30km工作高度上的空气比较稀薄，不利于太阳能电池板表面与大气环境的对流散热，但由于空气温度低至-40℃，与电池板表面温差较大，因此可以通过加强强制对流散热来实现太阳能电池板的散热要求。相比较于辐射换热，平流层底部空间的热环境下，对流换热的作用明显大于辐射换热，而本发明采用的直接引进螺旋桨尾部气流为太阳能电池板散热又将大大减轻散热系统的重量，减少飞行过程中的能量消耗，直接引入的螺旋桨尾部气流流过螺旋桨电机的同时，也将加强安装了翅片的电机散热效果。同时，螺旋桨后部气流受螺旋桨影响，桨盘后出现滑流，这也是螺旋桨气流的重要特征。滑流区气流绝对速度增加，且有旋转运动，因此对螺旋桨后部的气动部件有着重要的影响。因此选择采用与螺旋桨飞机发动机短舱进气道类似的结构进行引气，对飞机螺旋桨的气动效率也有一定的提高。而遍布于机翼内的冷却流道保证了引进的高速冷空气能够从每个电池板的两个方向对太阳能电池板进行冷却，从而达到所需工作温度条件。

综上所述，目前针对高空飞行器的散热设计还没有利用螺旋桨尾部气流直接引气散热设计的出现，需要解决包括模型几何尺寸的确定、引气结构的外形与尺寸确定、电机翅片的确定、冷却通道的设计与排布等问题。

发明内容

本发明技术解决问题：解决目前还没有的高空飞行器利用螺旋桨尾部气流直接引气散热设计，将短舱进气和内流道对流散热结合起来，最后进行整合来达到所要求的工作条件。

本发明基于强制对流换热的原理，而不使用风机对气流进行加速，使用螺旋桨后部的高速低温气流，直接引进气流进入冷却流道，进行预定的散热设计达到冷却效果。太阳能电池板放置于飞行器机翼的上表面，接受太阳光照射，在产生电能的同时发热，温度可达100℃以上，将强制对流的进气通道布置于机翼的前部螺旋桨位置的正后方，辅以类似发动机短舱的进气道设计，通过冷却通道将冷空气输送到太阳能电池板的下方与前后左右四周。这样的排布方式，技能解决螺旋桨后气流由于产生涡旋不容易进气的问题，也在另外一个方面提高了螺旋桨的气动效率。

本发明采用的技术方案由如下两大部分构成：

1.类似发动机短舱的进气道。气流受螺旋桨影响，桨盘后出现滑流，这是螺旋桨气流的重要特征之一。滑流区气流绝对速度增加，且有旋转运动，因此对螺旋桨后部的气动部件有着重要的影响。因此在对螺旋桨尾部气流进行引进时需考虑到该复杂的情况，不能采用单纯地在机翼前缘开孔的方式进行进气，而采用类似发动机短舱进气道的方式。由于进气口空气流速快温度低，且螺旋桨电机属于集中热源，故螺旋桨电机的冷却采用翅片冷却方式。

2.分布于机翼内的冷却通道。通过进气道的引气，外界的低温高速空气进入到机翼中，通过遍布于太阳能电池板前后左右(远端还有下方流道)的冷却通道实现对电池板的冷却功能。空气通过冷却通道后，由位于机翼后缘的出口排出。

附图说明

图1是太阳能电池板在机翼表面的排布方式示意图

图2是冷却通道安排示意图

图3是飞机螺旋桨的安装位置图

图4是进气道短舱与机翼结合方式示意图

图5是进气道短舱外形结构示意图

图6是螺旋桨电机的散热肋片布置图

图7是冷却气体的排气口示意图

图8是整个发明的系统总图

具体实施方式