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

Chaoqian CHENG, Peng YU, Zongqi XIE, Yang LI, Zongxia JIAO. Design simulation of thermal management system for hypersonic aircraft based on liquid natural gas[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(10): 127545-127545.

Figures/Tables 33

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References 24

1	颜瑾钊. 赫尔墨斯高超声速客机研制进展［J］. 航空动力，2020（3）： 11-14.
	YAN J Z. The progress of Hermeus hypersonic jet［J］. Aerospace Power， 2020（3）： 11-14 （in Chinese）.
2	董芃呈，韩玉琪，刘金超. 宽适应性高超声速空天动力技术发展分析［J］. 航空动力，2020（6）： 25-30.
	DONG P C， HAN Y Q， LIU J C. Development analysis of hypersonic aerospace power technology with wide adaptability［J］. Aerospace Power， 2020（6）： 25-30 （in Chinese）.
3	王俊伟，刘都群，张灿. 2021年国外高超声速领域发展综述［J］. 战术导弹技术，2022（1）：29-37.
	WANG J W， LIU D Q， ZHANG C. Review of hypersonic development abroad in 2021［J］. Tactical Missile Technology，2022（1）：29-37 （in Chinese）.
4	汪丰麟，朱启超，张杰. 美国高超声速武器发展现状与得失简析［J］. 国防科技，2022，43（1）：38-51.
	WANG F L， ZHU Q C， ZHANG J. Analyzing the development of hypersonic weapons by the US［J］. National Defense Technology，2022，43（1）：38-51 （in Chinese）.
5	王在铎，王惠，丁楠，等. 高超声速飞行器技术研究进展［J］. 科技导报，2021，39（11）：59-67.
	WANG Z D， WANG H， DING N，et al. Research on the development of hypersonic vehicle technology［J］. Science & Technology Review，2021，39（11）：59-67 （in Chinese）.
6	马娜，门薇薇，王志强，等. SR-72高超声速飞机研制分析［J］. 飞航导弹，2017（1）：14-20.
	MA N， MEN W W， WANG Z Q，et al. Development and analysis of SR-72 hypersonic aircraft［J］. Aerodynamic Missile Journal，2017（1）：14-20 （in Chinese）.
7	李文杰，林旭斌. NASA启动高超声速飞机研究［J］. 飞航导弹，2021（5）：9-12.
	LI W J， LIN X B. NASA launches research on hypersonic aircraft［J］. Aerodynamic Missile Journal，2021（5）：9-12 （in Chinese）.
8	廖孟豪，李宪开，窦相民. 美国高超声速作战飞机气动布局演化分析［J］. 航空科学技术，2020， 31（11）： 3-6.
	LIAO M H， LI X K， DOU X M. Evolution analysis of aerodynamic configuration of hypersonic military aircraft in USA［J］. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（11）： 3-6 （in Chinese）.
9	王佩广，刘永绩，王浚. 高超声速飞行器综合热管理系统方案探讨［J］. 中国工程科学，2007，9（2）：44-48.
	WANG P G， LIU Y J， WANG J. Discussion on integrated environment control/thermal management system concepts for hypersonic vehicle［J］. Engineering Science， 2007， 9（2）： 44-48 （in Chinese）.
10	李新春，王中伟. 高超声速飞行器的热电技术热管理系统参数［J］. 国防科技大学学报，2016，38（2）：43-47，86.
	LI X C， WANG Z W. Parametric of an integrated thermoelectric generation thermal management system for hypersonic vehicle［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2016， 38（2）： 43-47， 86 （in Chinese）.
11	刘建，侯金丽，张波，等. 高超声速组合循环发动机综合热管理技术需求分析［C］ ∥ 中国航天第三专业信息网第三十八届技术交流会暨第二届空天动力联合会议， 2017： 74-83.
	LIU J， HOU J L， ZHANG B，et al. Demand analysis of comprehensive thermal management technology for hypersonic combined cycle engine［C］ ∥ Proceedings of the 38th Technical Exchange Conference of China Aerospace Third Professional Information Network and the 2nd Aerospace Power Joint Conference， 2017： 74-83 （in Chinese）.
12	桂业伟，刘磊，魏东. 长航时高超声速飞行器的综合热效应问题［J］. 空气动力学学报，2020，38（4）：641-650.
	GUI Y W， LIU L， WEI D. Combined thermal phenomena issues of long endurance hypersonic vehicles ［J］. Acta Aerodynamica Sinica，2020，38（4）：641-650 （in Chinese）.
13	MAO Y F， Li Y Z， WANG J X，et al. Cooling ability/capacity and exergy penalty analysis of each heat sink of modern supersonic aircraft［J］. Entropy （Basel Switzerland）， 2019， 21（3）： 223.
14	于喜奎，毛羽丰. 高超声速飞机热管理系统控制模型构建与仿真［J］. 航空动力学报，2018，33（3）：741-751.
	YU X K， MAO Y F. Research and simulation of hypersonic aircraft thermal management system and its control model［J］. Journal of Aerospace Power， 2018， 33（3）：741-751 （in Chinese）.
15	马喆，张兴娟，杨春信. 高超声速飞行器热防护的布雷顿热电转化技术［J］. 战术导弹技术，2014（4）：20-25.
