直升机动力舱主动热防护技术的现状及发展

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1．直升机动力舱主动热防护技术需求分析

直升机动力舱结构一般由整流罩、防火墙和进气道三部分组成，主要承受飞行中的气动载荷，为发动机等系统提供维护通道，并通过防火墙将发动机等高温部件与其余系统隔离。由于发动机及排气系统产生的热量，动力舱内存在显著高于其他位置的高温环境。大功率工况下整流罩上最高温度达到149℃，而直升机目前常用的复合材料最高长期使用温度仅120℃，长时间暴露在这样的热环境下将导致整流罩受损，在受损严重的情况下甚至会造成整流罩空中打开，严重影响飞行安全。因此，采取额外的热防护系统（Themal Protection System , TPS）以降低动力舱内温度对于动力舱结构安全性和可靠性至关重要。动力舱热防护的另一个应用场景为隔离保护布置在动力舱内部设备或周围的设备舱，使其不受动力舱高温影响，满足其内设备的温度控制要求。动力舱高温环境愈加严苛而复杂，优化重量和舱内容积，以及多功能一体化的结构设计要求，都对此类热防护技术提出了更高的挑战。

2．主动热防护的技术方法及特点

热防护系统根据防热原理的不同，可分为被动热防护、半被动热防护和主动热防护（1-2）。被动热防护中没有冷却工质带走热量，热量通过辐射向环境散失一部分后，余下热量依靠自身吸收储存、结构材料耐温或者隔热层阻挡，目前动力舱使用的加装隔热垫和隔热板等方式均属于此类方法，但其承热能力较小，主要受限于材料的耐热能力（3-4）；半被动热防护可以不需要施加外部辅助系统实现冷却工质对对热量的吸收与传递：主动热防护借用外部辅助动力来驱动各类冷却工质，通过各类冷却形式从结构带走或阻隔热量来保护结构件（3-4）。半被动热防护主要是烧蚀结构，其原理是通过材料烧蚀带走部分热量以及过程中产生的气体对结构件进行包裹以实现隔热（5）。相较于被动／半被动热防护，主动热防护（Active Thermal Protection System）具有冷却能力强、可以承受高密度热流的长时间加热、可以实现闭环温度控制、可重复使用等优点，从而成为目前研究的热点。

2.1发汗式主动热防护

发汗冷却是一种阻隔热量式冷却方式，冷却介质均匀地流出受热壁面形成绝热层。发汗冷却机理可以分为两个过程：首先是冷却介质在需冷却的工件和发汗介质内对流传热问题；其次是冷却介质在发汗介质表面流出形成的气体膜从而实现热量的阻隔。上述两个过程存在着显著的耦合作用：发汗介质内流体的传热特性影响壁面的温度分布及冷却介质的温度；发汗冷却的效果进一步影响着气膜对热量的阻隔，从而反过来影响固体壁面温度分布及冷却介质的温度。目前，根据发汗介质的不同，已经发展出了层板发汗冷却及烧结多孔介质发汗冷却等方案。

2.2薄膜式主动热防护

薄膜冷却与发汗冷却的冷却原理相近，区别在于冷却剂表面的喷出方式不同。发汗冷却的冷却剂由发汗介质多孔表面的孔中排出，而薄膜冷却则是通过结构上的缝隙将冷却剂在气流的上游位置喷入流动中，在结构表面形成一个薄的温度较低的隔热层，从而保证结构温度在一个较低的范围内，缝隙一般平行于气流方向（6-8）。由于缝隙和喷射的原因，薄膜冷却比发汗冷却需要消耗更多的冷却剂（9），其结构相较于发汗式主动热防护也更复杂。

2.3热管式主动热防护

热管是以金属圆管作为管壳，内壁贴附网状吸液芯，利用毛细作用使工质在圆管内流动。管路在封闭前进行抽真空处理并注入传热工质，在工作状态下液态工质在高温端吸热气化并在毛细作用下流向低温端凝结以形成循环，从而实现热里的高效转移。近年来，又出现了一种称为环路热管的热管结构，其存在独立的蒸汽和液体管线，而非传统热管的气相、液相共用同一管路。这使得环路热管可以在较小的温差，在更大的距离上吸收更多热量。这一结构已经在包括航天任务，航空任务乃至车辆系统中获得了应用。

2.4对流式主动热防护

对流冷却的工作原理与热管冷却类似，是利用结构内部的循环工质（冷却剂），将局部（部件）受到的热量转移，以避免热环境对部件的结构损伤（10）。飞行器对流式热防护主要可分为两种：冷却工质直接冷却和间接冷却。在冷却工质直接冷却方案中，冷却工质直接流经冷却通道进行冷却；而在间接冷却中采用一辅助流体流经冷却通道，然后通过一中间换热器与冷却工质换热进行冷却。在航天系统中，已经利用液体燃料作为冷却剂，利用被转移的热量对对液体燃料进行预加热处理，这一过程也被称为再生冷却（11）。

2.5混合式主动热防护

上述方案中，发汗式、薄膜式冷却伴随着冷却工质的流失，且结构往往比较复杂；对流冷却则需要采用输液泵、冷却流道及汇流装置，对于间接冷却还需辅助流体及换热器装置，这些额外部件均会增加系统的重量及复杂度，而轻量化对提升飞机的性能意义重大。因此，既能保证飞行器高温部位得到足够的冷却，又能维持结构气动外形且质量轻等众多制约条件的热防护技术一直是各国亟需解决的关键技术难题

（12-13）。而将各有特点的多种热防护方式结合，形成取长补短的多功能一体化的热防护方式，将成为热防护系统新的发展方向。

3 结论

主动热防护的研究国内外基本同步开展，至今已历时近50年的研究，相关技术已逐步从基础性研究，过渡到工程应用。基于直升机专业实际工程应用需要，未来对于各项主动热防护技术的需求会愈发强烈，开展符合实际需求的主动热防护技术研究及工程应用尝试，将是后续我国直升机技术发展的的重要课题。

参考文献

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