Файл: Райков Л.Г. Нагрев летательных аппаратов в полете.pdf

более эффективные методы охлаждения. Применение того или иного способа охлаждения зависит от конкретных условий.

Рассмотрим существующие методы защиты от нагрева­ ния электрического оборудования. Наиболее температуро­ нагруженной частью электрической системы является гене­ ратор. Для обеспечения надежной работы! температуры^ деталей генераторов ограничиваются. Ниже приводятся при­ мерные значения предельных температур '(в градусах Цельсия) для некоторых материалов и деталей генера­ торов:

—смазка подшипников— 135;

—сталь для подшипников — 260;

—коллекторы, контактные кольца — 225;

—изоляционные материалы — 255.

Превышение указанных температур приводит к ненор­ мальной работе деталей и агрегатов. Диэлектрики с превы­ шением допустимой температуры! вообще утрачивают меха­ ническую и электрическую прочность. При увеличении температуры сопротивление полупроводниковых материа­ лов увеличивается и, следовательно, возрастает выделение ими тепла. К тому же в этих условиях усиливается поверх­ ностное окисление, что еще более увеличивает сопротив­ ление.

С увеличением температуры плотность магнитного по­ тока в ферромагнитных материалах начинает убывать. Для сохранения плотности магнитного потока приходится уве­ личивать площади поперечного сечения материалов, чго приводит к возрастанию веса генераторов.

В настоящее время разрабатываются генераторы с ха­ рактеристиками, не зависящими от условий внешней среды. В таких генераторах выделяемое тепло поглощается испа­ ряющейся жидкостью, вводимой внутрь генератора непо­ средственно или в специальное испарительное устройство. Пар из системы выводится наружу самолета. Вес таких си­ стем охлаждения пропорционален времени полета.

Более широкое применение на сверхзвуковых летатель­ ных аппаратах находят'генераторы, в которых тепло отво­ дится с помощью замкнутой системы охлаждения. При этом чаще всего используется жидкостное (масляное) охлажде­ ние. Масло, циркулирующее через генератор и отбирающее тепло, охлаждается во внешнем теплообменнике. Макси­ мальная температура масла ограничивается рабочей тем­ пературой генератора и свойствами масла. Масляная си-

81

схема охлаждения позволяет применить более компактную конструкцию генератора и объединить систему охлаждения с гидроприводом. Для охлаждениямасла используются либо охлажденный воздух, либо топливо из топливной системы, либо различные испаряющиеся холодильные агентьк

Новым типом авиационных генераторов переменного тока является бесщеточный генератор, работа которого не зависит от внешних условий.

Одной из основных составных частей самолетной си­ стемы электроснабжения является система управления и защиты, выполняющая функции включения и выключения обмотки возбуждения генератора. При параллельной ра­ боте генераторов эта система ведет также наблюдение за автоматическим включением и отключением выключателей шин. В комплект системы защиты и управления входят чувствительные электромеханические и тепловые реле, от­ регулированные с большой точностью в определенных окру­ жающих условиях. При нагреве работа таких реле нару­ шается. В настоящее время систему защиты и управления делают на кремниевых триодах, мало зависящих от темпе­ ратуры!.

В условиях высоких температур возникают трудности в обеспечении нормальной работы и остальной аппаратуры электрической системы. Это относится, в частности, к трансформаторам. В настоящее время создаются трансфор­ маторы, рассчитанные на максимальную рабочую темпера­ туру 500° С. Обмотка таких трансформаторов выполняется из медной проволоки с никелевым покрытием и стеклянной изоляцией. Сердечник трансформатора собирается из пла­ стин кремнистой стали. В обмотку для лучшего рассеяния тепла помещаются медные пластинки, а промежутки за­ полняются тугоплавким материалом. Весь трансформатор заключается в вакуумный корпус из нержавеющей стали.

Большие сложности возникают при охлаждении элек­ тронного оборудования. В настоящее время верхний тем­ пературный предел электронного оборудования на самоле­ тах поднят до 150° С, на ракетах — примерно до 430° С. Чтобы не допустить превышения указанных температур, применяют различные системы! охлаждения. Последним достижением в этой области является применение жидких хладагентов. Так, на управляемом снаряде «Файстрик» (Англия), имеющем скорость, соответствующую числу

82

М = 2,5 на высоте / / = 15 000 м, оборудование охлаж­ дается с помощью жидкого аммиака, находящегося в баке.

Для улучшения охлаждения электронного оборудования применяют его агрегатирование, т. е. объединяют несколько деталей, образуют герметизированные цепочки из отдель­ ных сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Кроме того, сами приборы электронного' оборудования выпол­ няются из термостойких материалов. В настоящее время

некоторые полупроводники из карбида кремния выдержи­ вают температурь» до 1400° С. Налаживается выпуск термо­ стойких керамических ламп.

