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機載電子艙冷卻系統質量優化的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510666277.2

申請日:

2015.11.11

公開號:

CN105260540A

公開日:

2016.01.20

當前法律狀態:

公開

有效性:

審中

法律詳情: 公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 北京航空航天大學
發明人: 龐麗萍; 羅坤; 徐捷; 劉猛; 陳云鵬
地址: 100191北京市海淀區學院路37號
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510666277.2

授權公告號:

法律狀態公告日:

2016.01.20

法律狀態類型:

公開

摘要

本發明涉及能量管理與輕量化領域,尤其是一種基于機載電子艙冷卻系統的質量優化方法,可以有助于對機載電子艙冷卻系統輕量化,減少燃油消耗,提升飛行性能。根據本發明的一個方面,提供了機載電子艙冷卻系統質量統計模型的建立方法。其特征在于:建立機載電子艙冷卻系統質量簡化模型,建立機載電子艙冷卻系統燃油代償損失質量模型,建立機載電子艙冷卻系統沖壓空氣補償燃油代償損失模型。根據本發明的另一個方面,提供了一種對對機載電子艙冷卻系統輕量化優化的方法,其特征在于:根據機載電子艙冷卻系統質量統計模型,引入拉格朗日方程,并對主要質量參數F1,F2,以及主要飛行參數Ce,τ0求偏導,得到關于上述4變量的方程組,求解該方程組,即可得到飛行過程中燃油代償損失最小的條件下最小系統總質量的最優解。

權利要求書

1.一種機載電子艙冷卻系統質量優化的方法,其特征包括:
建立機載電子艙冷卻系統質量簡化模型:
m = m c + m v = ( Σ i = 1 n F i δ i ρ i ) + ( a N + b ) + N e + πd l l ρ l + πd r 2 L r ρ r / 4 + πd e 2 L e ρ e / 4 ]]>
式中:
mc為機載冷卻系統固定質量, m c = ( Σ i = 1 n F i δ i ρ i ) + ( a N + b ) + N e + πd l l ρ l ; ]]>n=2,分
別代表冷凝器與蒸發器,
mv為機載冷卻系統可變質量, m v = πd r 2 L r ρ r / 4 + πd e 2 L e ρ e / 4 , ]]>
為換熱器質量,其中F為換熱器換熱面積,δ為換熱器平均壁厚,ρ為
換熱器密度,
(aN+b)為壓縮機,泵質量,其中N為系統總功耗,
N = L r ( m r c p r ) 3 / ( ρ r c p r 3 ) + L e ( m e c p e ) 3 / ( ρ e c p e 3 ) ]]>
a為部件功耗比質量,b為系統參數,
Ne為相關電源系統質量,其中e為供電系統比質量,
πdlLδlρl為管道質量,其中δ為管道壁厚,ρl為管材密度,L為管道長度
為管道內冷媒質量,其中dl,ρr為管道直徑、冷媒密度,Lr為管長。
為管道內冷卻液質量,其中de,ρe為管道直徑、冷卻液密度,Le為
管長。
2.根據權利要求1的方法,其特征在于燃油代償損失質量模型為
δm=δmc+δmv=mc[exp(ceτ0g/k)-1]+mv(k/ceτ0g)[exp(ceτ0g/k)-1]
式中
δmc為系統固定質量引起的燃油代償損失,δmc=mc[exp(ceτ0g/k)-1],
其中Ce為燃油比耗,K為飛行器的氣動質量,g為重力加速度,τ0為飛行時間。
δmv為系統可變質量引起的燃油代償損失,
δmv=mv(k/ceτ0g)[exp(ceτ0g/k)-1]。
3.根據權利要求1的方法,其特征在于沖壓空氣補償燃油代償損失質量模型為
δmr=-NCe[exp(ceτ0g/k)-1]。
4.根據權利要求1、2、或3的質量模型,其特征在于機載電子艙冷卻系統質量統計
模型為:
mtotal=mc+mv+δmc+δmv+δmr。
5.根據權利要求4的方法,進一步包括:
(a)引入拉格朗日方程,其中
F=mc+δmc+λ(mv+δmv-δmr)
(b)對函數F中變量F1,F2,以及Ce,τ0求偏導,得到方程組
F / F 1 = 0 F / F 2 = 0 F / C e = 0 F / τ 0 = 0 ]]>
(c)求解上述方程組,得到機載電子艙冷卻系統在燃油代償損失最小的條件下最
小系統總質量的最優解。
6.根據權利要求5的方法,其特征在于進一步包括:
建立機載電子艙冷卻系統質量簡化模型的步驟,
建立機載電子艙冷卻系統燃油代償損失質量模型的步驟,
建立機載電子艙冷卻系統沖壓空氣補償燃油代償損失模型的步驟,
建立機載電子艙冷卻系統質量統計模型的步驟,
對機載電子艙冷卻系統進行質量優化的步驟。