	MA Z， ZHANG X J， YANG C X. Analysis of brayton thermoelectric conversion method for thermal protection of hypersonic aircraft［J］. Tactical Missile Technology， 2014（4）： 20-25 （in Chinese）.
16	甄华萍，蒋崇文. 高超声速技术验证飞行器HTV-2综述［J］. 飞航导弹，2013（6）：7-13.
	ZHEN H P， JIANG C W. Summary of hypersonic technology verification of aircraft HTV-2［J］. Aerodynamic Missile Journal， 2013（6）： 7-13 （in Chinese）.
17	高峰，袁修干. 高性能战斗机燃油热管理系统［J］. 北京航空航天大学学报， 2009， 35（11）： 1353-1356.
	GAO F， YUAN X G. Fuel thermal management system of high performance fighter aircraft［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2009， 35（11）： 1353-1356 （in Chinese）.
18	ROBERTS R A， NUZUM S R， WOLFF M. Liquefied natural gas as the next aviation fuel［C］ ∥ 13th International Energy Conversion Engineering Conference. Reston： AIAA， 2015.
19	李宪开，王霄，柳军，等. 水平起降高超声速飞机气动布局技术研究［J］. 航空科学技术， 2020， 31（11）： 7-13.
	LI X K， WANG X， LIU J， et al. Research on the aerodynamic layout design for the horizontal take-off and landing hypersonic aircraft［J］. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（11）： 7-13 （in Chinese）.
20	孙启荣. 组合动力技术比较及TBCC关键技术展望［J］. 科技视界， 2021（10）： 50-52.
	SUN Q R. Comparison of combined power technologies and prospect of key technologies of TBCC［J］. Science & Technology Vision， 2021（10）： 50-52 （in Chinese）.
21	刘建，王清平. 空天组合动力对先进结构热防护技术的需求分析［C］ ∥ 中国航天第三专业信息网第三十九届技术交流会暨第三届空天动力联合会议， 2018： 218-228.
	LIU J， WANG Q P. Demand analysis of aerospace combined power for advanced structural thermal protection technology［C］ ∥ Proceedings of the 39th Technical Exchange Conference and the 3rd Aerospace Power Joint Conference of China Aerospace Third Professional Information Network， 2018： 218-228 （in Chinese）.
22	侯淋，刘青，张香文. 面向高超声速飞行的碳氢燃料吸热反应研究进展［J］. 化学工业与工程，2022，39（5）：1-10.
	HOU L， LIU Q， ZHANG X W. Progress on endothermic reactions of hydrocarbon fuel for hypersonic flight［J］. Chemical Industry and Engineering， 2022， 39（5）： 1-10 （in Chinese）.
23	白帅帅，糜基，姚晨阳，等. 高能量密度碳氢燃料JP-10的热裂解研究进展［J］. 石油学报（石油加工）， 2022， 38（4）：980-994.
	BAI S S， MI J， YAO C Y， et al. Research advances in pyrolysis of high energy-density hydrocarbon fuel JP-10［J］. Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2022， 38（4）： 980-994 （in Chinese）.
24	姬亚军，杨鸿辉，刘朝晖，等. 吸热型碳氢燃料高温结焦抑制方法研究进展［J］. 石油学报（石油加工）， 2021， 37（2）： 447-457.
	JI Y J， YANG H H， LIU Z H， et al. Research progress of coking suppression methods for endothermic hydrocarbon fuels at high temperatures［J］. Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section）， 2021， 37（2）： 447-457 （in Chinese）.

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

[1]	Rong HAN, Wei LIU, Xiaoliang YANG. Dynamic drag reduction mechanism of self-aligned aerodisks on hypersonic aircraft [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(4): 126633-126633.
[2]	ZUO Linxuan, ZHANG Chenlin, WANG Xiao, LU Enwei, ZHU Wei. Requirement of hypersonic aircraft power [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2021, 42(8): 525798-525798.
[3]	LIU Zhikan, LIU Shenshen, LIU Xiao, ZENG Lei, DAI Guangyue. RBF data transfer based on physical gradient modification [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2021, 42(7): 124506-124506.
[4]	LI Xiang, FU Bo. Thermal test technique of complex structure of hypersonic aircraft [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2016, 37(S1): 73-79.
[5]	WU Dafang, WANG Yuewu, SHANG Lan, PU Ying, WANG Huaitao. Test research and numerical simulation on thermal modal of plate structure in 1200℃ high-temperature environments [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2016, 37(6): 1861-1875.

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

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