機(jī)載液氫儲(chǔ)罐對(duì)靜態(tài)日蒸發(fā)率、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、儲(chǔ)氫質(zhì)量密度等要求較高。針對(duì)特殊的絕熱要求和工作環(huán)境，對(duì)無人機(jī)機(jī)載液氫儲(chǔ)罐絕熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。選取高真空多層絕熱的絕熱方式；首次提出一種組合式點(diǎn)接觸絕熱支撐結(jié)構(gòu)，與普通支撐結(jié)構(gòu)從理論計(jì)算和仿真兩方面對(duì)比說明新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能；采用增加氣液盤管長(zhǎng)度的方法，增加結(jié)構(gòu)熱阻。分別建立機(jī)載液氫儲(chǔ)罐的一維和三維整體傳熱模型，并對(duì)模型進(jìn)行理論計(jì)算和仿真。研究和分析結(jié)果表明： 通過組合式點(diǎn)接觸絕熱支撐結(jié)構(gòu)的熱流量比一般支撐結(jié)構(gòu)減少90%以上；具有高真空多層絕熱、組合式點(diǎn)接觸支撐結(jié)構(gòu)和氣液加長(zhǎng)盤管的設(shè)計(jì)方案的漏熱量比目前同規(guī)格普通低溫液氫容器的漏熱量低24.6% ～35.2%。

　　近年來，無人機(jī)在軍事領(lǐng)域的作用突顯，其中高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)以其優(yōu)異的續(xù)航能力尤為受到重視。目前，以普通石化燃料為動(dòng)力的高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)的最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間為“全球鷹”創(chuàng)造的41 h。液氫是一種具有極高燃燒熱值的高含能體燃料，288 K 時(shí)的高燃燒熱為1. 43 × 105 kJ /kg，是普通石化燃料的3 倍，在燃燒特性上，液氫相比于其它燃料有更好的高空燃燒特性，所以為盡可能延長(zhǎng)飛機(jī)滯空時(shí)間，以液氫代替普通石化燃料是目前行之有效的方法之一。美國(guó)在2010 年和2011 年分別試飛液氫燃料動(dòng)力無人機(jī)“全球觀察者”和“幻影眼”，兩者的續(xù)航時(shí)間分為4 天和7 天，比以普通燃料為動(dòng)力的高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間大為提高。

　　液氫具有低密度、低沸點(diǎn)、強(qiáng)擴(kuò)散的性質(zhì)，這為液氫長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)帶來困難，也是限制液氫大規(guī)模使用的關(guān)鍵問題之一。目前，無人機(jī)機(jī)載液氫儲(chǔ)罐僅美國(guó)少數(shù)幾個(gè)機(jī)構(gòu)在研究，資料鮮有，國(guó)內(nèi)的研究仍處于空白階段。文章通過對(duì)機(jī)載液氫儲(chǔ)罐性能要求的研究和分析，如文獻(xiàn)，創(chuàng)新性的提出組合式點(diǎn)接觸絕熱支撐結(jié)構(gòu)，比普通吊桿支撐的漏熱減少90%以上；通過增加儲(chǔ)罐氣液管路長(zhǎng)度，從而增加結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱阻，成功地解決常規(guī)低溫儲(chǔ)罐頸部漏熱量大的難題。

　　1、整體方案設(shè)計(jì)與絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1、整體方案設(shè)計(jì)

　　在熱傳導(dǎo)方式上，熱量主要通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)入低溫容器，通過每種傳熱方式進(jìn)入容器的熱量因容器絕熱結(jié)構(gòu)的不同而不同，且三種熱傳導(dǎo)方式在對(duì)進(jìn)入容器內(nèi)部的總熱量上也相互影響。

　　在整體結(jié)構(gòu)方案上，基于該設(shè)備的絕熱性能要求和特殊的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)出一種球形夾層式方案，結(jié)構(gòu)上主要包括：材料為304不銹鋼的內(nèi)外膽、多層纏繞的絕熱層GS-80、真空層、組合式點(diǎn)接觸絕熱支撐、氣液盤管等。在后面的計(jì)算和仿真中，取內(nèi)膽內(nèi)半徑為r1，外膽外半徑r3，初始充氫率(也稱充滿率) 為95%，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.2、絕熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　絕熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)特定的絕熱要求和工作環(huán)境選取合適的絕熱方式，設(shè)計(jì)高性能的絕熱支撐結(jié)構(gòu)以及適合氣液進(jìn)出的連接裝置，其中后兩點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　(1) 絕熱方式是影響結(jié)構(gòu)漏熱量的一個(gè)重要因素。目前絕熱性能最好的是高真空多層絕熱，它是由多層具有高反射能力的輻射屏與具有低熱導(dǎo)率間隔物層交替構(gòu)成的，文獻(xiàn)中給出了幾種不同絕熱材料組成情況下的高真空多層絕熱的表現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)。參照文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)際需要，在理論計(jì)算和仿真計(jì)算中選擇一種較為成熟的GS-80高真空多層絕熱，其表現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)為Ke1 = 2.48 × 10^-5 W/( m·K) 。

