全球航空业正面临日益严峻的减排压力。国际民航组织数据显示，航空运输产生的二氧化碳排放约占全球总量的3%，且呈持续增长态势。在此背景下，多电飞机（More Electric Aircraft, MEA）成为航空工业的重要发展方向。与传统飞机相比，多电飞机采用电力替代液压、气动等二次能源系统，具有结构简化、可靠性提升、维护成本降低及燃油效率提高等显著优势。功率电传是多电飞机的核心技术特征，通过电作动装置实现飞行控制功能的电气化驱动，有效规避了传统液压系统管路复杂、维护困难等固有问题。然而，电作动装置高功率密度带来的散热难题，以及机载任务系统大功率电子设备的冷却需求，对航空热管理技术提出了新的挑战。
一、多电飞机功率电传散热问题分析
现代多电飞机集成式热管理系统的设计面临多重约束：机上空间狭小限制了散热装置的体积与布局；热源分布分散且热流密度差异显著；飞行工况变化导致热载荷动态波动；严苛的环境条件要求冷却系统具备宽温区适应能力。传统单相液冷技术虽在中等热流密度场景下应用成熟，但面对40 W/cm²以上的高热流密度散热需求，其换热能力受限、均温性差、泵功耗高等固有缺陷逐渐显现。
泵驱两相冷却技术利用工质相变潜热传递热量，具有换热能力强、均温性好、泵功耗低、热输运距离远等突出优势。该技术最初应用于航天器热控系统，后逐步推广至风力发电、数据中心、大功率电力电子等领域。与依赖毛细力驱动的被动式两相装置相比，泵驱两相系统采用机械循环泵提供驱动力，突破了毛细极限对传热距离和散热能力的限制，更适用于多热源、大功率、长距离输运的复杂冷却场景。近年来，国内外学者对泵驱两相冷却系统开展了大量研究。荷兰国家航空航天实验室（NLR）在欧盟ADENEAS项目中系统分析了采用R1233zdE工质的两相机械泵驱回路，研究表明相较于传统丙二醇水溶液单相冷却系统，两相方案可降低40%的系统质量。周年勇等基于AMESim平台建立了泵驱两相流系统一维数值模型，通过仿真与试验对比验证了模型的有效性，系统分析了蒸发器温度分布及干度变化规律。Liu等对双蒸发器机械泵驱冷却回路开展了实验研究，验证了系统在热边界温度波动及非均衡热载荷工况下的稳定运行能力。上述研究成果为泵驱两相冷却技术在航空领域的应用奠定了基础。
本文针对多电飞机电作动装置及电子设备散热需求，开展多蒸发器并联泵驱两相冷却系统设计研究。基于热源特性和控温要求，完成系统总体方案设计，明确工质选型原则及关键部件选型依据。采用三维数值模拟方法分析微通道蒸发器流动沸腾特性，基于AMESim平台建立系统级仿真模型，评估冷却系统稳态与动态运行性能。研究成果旨在为多电飞机集成式热管理系统设计提供技术支撑。
二、泵驱两相冷却系统总体设计
2.1 系统架构与工作原理
多蒸发器并联泵驱两相冷却系统由循环泵、储液器、蒸发器组、冷凝器及连接管路构成。系统采用并联式蒸发器布局，各蒸发支路独立连接于供液干管和回气干管之间。冷却工质在机械循环泵驱动下从储液器流出，经供液干管分配至各并联蒸发支路。工质在蒸发器内吸收电子设备或电作动装置散发的热量发生沸腾相变，由液相转变为气液两相状态。各支路流出的两相工质汇合后进入冷凝器，向燃油热沉释放热量后冷凝为液相，再次流经储液器进入循环泵，完成闭式循环。
并联式蒸发器布局相较于串联方案具有以下优势：各蒸发支路工质流量可根据热载荷独立分配，避免了串联布局中上游蒸发器对下游工质干度的不利影响；蒸发器之间通过供液和回气管路耦合，可有效消纳各支路热载荷波动引起的工况变化；系统扩展性强，可根据热源增减灵活调整蒸发器数量。系统设计的冷却系统包含5个蒸发器，其中3个用于冷却电子设备，2个分别用于左右机翼电作动装置，另有1个用于尾翼电作动装置。
2.2 冷却工质选型
工质物理性质对泵驱两相系统的运行特性具有决定性影响。工质选型需综合考虑热力学性能、热稳定性、材料相容性、安全环保及航空适用性等多重因素。