Кроме названных способов охлаждения электронной аппаратуры, применяют метод пассивного охлаждения, основанный на использовании скрытой теплоты плавления различных веществ. При этом методе охлаждения тепло отбирается специальным теплопоглощающим веществом. Достоинствами этого способа тепловой защиты оборудова­ ния являются малый вес, компактность, возможность мно­ гократного использования и др. Температура плавления теплопоглощающего вещества выбирается такой, чтобы она лишь незначительно превышала максимально допусти­ мую температуру блока. Теплопоглощающее вещество остается в твердом состоянии до тех пор, пока темпера­ тура блока находится в допустимых пределах, и действует как теплоемкость, поглощающая тепло, которое поступает от блока и от окружающей средь». Забирая тепло, тепло­ поглощающее вещество осуществляет тепловую защиту и поддерживает заданную максимальную температуру блока лишь в течение времени, необходимого для перехода всего вещества из твердого состояния в жидкое.

Вещества, используемые для пассивного охлаждения, должны обладать большой скрытой теплотой плавления, хорошей стабильностью при цикличном изменении темпе­ ратуры, а также низкой электропроводностью и не дол­ жны вызывать коррозии. Этим условиям лучше всего удов­ летворяют органические соединения жирных кислот, эфи­ ров и высших спиртов.

Количество тепла, поглощаемое таким веществом, зави­ сит от величины теплопроводности, теплопередачи и радиа­ ции. Передачу тепла стремятся осуществить через про­ странство между экраном и внутренним кожухом прибора, а также через воздушную прослойку (воздушная прослойка

83

является одним из лучших термоизоляторов). Повышение отражательной способности экрана и кожуха достигается хромированием и полировкой.

Примером такой системы охлаждения может служить система, показанная на ряс. 30 справа. Эта система защиты оборудования может снижать температуру до 93° С в тече­ ние 19 мин при внешней температуре 177° С на высоте 12 200 м. На больших высотах время защиты увеличивается вследствие уменьшения количества тепла, передающегося конвекцией теплопоглощающему веществу.

метизацию. Оборудование заключено в контейнеры, кото­ рые устанавливаются на специальной полке. В полке имеются каналы для подачи охлаждающего воздуха ко всем контейнерам. Отверстие для охлаждающего воздуха в нижней части задней стенки контейнера автоматически соединяется с воздушным каналом полки при установке на нее контейнера. Такое централизованное во-здушное охлаждение позволило исключить вентиляторы для каж­ дого отдельного блока.

Особенности конструкции систем

Повышение температур среды отсеков вызывает нагре­ вание различных агрегатов систем летательного аппарата. Обеспечение надежной работы! систем в этих условиях свя­ зано с определенными трудностями.

84

Т о п л и в н ы е с и с т е мы.

Значительный нагрев топливных систем прежде всего привел к необходимости изменения методов перекачки и подкачки топлива из баков к двигателям. Наиболее надеж­ ным методом перекачки топлива при высоких температу­ рах является вытеснение топлива из баков инертным га­ зом. Однако доводка такой системы весьма трудоемка. Любое резкое колебание уровня топлива хможет привести к подаче в двигатель вместо топлива инертного' газа, а сле­ довательно', к перебоям в работе двигателя и к снижению давления газа над топливом. Кроме того, всякое связанное с этим повышение давления в баках заставляет делать их более прочными, т.ре. более тяжелыми.

Р и с . 31. Сверхзвуковой бомбардировщик В-70

В топливных баках, являющихся частью конструкции, нагрев топлива происходит значительно интенсивнее. Для уменьшения нагрева в этом случае применяют теплоизо­ ляцию.

Известно, что на проектируемом самолете В-70 (рис.31), рассчитанном на полет со скоростью, соответствующей числу М = 3, температура обшивки крыла может превзойти 260° G и удерживаться на этом уровне более трех часов. На этом самолете топливные баки — отсеки крыла — будут изолированьи от нагревающейся вследствие трения о воздух

в отсеках летательного аппарата используются системы кондиционирования. Кроме регулирования температуры воздуха в отсеке, система кондиционирования выполняет

и ряд других функций. Так, при полете на больших высо­ тах требуется повышенная влажность воздуха, подавае­ мого в кабину экипажа. Для этой цели в системах конди­ ционирования предусматривается увлажнитель воздуха. С помощью такой системы влажность в отсеках поддер­ живается на определенном уровне. Для удаления излиш­ ней влаги воздух системы* пропускается через фильтр и инерционный сепаратор, в котором укрупненные капли улавливаются и выводятся наружу.

Рис. 32. Схемы систем охлаждения кабин и отсеков обо­ рудования:

а — с воздушным циклом; б — с испарительным циклом

Для очистки воздуха в системах кондиционирования ставятся фильтрьи, удаляющие пыль, масляные пары, та­ бачный дым и т. п.

В настоящее время применяются два основных типа систем охлаждения (рис. 32): с воздушным циклом и с испарительным.

