Preliminary Design of Hybrid Aircraft Thermal Management System (Tms) Experimental Test Campaign in Cira Icing Wind Tunnel (IWT)
本文概述了加拿大研究协会（CIRA）结冰风洞的初步设计与正在进行的升级工作，旨在通过欧盟资助的 AMBER 项目，实现在真实飞行条件下对功率高达 0.5 MW 的混合动力飞机热管理系统进行全尺寸实验验证。
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天空正变得越来越拥挤，迎来了一种新型的旅行者。几十年来，航空业一直依赖燃烧燃料来推动巨大的金属管状物体穿过空气，这一过程会向大气中释放二氧化碳和其他气体。为了实现全球气候目标，工程师们正在设计运行在电力或电力与燃料混合动力下的飞机。这些混合动力和电力飞机承诺了一个更清洁的未来，但它们带来了一个与飞行所处空气无关的隐藏问题。驱动这些新机器的电池、电动机和燃料电池会产生巨大的热量。就像笔记本电脑在过热时会变慢一样，如果这些强大的组件无法快速散热，它们就会失效或降低效率。挑战在于构建一个完美的冷却系统，无论飞机是停在炎热夏季的跑道上，还是在攀升经过寒冷的极高空。如果系统太小，发动机就会过热；如果系统太大，额外的重量和空气阻力就会破坏飞机的航程。
意大利航空航天研究中心（简称 CIRA）的研究人员正在通过建立一种新型实验室测试来解决这个难题。他们正在升级其结冰风洞——这是一个最初旨在研究冰如何在飞机机翼上形成的庞大设施——转而用于测试这些未来电力飞机的热管理系统。由马科·因威吉里托（Marco Invigorito）及其同事领导的团队意识到，仅靠计算机模型是不够的。虽然模拟可以预测冷却系统的行为，但它们往往会忽略空气围绕真实飞机流动的复杂现实。为了解决这个问题，他们首先对换热器（一种将热量从热液体转移到外部冷空气中的装置）进行了详细的计算机模拟。他们模拟了一架支线飞机的飞行路径，追踪该系统从地面上升到 5,500 米高度时的性能表现。这些模拟结果揭示了目前这些系统设计中存在的一个令人惊讶且危险的缺陷。
当研究人员查看数据时，他们发现，一个旨在确保地面安全运行的冷却系统，一旦飞机起飞，就会变得极其“过强”。随着飞机爬升，外部空气变得更冷、更稀薄。在他们的模拟中，一个设计为处理地面 300 千瓦热量的系统，在到达高空时，突然发现自己能够释放超过 900 千瓦的热量。这种冷却能力的巨大提升虽然看似是一件好事，却制造了一个新问题。飞机内部的燃料电池在很窄的温度范围内运行效果最好。如果冷却系统在高空变得过于高效，它可能会将燃料电池的液体温度降至 50.8 摄氏度，远低于安全操作范围。这种针对燃料电池的“低温症”可能导致其效率下降或完全停止工作。为了防止这种情况，工程师必须添加复杂的阀门和控制装置来限制冷却强度，但这会增加重量并创造更多的故障点。或者，如果他们仅针对高空条件来确定换热器的尺寸，那么它在起飞时会显得过于庞大且沉重，从而产生不必要的阻力并浪费燃料。
为了准确理解如何解决这个问题，该团队正在将其风洞转化为全尺寸冷却系统的试验场。该设施可以模拟高达 0.7 马赫的飞行速度和低至零下 40 摄氏度的温度，目前正在安装一套新的热量产生系统。该系统可以以每分钟高达 1,200 升的流量向测试部件泵送加热液体，模拟真实电动机或电池的热输出。与使用风扇向散热器吹风的标准测试台不同，该风洞利用移动空气的自然压力将空气推入冷却系统，正如真实的飞机一样。这使得研究人员不仅能测量系统的冷却效果，还能测量其产生的空气阻力以及飞行过程中冰如何在表面形成。
升级后的风洞将允许团队进行匹配支线飞机特定飞行剖面的测试，从地面环境过渡到高空爬升过程，同时监测每一度的温度和每一滴压力的变化。他们计划测试系统在飞机直线飞行时的表现，也会测试在转弯或侧滑时的表现，而这些情况是计算机模型难以准确预测的。通过将这些物理测试与早期的模拟相结合，研究人员旨在创造一种可靠的方法来确定这些冷却系统的尺寸。目标是找到一种既能在起飞时足够轻盈，又能在高空飞行时足够强大，且足够简单以确保安全的方案。这项工作是受欧盟资助的更大规模 AMBER 项目的一部分，该项目旨在验证实现零排放航空未来所需的各项技术。这些发现将有助于确保下一代飞机能够安全、高效地运送乘客，而不会面临在空中过热或结冰的风险。
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