热力学性能方面，工质应具备较高的汽化潜热和比热容，以提升单位质量工质的携热能力；适宜的工作压力范围既能避免系统承压过高，又可防止真空工况下不凝气体渗入；良好的导热性能有助于强化蒸发器内沸腾换热。材料相容性要求工质与系统管路、密封件、泵体等材料不发生化学反应或腐蚀。安全环保方面，需考虑工质的毒性、可燃性及温室效应潜能值（GWP）。航空应用还要求工质在-55℃低温环境下仍保持良好流动性，沸点不宜过高。
综合考虑上述因素，系统选用了R134a作为冷却工质。R134a（四氟乙烷）属于氢氟烃类环保型制冷剂，臭氧消耗潜能值为零。其标准沸点为-26.1℃，临界温度101.1℃，临界压力4.06 MPa，在-55~110℃控温范围内饱和蒸气压适中，系统承压要求合理。R134a汽化潜热较大（217 kJ/kg at 20℃），与铜、铝等常用金属材料相容性好，化学性质稳定，是目前航空两相冷却系统常用工质之一。需要注意的是，R134a的GWP为1430，未来在环保要求更高场景下可考虑采用R1233zdE或R1234ze等低GWP替代工质。
2.3 关键部件选型设计
（1）微通道蒸发器：蒸发器是两相冷却系统的核心部件，其换热性能直接决定散热效果和控温能力。针对电子设备高热流密度散热需求，系统采用了基于微小通道流动沸腾技术的微通道蒸发器。电子设备蒸发器采用整体串联布局，冷却工质依次流经各设备发热区域；在每个设备发热区域采用蛇形微通道布局以增加换热面积，通道截面尺寸10 mm×10 mm，间距10 mm。该设计可在有限空间内实现较大的换热面积，同时保证工质流动均匀性。
电作动装置蒸发器采用仿生交叉脉通道结构，模仿植物叶脉和根系的分形网络布局。每个电作动装置电机发热面等效为12 cm×6 cm长方体，在四个发热面共布置8个蒸发器，各蒸发器并联连接。单个蒸发器内部分支脉与主脉呈45°夹角，冷却通道截面0.4 mm×1.0 mm，间距0.4 mm。仿生通道结构有助于改善工质流动分布，抑制局部热点形成，提升沸腾换热均匀性。通道尺寸小于1 mm的微通道设计可显著增大换热面积与体积比，强化核态沸腾换热，有效应对40 W/cm²以上热流密度散热需求。
（2）冷凝器冷凝器采用管壳式结构，壳侧流通燃油热沉，管侧通流冷却工质。管壳式结构单位质量传热面积大，可根据机上安装空间灵活构造成型，且便于清洗维护。设计工况下燃油热沉温度30℃，流量111.2 L/min。冷凝器设计需保证在两相工质入口条件下，出口能够实现完全冷凝并具备一定的过冷度，以防止循环泵发生气蚀。
（3）机械泵机械泵选用磁力驱动齿轮泵。磁力齿轮泵通过磁力联轴器实现动力传递，无动密封结构，有效避免了工质泄漏风险。齿轮泵具有运行平稳、无脉动传输、高压承受能力强的特点，适用于两相冷却系统的工质循环驱动。泵的选型需满足系统最大流量和压头需求，同时考虑体积、重量及功耗约束。
（4）储液器储液器在两相冷却系统中承担工质存储、供给、气液分离及精密控温功能，是系统的“温控中心”。储液器设计遵循以下原则：最小热载荷工况下，当循环系统各部件充满工质时，储液器内仍有工质储备；最大热载荷工况下，储液器内仍保持一定液位，防止气相工质进入泵前管路。这一设计确保了系统在热载荷波动工况下循环工质供给的连续性。储液器内设置气液分离结构，确保泵前工质为纯液相。
（5）管路为适应机上狭小空间及长距离管路连接需求，选用多层结构防渗透耐高压软管。软管选型考虑承压能力（最高工作压力不低于系统最大压力的1.5倍）、防渗透性（防止工质长期运行后泄漏）、与R134a相容性、弯曲半径等要素。四层结构设计包含内衬层、增强层、防渗透层和外保护层，兼具柔性与可靠性。
三、蒸发器运行特性分析
3.1 电子设备蒸发器性能分析
基于设计工况对电子设备蒸发器开展三维数值模拟分析。三个电子设备热载荷分别为5.0 kW、2.5 kW和1.5 kW，对应热流密度12 W/cm²、10 W/cm²和10 W/cm²。冷却工质R134a流量27.21 L/min，入口压力0.14 MPa，液相体积分数为1。
