基于LNG的高速飞机热管理系统设计建模与分析

成超乾; 于鹏; 谢宗齐; 李洋; 焦宗夏

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27545

航空学报 >

2023 , Vol. 44 >Issue 10: 127545 - 127545

DOI: https://doi.org/10.7527/S1000-6893.2022.27545

流体力学与飞行力学

基于LNG的高速飞机热管理系统设计建模与分析

成超乾 ,
于鹏 ,
谢宗齐 ,
李洋 ,
焦宗夏

展开

^1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京　100191
^2.北京航空航天大学宁波创新研究院，宁波　315800
^3.北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院，北京　100191
^4.北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室，北京　100191
^5.北京航空航天大学先进航空机载系统工业和信息化部重点实验室，北京　100191
^6.北京空天技术研究所，北京　100074
^7.天目山实验室，杭州　311115

．E-mail： leeyoung303@buaa.edu.cn

收稿日期: 2022-05-31

修回日期: 2022-06-29

录用日期: 2022-09-15

网络出版日期: 2022-09-30

基金资助

国家自然科学基金(52272409);国家重点实验室基金(JSY6142219202105)

收起

Design simulation of thermal management system for hypersonic aircraft based on liquid natural gas

Chaoqian CHENG ,
Peng YU ,
Zongqi XIE ,
Yang LI ,
Zongxia JIAO

Expand

^1.School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 　100191，China
^2.Ningbo Institute of Technology，Beihang University，Ningbo 　315800，China
^3.Research Institute for Frontier Science，Beihang University，Beijing 　100191，China
^4.Science and Technology on Aircraft Control Laboratory，Beihang University，Beijing 　100191，China
^5.Key Laboratory of Advanced Aircraft Utility Systems，Ministry of Industry and Information Technology，Beihang University，Beijing 　100191，China
^6.Beijing Aerospace Technology Institute，Beijing 　100074，China
^7.Tianmushan Laboratory，Hangzhou 　311115，China

E-mail： leeyoung303@buaa.edu.cn

Received date: 2022-05-31

Revised date: 2022-06-29

Accepted date: 2022-09-15

Online published: 2022-09-30

Supported by

National Natural Science Foundation of China(52272409);National Key Laboratory Foundation of China(JSY6142219202105)

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摘要

针对高速飞机长时高速飞行过程中面临的机载热管理系统潜在超温问题，引入消耗性冷源液化天然气（LNG）设计了一种新型的热管理系统架构。面向最高巡航马赫数为7的完整飞行剖面，通过热管理系统动态仿真，对比分析了引入LNG前后，不同初始条件下机载设备、机身结构和发动机滑油冷却系统的温度。结果表明高速飞机通过引入LNG来提升热管理系统性能具有可行性。在未引入LNG并以燃油为主要热沉时，热管理系统在高速段和返航时由于热沉不足导致系统温控能力下降，机载系统可能存在长时间的超温现象。引入LNG后在高速段和返航时解决了超温问题，并得到了不同起飞环境温度下LNG的消耗量及引入LNG后的体积和重量代价，通过数据拟合得到LNG消耗量与起飞环境温度的经验公式，可为同类型系统设计提供了参考。

关键词： 高速飞机; LNG; 热管理系统; 温控性能; 代价评估

本文引用格式

成超乾 , 于鹏 , 谢宗齐 , 李洋 , 焦宗夏 . 基于LNG的高速飞机热管理系统设计建模与分析[J]. 航空学报, 2023 , 44(10) : 127545 -127545 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2022.27545

Abstract

To solve the overheated problem of the airborne Thermal Management System （TMS） on hypersonic aircraft.In this paper， when the hypersonic aircraft flies at high speed for a long time， designed a new type of TMS architecture by introducing expendable heat sink Liquid Natural Gas （LNG）. The maximum cruise speed of the flight profile is set to Mach number 7， the dynamic simulation of the TMS is carried out， analyzed the temperature of equipment， fuselage structure and engine oil when the hypersonic aircraft take off at different temperatures， compared the performance of TMS with and without LNG. The results show that the TMS equipped with LNG is feasible and the performance of TMS has been improved. If the TMS only use fuel and ram air as heat sink， not equipped with LNG， it will be overheated for a long time because the fuel heat sink is insufficient when hypersonic aircraft flies at high speed for a long time or return. After equipped with LNG， the overheated problem was solved. Meanwhile analyzed the consumption of LNG and the cost of aircraft volume and weight under different take-off temperatures. The empirical formula for LNG and take-off temperature are obtained by data fitting， It can provide a reference for the design of hypersonic aircraft’s TMS.

Key words： hypersonic aircraft; LNG; thermal management system; temperature control performance; compensation assessment

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