說明書

機載電子艙冷卻系統質量優化的方法

技術領域

本發明涉及能量管理與輕量化領域,尤其是一種基于機載電子艙冷卻系統的質量優
化方法。

背景技術

機載電子艙冷卻系統的輕量化能夠有效的減輕飛行器燃油的消耗并提升其飛行性
能,在飛行器質量優化中具有重要的地位。機載電子艙冷卻系統的固定質量部件主
要由換熱器,壓縮機,泵,閥門,管件等組成,可變質量主要由管路中的冷媒,冷
卻液等流體組成;目前,針對單一部件的質量,結構優化較多,但是對于機載電子
艙冷卻系統的質量結構的整體優化方法比較少,且沒有結合飛機實際飛行的特點。

發明內容

為了克服上述的問題,本發明提出了一種機載電子艙冷卻系統的綜合質量優化方法,
其可以有助于對機載電子艙冷卻系統輕量化,減少燃油消耗,提升飛行性能。

根據本發明的一個方面,提供了機載電子艙冷卻系統質量統計模型的建立方法。其
特征在于:建立機載電子艙冷卻系統質量簡化模型,建立機載電子艙冷卻系統燃油
代償損失質量模型,建立機載電子艙冷卻系統沖壓空氣補償燃油代償損失模型。

根據本發明的另一個方面,提供了一種對對機載電子艙冷卻系統輕量化優化的方法,
其特征在于:根據機載電子艙冷卻系統質量統計模型,引入拉格朗日方程,并對主
要質量參數F1,F2,以及主要飛行參數Ce,τ0求偏導,得到關于上述4變量的方程
組,求解該方程組,即可得到飛行過程中燃油代償損失最小的條件下最小系統總質
量的最優解。

根據本發明,提供了一種機載電子艙冷卻系統質量優化的方法,其特征包括:

建立機載電子艙冷卻系統質量簡化模型:

m = m c + m v = ( Σ i = 1 n F i δ i ρ i ) + ( a N + b ) + N e + πd l l ρ l + πd r 2 L r ρ r / 4 + πd e 2 L e ρ e / 4 ]]>

式中:

mc為機載冷卻系統固定質量, m c = ( Σ i = 1 n F i δ i ρ i ) + ( a N + b ) + N e + πd l l ρ l ; ]]>n=2,分
別代表冷凝器與蒸發器,

mv為機載冷卻系統可變質量, m v = πd r 2 L r ρ r / 4 + πd e 2 L e ρ e / 4 , ]]>

為換熱器質量,其中F為換熱器換熱面積,δ為換熱器平均壁厚,ρ為
換熱器密度,

(aN+b)為壓縮機,泵質量,其中N為系統總功耗,

N = L r ( m r c p r ) 3 / ( ρ r c p r 3 ) + L e ( m e c p e ) 3 / ( ρ e c p e 3 ) ]]>

a為部件功耗比質量,b為系統參數,

Ne為相關電源系統質量,其中e為供電系統比質量,

πdlLδlρl為管道質量,其中δ為管道壁厚,ρl為管材密度,L為管道長度

為管道內冷媒質量,其中dl,ρr為管道直徑、冷媒密度,Lr為管長。

為管道內冷卻液質量,其中de,ρe為管道直徑、冷卻液密度,Le為

管長。

具體實施方式

本發明提供了一種機載電子艙冷卻系統的綜合質量優化方法,在燃油代償損失最小
的約束下,實現冷卻系統輕量化的最優解,減少飛機燃油消耗,提升飛行性能。

圖1顯示了根據本發明的一個實施例,根據該實施例的一種機載電子艙冷卻系統的
綜合質量優化方法包括:

