飞控散热技术是确保飞行控制系统(简称“飞控”)和整机在复杂工况下稳定运行的关键,其核心是解决飞行器各部件(尤其是动力、飞控、航电)在高负荷下的散热问题。本质上,对“飞控”进行散热,通常意味着为包含飞控计算机的整个电子设备舱或核心热源进行综合热管理。
主流散热技术方案概览
下表总结了当前飞行器散热的主要技术路径及其特点:
特殊飞行环境下的热管理挑战
在极端高空或低温环境下,散热问题更为复杂,需要“散热”与“保温”兼顾:
高空长航时(HALE)无人机:在15公里以上高空,面临低气压(空气稀薄)和极低温的双重挑战。
挑战:低气压导致空气散热能力急剧下降,而极低温又可能使电池和电子设备性能骤降。
策略:通常采用燃油作为核心热沉,通过热交换器吸收设备废热;同时,必须为设备舱增压并保温,创造合适的内部工作环境。
宽温域作业无人机:需要在如-30℃的雪域到40℃的农田等极端温度下稳定工作。
挑战:传统风冷方案在高温高负荷下易失效,导致“热宕机”;低温下电池则会“罢工”。
前沿方案:以北航宁波创新研究院的“宽温域热管理技术”为例,它通过动力、供电、散热系统联动设计、模块化散热管路和特种相变储热材料,实现了无人机在-30℃至40℃环境下的长时间运行。
前沿研究方向
当前飞行器热管理技术正朝着更高效、更智能、更与能源系统融合的方向发展:
1.能源系统与热管理深度耦合:新一代推进系统(如氢能混动)带来了新的热管理需求。研究重点是如何高效利用氢、燃油等多种热沉,并匹配不同飞行阶段的散热需求,实现全飞行剖面的能量综合优化。
2.智能与自适应控制:通过AI和先进算法,让热管理系统具备“智能应变”能力。例如,利用改进的滑模控制算法精准调控氢燃料电池温度,可减少超调、节省燃料。未来的系统能根据飞行状态、环境温度自动调整散热策略。
3.材料与器件革新:
非晶材料:用于电机铁芯,可大幅降低铁损,从源头减少发热。
宽禁带半导体:采用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN) 功率器件,其本身发热量更低、耐高温,可简化散热设计。
如何选择适合的散热方案?
这通常是一个系统工程问题,取决于多个因素:
飞行器类型与任务:消费级无人机多用风冷;工业级、货运或eVTOL趋向液冷/混合冷却;高空长航时无人机必须采用综合热管理。
关键热源功率密度:电机、大功率航电等是主要热源,其功率密度直接决定了散热方案的等级。
环境适应性要求:是否需要在极端高/低温、高湿度环境下稳定工作?这是选择宽温域技术的重要依据。