民航應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)力熱防護(hù)設(shè)計(jì)研究

楊立明 劉亮堂 洪元 周旭 吳文才

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100194；2.中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102206）

0.引言

應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)（Emergency Locator Transmitter，簡(jiǎn)稱ELT）是一臺(tái)可以獨(dú)立工作的航空多用途緊急定位發(fā)射機(jī)，在飛機(jī)正常飛行過程中，發(fā)射機(jī)一直處于待機(jī)狀態(tài)，不工作。當(dāng)發(fā)生緊急狀況后，發(fā)射機(jī)通過人為操作觸發(fā)或通過沖擊撞擊觸發(fā)啟動(dòng)后，由GPS和BD接收天線接收GPS和BD導(dǎo)航信號(hào)，完成導(dǎo)航定位，再通過天線發(fā)送121.5MHz、243.0MHz、406.0MHz 3個(gè)固定頻率的遇險(xiǎn)報(bào)警調(diào)制信號(hào)，將飛機(jī)的相關(guān)信息和位置信息發(fā)送給全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)，以便開展緊急救援[2-3]。

在近年調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)在大部分事故中ELT未能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。回顧過去30年的ICAO事故記錄，在257次事故中，攜帶ELT的案例有173次，而僅其中的39次ELT被成功激活，激活概率僅22.5%。依據(jù)調(diào)查結(jié)果，ELT無法正常工作有3個(gè)主要原因：（1）飛機(jī)殘骸對(duì)ELT天線進(jìn)行物理遮擋，導(dǎo)致信號(hào)無法正常傳播至全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)；（2）飛機(jī)墜毀后機(jī)體遭受嚴(yán)重?fù)p傷或損毀，導(dǎo)致ELT天線損壞，搜救信號(hào)無法正常發(fā)射；（3）ELT是事故發(fā)生后往往處于高溫（火燒）環(huán)境中，ELT在高溫中的存活時(shí)間少于少于搜救衛(wèi)星兩次訪問之間的時(shí)間間隔，在衛(wèi)星訪問事故區(qū)域前已停止工作。

本文針對(duì)ELT產(chǎn)品失效原因，提出了一種具有抗沖擊耐高溫火燒的力熱防護(hù)方法，以提高ELT的可靠性和生存概率。

1.結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)包含發(fā)射/接收天線、發(fā)射機(jī)、控制面板、電池等系統(tǒng)。考慮到發(fā)射機(jī)需要承受強(qiáng)沖擊、擠壓等惡劣環(huán)境，整體防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓柱形結(jié)構(gòu)以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，天線發(fā)射區(qū)域設(shè)計(jì)具有耐高溫透波陶瓷天線罩結(jié)構(gòu)。

應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)出于抗沖擊性能的考慮，整體設(shè)計(jì)為圓柱形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。柔性納米纖維隔熱層、石英陶瓷支撐結(jié)構(gòu)、相變防熱層組成設(shè)備力熱防護(hù)系統(tǒng)。面板結(jié)構(gòu)采用310s耐熱鋼，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架采用力學(xué)性能較好，導(dǎo)熱性能較低的聚酰亞胺材料。

圖1 結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.力學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)

石英陶瓷支撐結(jié)構(gòu)是力熱防護(hù)系統(tǒng)的主要組成部分，首先依據(jù)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)尺寸和定位發(fā)射機(jī)所處力學(xué)環(huán)境開展石英陶瓷支撐結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)。

定位發(fā)射機(jī)需耐受500g（5ms）強(qiáng)沖擊和690kPa靜態(tài)擠壓，持續(xù)5min，保證內(nèi)部設(shè)備不受損壞[4]。經(jīng)過迭代設(shè)計(jì)，石英陶瓷支撐結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)15mm，開展力學(xué)校核。

2.1 靜態(tài)擠壓仿真分析

靜態(tài)擠壓可從兩個(gè)方向進(jìn)行分析，如圖2所示，取安全系數(shù)1.2～1.35。由于擠壓，結(jié)構(gòu)主要承受壓縮力，陶瓷的壓縮強(qiáng)度σc在180MPa～270MPa之間，拉伸強(qiáng)度σt為15MPa～22MPa，通過計(jì)算得到應(yīng)變應(yīng)力云圖如圖3所示，陶瓷材料的應(yīng)力最大值為20.8MPa。根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論，滿足陶瓷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖2 靜力載荷下結(jié)構(gòu)受力示意圖

圖3 陶瓷結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.2 沖擊仿真分析

設(shè)備承受沖擊載荷500g（5ms），沖擊分析重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)設(shè)備沖擊載荷下的應(yīng)力分析如圖4所示，陶瓷各方向最大應(yīng)力值如表1所示，陶瓷材料最大Von Mises值為23.0MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

表1 沖擊應(yīng)力分布表

圖4 沖擊載荷下結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖

3.熱防護(hù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)熱防護(hù)設(shè)計(jì)由兩級(jí)隔熱層和內(nèi)部吸熱材料組成，保證在外部承受高溫火燒時(shí)，內(nèi)部可穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

第一級(jí)隔熱層，選用柔性納米纖維隔熱膜材料，具有高溫隔熱性能，兼具力學(xué)緩沖作用。使用溫度可達(dá)1200℃，導(dǎo)熱系數(shù)僅0.02W/mk，主要成分是二氧化硅材料。最大程度上隔絕熱量向設(shè)備內(nèi)部傳遞。如圖5所示。