(1)建立機載電子艙冷卻系統質量簡化模型

對機載電子艙冷卻系統進行簡化,對冷卻系統部件進行區分,確定換熱器,壓縮機,
泵,閥門等部件的數量并將其進行編號,估算管道長度,確定管材材質。建立機載
電子艙冷卻系統質量簡化模型,以圖1為例,有

m = m c + m v = ( Σ i = 1 n F i δ i ρ i ) + ( a N + b ) + N e + πd l l ρ l + πd r 2 L r ρ r / 4 + πd e 2 L e ρ e / 4 ]]>

式中:

mc為機載冷卻系統固定質量, m c = ( Σ i = 1 n F i δ i ρ i ) + ( a N + b ) + N e + πd l l ρ l ; ]]>

為換熱器質量,其中F為換熱器換熱面積,δ為換熱器平均壁厚,ρ為
換熱器密度,n=4,分別代表圖1中的液-液蒸發器、液-液冷凝器、氣-液換熱
器、液-燃油換熱器。

(aN+b)為壓縮機,泵質量,其中a為部件功耗比質量,b為經驗系數,N為系統
總功耗。

Ne為相關電源系統質量,其中e為供電系統比質量,

πdlLδlρl為管道質量,其中δ為管道壁厚,ρl為管材密度,L為管道長度

為管道內冷媒質量,其中dl,ρr為管道直徑、冷媒密度,Lr為管長。

為管道內冷卻液質量,其中de,ρe為管道直徑、冷卻液密度,Le為
管長。

(2)建立燃油代償損失質量模型

燃油代償損失質量模型由兩部分組成,其一為系統固定質量引起的燃油代償損
失,用δmc表示,δmc=mc[exp(ceτ0g/k)-1],其中Ce為燃油比耗,K為飛行器的
氣動質量,g為重力加速度,τ0為飛行時間。其二為系統可變質量引起的燃油代
償損失,用δmv表示,δmv=mv(k/ceτ0g)[exp(ceτ0g/k)-1],所以,燃油代償損失
質量模型可以表示為

δm=δmc+δmv=mc[exp(ceτ0g/k)-1]+mv(k/ceτ0g)[exp(ceτ0g/k)-1]

(3)建立機載電子艙沖壓空氣補償燃油代償損失質量模型

由于該冷卻系統采用封閉回路,冷端使用冷卻液作為介質,減少了沖壓空氣的引
入,故而存在沖壓空氣補償燃油代償損失質量,其模型可以表示為

δmr=-NCe[exp(ceτ0g/k)-1],由于間接的減少了質量,所以是負值。

(4)建立機載電子艙冷卻系統質量統計模型

綜上可以得到機載電子艙冷卻系統質量統計模型,其可以表示為,

mtotal=mc+mv+δmc+δmv+δmr。

(5)針對機載電子艙冷卻系統質量統計模型,對其進行優化,其方法如下,
引入參數λ,構建拉格朗日方程,如下所示:

F=mc+δmc+λ(mv+δmv-δmr),對對主要質量參數F1,F2,以及主要飛行參數Ce,
τ0求偏導,構建方程組如下所示,

F / F 1 = 0 F / F 2 = 0 F / C e = 0 F / τ 0 = 0 , ]]>聯立求解該方程組,可以得到機載電子艙冷卻系統在燃油代償損失
最小的條件下最小系統總質量的最優解。

本發明與現有的飛行器質量優化方法相比具有以下優點:

(1)建立了機載電子艙冷卻系統質量統計模型,充分考慮了冷卻系統各個組件對
于全系統的影響,提高了模型的準確性,為得到最優解做好了鋪墊。

(2)基于機載電子艙冷卻系統的輕量化,既滿足了飛行器能量管理的要求,也全
面的分析了全系統的質量構型,彌補了飛行器結構與熱優化過程中,能量管
理與質量管理兩者無法良好統一的缺陷。

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機載 電子 冷卻系統 質量 優化 方法
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