Системы с воздушным циклом обладают двумя важней­ шими достоинствами: высокой удельной холодопроизводительностью агрегатов небольших размеров и веса и непо­ средственным использованием воздуха как для охлажде­ ния, так и для питания систем наддува. При этом воздух выпускается в атмосферу. В системе воздушного цикла охлаждение воздуха осуществляется путем его отбора от источника высокого давления (компрессора). Воздух про­ ходит предварительное расширение в воздушной турбине, совершая работу. При этом в турбине не только снц-

86

Жается Давление воздуха, но и существенно уменьшается, температура.

Различают три вида систем охлаждения с воздушным циклом в зависимости от примененного в них турбохоло­ дильника. В одном случае используется турбохолодильник с «поддувом», в другом — холодильник турбовентилятор­ ного типа, в третьем турбохолодильник работает по прин­ ципу регенеративного цикла.

Цикл с «поддувом» обеспечивает расчетное охлажде­ ние в широком диапазоне условий полета. В этом случае система питается из воздухозаборника набегающим пото­ ком воздуха, необходимое снижение температуры! которого достигается с помощью добавочного испарительного водя­ ного охлаждения или охлаждения топливом.

Всистеме регенеративного цикла воздух отводится от компрессора двигателя и проходит через воздухо-воздуш­ ный теплообменник, а затем через турбохолодильник, после чего поступает к потребителям. Воздух, выходящий из ка­ бины, не выбрасывается наружу, а проходит через упомя­ нутый выше теплообменник и выходит наружу через сопло, чем достигается наиболее полное использование его энер­ гии. Установка вентилятора или компрессора, приводимого турбиной турбохолодильника, усиливает циркуляцию воз­ духа.

Сложное механическое оборудование системы! конди­ ционирования нуждается в тщательном уходе при эксплуа­ тации. Особого внимания в эксплуатации требует смазка подшипников турбохолодильников.

Всистеме испарительного цикла охлаждение дости­ гается путем отвода тепла от воздуха к испаряющемуся жидкому хладагенту. В качестве жидкости, охлаждающей воздух, используются: смесь из воды и гликоля, вода, ам­ миак, кислород, углерод, азот, фреон. Тепло от такой жидкости отводится в испарителе.

Рассмотрим для примера систему охлаждения сверхзву­ кового самолета В-58 (рис. 33).

Система кондиционирования воздуха на самолете В-58

служит для наддува кабины экипажа, топливных баков и отсеков электронного оборудования, а также для охлаж­ дения (а иногда и обогрева) кабины и электронного обору­ дования, для очистки остекления фонаря кабины от дождя, для предотвращения обледенения и запотевания стекол фо­ наря кабины и обледенения воздухозаборников двигателя. Кроме того, по отдельному воздухопроводу воздух по-

Дается к стартеру двигателя. В последней модификаций самолета с помощью системы охлаждения предусматри­ вается ’ также регулирование температуры! в подвесной гондоле.

Система спроектирована таким образом, что даже в случае выхода из строя любого агрегата остальные узлы и агрегаты системы сохраняют работоспособность.

Рис. 33. Система кондиционирования современного сверхзвукового бомбардировщика В-58

Система кондиционирования самолета работает следую­ щим образом. Воздух, отбираемый от компрессора ТРД, охлаждается в первичном теплообменнике воздухом встречного потока. После этого охлажденный воздух сжи­ мается компрессором турбохолодильника и снова охлаж­ дается во вторичном воздухо-воздушном теплообменнике опять-таки воздухом встречного потока.

Воздух для охлаждения отбирается из воздухозабор­ ников двигателей самолета. При полете на малых скоро­ стях и работе на земле расход охлаждающего воздуха незначителен. Такой расход легко обеспечивается с по­ мощью эжектора, работающего на воздухе, отбираемом от

88

Компрессора ТРД через щель в задней кромке пилона уста­ новки двигателя.

После вторичного теплообменника воздух направляется в водяной испаритель (рис. 34). Когда температура воз­ духа за вторичным теплообменником превысит темпера­

ционного типа, удаляющий из воздуха свободную влагу в виде капель или льда и предотвращающий тем самым обра­ зование тумана и инея в кабине.

На самолете имеются две установки кондиционирова­ ния. Они расположены в пилонах и крыле под внутрен­

от соответствующего двигателя. В случае если один из двигателей по какой-либо причине не работает, то второй может обслуживать обе установки.

Холодный воздух, выходящий из установок, направ­ ляется по каналам для охлаждения отсека электронного оборудования и кабины экипажа. Если кабина экипажа загерметизирована, то воздух выходит из нее через кон­ тейнеры электронного оборудования и клапан регулиро­ вания давления. Если же кабина не загерметизирована, то воздух сначала проходит контейнеры электронного обо­ рудования и только потом поступает в кабину. Такое пере­ ключение системы осуществляется специальных! модели-

89