基于LNG的高速飞机热管理系统设计建模与分析

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27545

Abstract

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

CLC Number:

V245

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Figures/Tables 33

Fig. 1

Fig. 2

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参数	数值或属性
起飞重量/ t	50
燃油携带量/ t	>30
飞行马赫数Ma	>7
驾驶方式	无人
飞行时长/ h	>1
飞行高度/ km	>30
发动机类型	TBCC
燃油类型	JP8
空气循环系统类型	四轮空气循环机
主循环回路	燃油循环
次循环回路	PAO（聚α烯烃）
消耗性热沉	LNG

起飞环境温度/℃	LNG 消耗量/L	起飞环境温度/℃	LNG 消耗量/L
22	0	32	49.1
23	0	33	71.3
24	0	34	96
25	0	35	133
26	0	36	177
27	0	37	240
28	0.82	38	320
29	6	39	398
30	14.3	40	478
31	30.1	41	547

TMS方案	LNG方案	液氨方案^［14］
消耗性热沉所需质量/kg	12.6	15
最高飞行马赫数Ma	7	4
最大飞行高度/km	30	30
飞行时长/s	3 600	3 500
循环回路	PAO+燃油	水
结构热载荷功率峰值/kW	220	80
设备热载荷功率峰值/kW	180	100
总热负载平均功率/kW	≈217	≈121
携带燃油总质量/t	30	18
燃油初始温度/℃	31	≈25
消耗性热沉存储温度/K	110	239
毒性/腐蚀性/挥发性	无	有
可燃烧性	有	无

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

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