模拟结果显示，各设备发热面温度分布较为均匀。设备1因热流密度较高，发热面平均温度66.27℃，最高温度69.15℃；设备2平均温度61.37℃，最高温度65.56℃；设备3平均温度60.72℃，最高温度61.92℃。各设备最高温度均满足-55~70℃控温要求。
从流动沸腾传热特性来看，蒸发器入口区域工质液相体积分数高，换热能力强，发热面及冷却通道壁温较低。沿流动方向工质不断吸热汽化，气相比例逐渐增加，换热能力下降，导致壁面温度沿程升高。无热载荷区域（进出口区域、设备间连接段）冷却通道壁温较低，验证了沸腾换热与热流密度耦合关系的合理性。
冷却通道壁面温度分布与设备发热面温度分布规律一致，设备1通道壁温高于设备2和设备3。最高壁温出现在各设备区域中心偏下游位置，这是由于该区域工质气相占比较大，局部传热恶化所致。总体而言，蛇形微通道布局和合理的流量分配策略保证了电子设备蒸发器具有良好的温度均匀性和冷却能力。
3.2 电作动装置蒸发器性能分析
电作动装置蒸发器模拟分别针对机翼和尾翼两种运行工况开展。机翼电作动装置单侧热载荷12 kW，分为8个并联蒸发器，单个蒸发器热载荷1.5 kW，热流密度41.67 W/cm²。工质总流量21.76 L/min，单蒸发器流量2.72 L/min，入口压力0.14 MPa，温度327.15 K。尾翼电作动装置总热载荷6 kW，单蒸发器热载荷0.75 kW，热流密度20.82 W/cm²，工质流量10.88 L/min，单蒸发器流量1.36 L/min。
模拟结果表明，机翼电作动装置发热面平均温度82.68℃，最高温度102.13℃，满足-55~110℃控温需求。发热面温度分布呈现与电子设备蒸发器相似的规律：入口区域温度较低，中心偏下游出现温度峰值。尾翼电作动装置发热面平均温度76.30℃，最高温度87.21℃，控温余量更大。
仿生交叉脉通道设计对流动沸腾特性产生积极影响。分支脉与主脉呈45°夹角，通道截面0.4 mm×1.0 mm，间距0.4 mm。该结构诱导工质在流道内形成局部扰动，破坏近壁面边界层，增强对流换热。同时，分形网络布局改善了各支路流量分配的均匀性，避免局部流量过低导致干涸现象。在41.67 W/cm²高热流密度条件下，机翼电作动装置蒸发器仍能保持有效冷却，验证了仿生微通道结构应对高热流散热的可行性。
四、冷却系统运行特性分析
4.1 仿真模型建立
为验证多蒸发器并联泵驱两相冷却系统方案的合理性与可行性，基于AMESim平台搭建系统级仿真模型。AMESim两相流体库提供完善的两相流动与传热计算模块，支持蒸发、冷凝、气液相变等物理过程的数值模拟。
仿真模型包含储液罐、驱动泵、蒸发器和冷凝器四大核心部件。储液罐和驱动泵直接调用AMESim两相流体库内置组件。蒸发器和冷凝器采用等效换热思想建模：蒸发器利用两相流体库、热库及信号库元件搭建，将三维蒸发器仿真结果作为输入进行模型标定；冷凝器基于换热器基本方程建立，考虑管壳式结构传热特性及燃油侧流动换热。电子设备蒸发器、机翼舵机蒸发器、尾翼舵机蒸发器在设计工况下分别由三维仿真模型标定，确保一维系统模型与部件实际性能一致。
4.2 稳态性能分析
设计工况下（电子设备10 kW、左右舵机各12 kW、尾翼舵机6 kW、燃油温度30℃、流量111.2 L/min）开展系统稳态仿真。蒸发器出口参数表征各支路工质混合后的状态。
仿真结果显示，系统在热载荷施加后约200 s达到热平衡状态，各部件温度趋于稳定。平衡时电子设备温度66.39℃，左右机翼舵机温度82.81℃，尾翼舵机温度77.35℃。上述结果与三维蒸发器性能仿真结果（电子设备63.88℃、机翼舵机82.68℃、尾翼舵机76.30℃）吻合良好，验证了系统仿真模型的有效性。