圖5 隔熱材料耐溫與隔熱試驗(yàn)驗(yàn)證

第二級(jí)隔熱層，選用耐高溫熔融石英陶瓷材料，兼具支撐結(jié)構(gòu)，具有高溫力學(xué)性能優(yōu)異、隔熱性能好、使用溫度高等點(diǎn)。導(dǎo)熱系數(shù)1.2W/mk，使用溫度1200℃。

內(nèi)部吸熱材料選用相變石蠟，填充于防熱層與內(nèi)部電子設(shè)備之間的縫隙中。通過相變潛熱吸收經(jīng)隔熱層傳入設(shè)備內(nèi)部的熱量，保證內(nèi)部溫度在允許范圍內(nèi)。相變石蠟采用微膠囊結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)熱系數(shù)0.3W/mk，相變潛熱180J/g～190J/g。

3.1 熱防護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算

定位發(fā)射機(jī)所受極端熱環(huán)境需要承受高溫火燒1100℃惡劣環(huán)境，最長可持續(xù)15min。據(jù)此開展熱防護(hù)計(jì)算[2]。已知陶瓷支撐結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可計(jì)算出內(nèi)部填充相變石蠟材料不少于0.8kg。假設(shè)熱防護(hù)內(nèi)外表面均為平面，外界溫度恒定，傳入內(nèi)部的熱量均有相變材料吸收。隔熱膜材料、陶瓷石英材料吸熱以及間隙傳熱影響忽略不計(jì)。各層壁之間平面接觸良好，因此熱防護(hù)滿足多層圓通穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)條件，可建立2層圓通熱分析模型。如圖6所示。

圖6 圓筒熱分析模型

已知相變材料總重量G，得：

圓筒隔熱層熱傳導(dǎo)模型：

式中：

Q―總熱流量，J；

A―外表面積，mm2；

T3―外界溫度，℃；

T1―相變材料相變溫度，℃；

b―高溫防護(hù)層材料厚度，mm；

Kb―高溫防護(hù)材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

a―隔熱層材料厚度，mm；

Ka―隔熱層材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

τ―工作時(shí)間，h；

H―隔熱層高度。

上下各層之間熱防護(hù)滿足多層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)條件，可建立一維2層平壁熱分析模型，如圖7所示。

圖7 一維2層傳熱模型

一維平壁熱傳導(dǎo)模型：

式中：

b1―高溫防護(hù)層材料厚度，mm；

λ1―高溫防護(hù)層材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

b2―隔熱層材料厚度，mm；

λ2―隔熱層材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

T1―外界溫度,℃；

T3―相變材料相變溫度，℃。

由計(jì)算可知，第一級(jí)隔熱層的厚度為15mm。

3.2 熱仿真分析

考慮高溫火燒的環(huán)境條件下，假設(shè)天線罩外壁面承受1100℃火焰燒蝕。因此設(shè)置隔熱層外表面溫度1100℃，設(shè)備初始溫度為50℃。設(shè)備耐受時(shí)間15min。散熱方式為傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。通過15min瞬態(tài)熱仿真分析，結(jié)果如下。

ELT熱防護(hù)層溫度整體溫度分布如圖8所示；ELT隔熱層溫度分布如圖9所示，內(nèi)壁最高溫度約為71℃，低于微膠囊石蠟的耐受溫度180℃；石蠟防熱模塊的溫度分布如圖10所示；設(shè)備內(nèi)部溫度分布如圖11所示，結(jié)構(gòu)框架與陶瓷接觸位置溫度最高為66.6℃，天線表面溫度約為55℃，基帶板表面溫度約為52℃。滿足設(shè)備的工作要求。

圖8 整體溫度分布

圖9 隔熱層溫度梯度分布

圖10 相變石蠟溫度分布

圖11 內(nèi)部溫度分布

4.產(chǎn)品研制

面板結(jié)構(gòu)選用310S不銹鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)選用耐高溫陶瓷―熔融石英陶瓷材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圓柱形結(jié)構(gòu)，壁厚7mm，具體參數(shù)如表2所示。產(chǎn)品實(shí)物如圖12所示。

表2 熔融石英陶瓷材料參數(shù)

圖12 石英陶瓷天線罩實(shí)物圖

隔熱層選用柔性納米纖維隔熱膜材料纏繞，具有高溫隔熱性能，總厚度15mm，最外層采用石英纖維布防護(hù)。具體參數(shù)如表3所示。

表3 柔性納米纖維隔熱膜材料參數(shù)

吸熱層選用防熱層選用有機(jī)相變石蠟，通過相變潛熱吸收經(jīng)隔熱層傳入設(shè)備內(nèi)部的熱量，保持內(nèi)部溫度溫度在合理范圍內(nèi)。相變石蠟采用微膠囊相變石蠟，材料參數(shù)如表4所示。

表4 石蠟材料參數(shù)

最外層設(shè)計(jì)亞克力裝飾結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)內(nèi)部隔熱層進(jìn)行物理防護(hù)，產(chǎn)品組裝后實(shí)物如圖13所示。

圖13 防護(hù)性應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)實(shí)物圖

5.結(jié)論

本文建立應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)力熱防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備進(jìn)行有效力熱防護(hù)，通過仿真分析滿足極端惡劣強(qiáng)沖擊擠壓、高溫火燒等條件。可顯著提高應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)生存率。