　　(2) 在低溫儲(chǔ)罐的總漏熱量中，通過連接結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)等熱橋的熱流比例可以高達(dá)30% ～50%，甚至更大，因此，減少通過熱橋的熱流量是進(jìn)一步提高低溫容器絕熱性能的又一個(gè)重要途徑。目前，已有的地面低溫容器往往使用直接導(dǎo)熱的方式進(jìn)行連接，這樣使通過熱橋的熱流量大大增加，且結(jié)構(gòu)占用空間較大，不宜在無人機(jī)上使用。為解決支撐結(jié)構(gòu)漏熱量大的難題，首次設(shè)計(jì)出以點(diǎn)接觸導(dǎo)熱代替直接導(dǎo)熱的組合式點(diǎn)接觸絕熱支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 組合式點(diǎn)接觸絕熱支撐實(shí)物圖

　　這種結(jié)構(gòu)利用氧化鋯陶瓷良好的力學(xué)性能和低導(dǎo)熱率性質(zhì)，使支撐結(jié)構(gòu)中的直接接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，極大減少了通過支撐結(jié)構(gòu)的熱流量。“平板-球”型接觸的接觸熱阻可以用以下公式進(jìn)行估計(jì)

　　式中Rk為接觸熱阻；a 為接觸面半徑；λ 為氧化鋯熱導(dǎo)率；μ 為泊松比；p1為接觸壓力；E 為彈性模量。球直徑d = 0.008 m，角標(biāo)1、2 分別指球與平面。根據(jù)1.1 中容器的尺寸與充氫率，在儲(chǔ)罐不同狀態(tài)下，假設(shè)只有8 個(gè)支撐結(jié)構(gòu)中的4 個(gè)受拉或壓，經(jīng)計(jì)算每個(gè)接觸點(diǎn)的力F = 52.4 N，將數(shù)值代入以上公式得出每個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的總熱阻Rk總= 85317 K/W。在邊界溫度分別為20 和293 K 時(shí)，因傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱流量為3.2 × 10^-3 W，因此輻射( 表面鍍金或銀ε= 0.02) 產(chǎn)生的熱流為

　　單個(gè)結(jié)構(gòu)的總漏熱為9.02 × 10^-3 W，在仿真中將所有漏熱以熱傳導(dǎo)等效，等效熱阻R4 = 29933 K/W。

　　如果使用吊桿或拉桿式支撐時(shí)，在外徑為5mm、內(nèi)徑4 mm 時(shí)，吊桿或拉桿的長(zhǎng)度為1 m 時(shí)，該方式下結(jié)構(gòu)的漏熱是點(diǎn)接觸組合支撐的12倍，即新型支撐的漏熱僅為普通結(jié)構(gòu)的7% ～8%，且在質(zhì)量和空間占用上同樣具有較大優(yōu)勢(shì)，這也符合無人機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊的要求。

　　(3) 管路通過熱傳導(dǎo)的方式由外部環(huán)境進(jìn)入內(nèi)部是結(jié)構(gòu)頸部漏熱的主要原因，所以，降低低溫儲(chǔ)罐通過氣液進(jìn)出管路的漏熱是設(shè)計(jì)時(shí)的重要環(huán)節(jié)之一。為增加在液體流動(dòng)方向上的熱阻，采用增加輸液管路長(zhǎng)度的方法，選用不銹鋼材料，內(nèi)半徑4 mm，外半徑5 mm，包括充液和調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力兩種管路，具體布置如圖1。兩管路長(zhǎng)度均為3 m，截面積為2.2×10 ^-5 m²，那么總熱阻為

　　4、結(jié)論

　　本文通過對(duì)機(jī)載液氫儲(chǔ)罐在絕熱支撐機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及對(duì)絕熱類型的合理選擇，并對(duì)建立的一維理論模型和三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算和分析得出以下結(jié)論：

　　(1) 同等條件下，組合式點(diǎn)接觸絕熱支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量?jī)H為普通吊桿結(jié)構(gòu)漏熱的7% ～8%，且在質(zhì)量、空間等方面，相對(duì)其它結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢(shì)；

　　(2) 以組合式點(diǎn)接觸絕熱支撐結(jié)構(gòu)、GS -80高真空多層絕熱以及氣液盤管制作的高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算和仿真計(jì)算漏熱量分別比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中同規(guī)格固定式真空多層液氫容器的漏熱量低35.2%和24.6%；

　　(3) 氣液盤管的使用可以有效降低通過輸液連接結(jié)構(gòu)的熱流量。