系统总发热量40 kW工况下，各冷却对象温度均控制在需求范围内，验证了多蒸发器并联泵驱两相冷却系统设计方案能够有效消纳设计热载荷。电子设备与机翼舵机热载荷相近但温度差异较大，主要由于二者热流密度及蒸发器结构不同所致。尾翼舵机热载荷较低，温度相对较低，体现了两相系统对不同热源的差异化冷却能力。
4.3 热载荷影响分析
为分析热载荷对冷却系统性能的影响，在保持其他参数不变的条件下，对不同总热载荷工况进行仿真计算。热载荷升高导致设备温度相应升高，系统达到稳态所需时间没有显著差异。当热载荷超过设计值时，蒸发器冷却能力不足，设备温度超出控温上限。该结果表明系统设计工况留有合理的安全裕度，但应避免长期超负荷运行。
4.4 冷源温度影响分析
冷凝器冷源温度对两相系统运行性能具有重要影响。仿真计算表明，冷源温度降低时，冷凝器换热量增大，回流至蒸发器的工质温度下降，在相同热载荷条件下设备温度相应降低。当冷源温度由设计工况30℃降低至较低温度时，系统平衡温度显著下降；反之冷源温度升高时，设备温度上升，控温裕量减小。这一特性提示在飞行包线内，应关注冷源温度变化对系统性能的影响，必要时可采取主动调节措施维持冷却对象在适宜温度区间。
4.5 冷源流量影响分析
冷源流量变化对系统性能的影响程度较冷源温度变化相对较小。随着冷源流量增加，冷凝器换热能力增强，回流工质温度略有降低，设备温度小幅下降。但流量增加带来的压损增大和泵功耗上升需在设计时综合权衡。实际运行中，在冷源温度无法调节的工况下，适当调节冷源流量可作为辅助控温手段。
4.6 动态响应特性
系统动态响应特性分析关注热载荷突变及冷源工况变化时的瞬态行为。仿真结果显示，当某支路热载荷阶跃变化时，系统可在较短时间内重新达到热平衡，各蒸发器间通过供液干管和回气干管压力耦合产生交互影响。单个蒸发器热载荷变化会引起系统压力调整，进而影响其他蒸发器沸腾条件，但影响程度有限，系统整体稳定性良好。
五、结论与展望
本文针对多电飞机电作动装置和电子设备散热问题，开展了多蒸发器并联泵驱两相冷却系统设计与性能分析研究，主要结论如下：
（1）提出了采用蛇形布局和仿生交叉脉微通道蒸发器的泵驱两相冷却系统方案。通道尺寸小于1 mm的微通道结构有效增强了流动沸腾换热，电子设备蒸发器满足12 W/cm²热流密度冷却需求，电作动装置蒸发器可应对41.67 W/cm²高热流密度散热，各冷却对象温度均控制在-55~110℃需求范围内。
（2）系统级AMESim仿真模型验证了多蒸发器并联方案的可行性。设计工况下系统总发热量40 kW，稳态运行时电子设备温度66.39℃、机翼舵机82.81℃、尾翼舵机77.35℃，与三维蒸发器仿真结果吻合良好，系统稳态性能满足设计要求。
（3）系统动态性能受热载荷、冷源温度和冷源流量影响显著。冷源温度变化对系统运行特性的影响程度高于冷源流量变化，在系统设计与运行调控中应优先关注冷源温度边界条件。
（4）基于泵驱两相冷却的多蒸发器并联系统具有良好的热载荷自适应能力和扩展性，能够适应多电飞机多热源、高热流密度、分散布局的散热需求。
展望未来，泵驱两相冷却技术在航空领域的工程应用仍面临若干技术挑战。工质与航空材料长期相容性需进一步验证，微重力条件下流动沸腾传热机理有待深入研究，系统轻量化设计和集成式布局仍是优化方向。随着增材制造技术的发展，一体化成形微通道冷板的设计制造将为泵驱两相冷却系统提供新的技术路径。此外，针对航空电气化趋势下更高功率等级散热需求，可进一步探索采用低GWP工质的两相冷却系统方案，推动航空热管理技术向高效、环保、集成化方向发展。
&注：此文章内使用的部分内容来源于[作者：吴韬，王立志，戎毅等。用于多电飞机热管理的泵驱两相冷却系统设计及性能分析. 山东大学学报(工学版)]，由于小编水平有限，对所阅读文献的翻译及总结难免有误，错误之处敬请指正，非常感谢。本公众号推送内容以交流学习为目的，并非商业用途，所使用的配图均来源于公开网络获取，如有侵权，请联系协商处理。
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