相變材料在箭載相控陣天線中的應(yīng)用

葛魯寧，石同武

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相變材料在箭載相控陣天線中的應(yīng)用

葛魯寧，石同武

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海，201109）

本文介紹了一種箭載相控陣天線冷板的工作原理和結(jié)構(gòu)形式，利用相變材料的原理，解決了箭載相控陣天線工作過程中T組件散熱量大的問題。通過有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，表明冷板的設(shè)計切實(shí)可行。

相控陣天線；相變材料；T組件；冷板

0 引 言

由于相變材料具有儲熱密度大、儲熱容器體積小、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，相變材料熱儲能的應(yīng)用備受關(guān)注，在太陽能、航天、航空及建筑節(jié)能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。在某箭載相控陣天線的設(shè)計中，由于T組件（發(fā)射單元）工作過程中效率較低，會產(chǎn)生大量的熱，而T組件內(nèi)部元器件都有一定的工作溫度范圍（≤65 ℃）要求，因此需要考慮散熱措施。相控陣天線中傳統(tǒng)的冷卻方式主要有自然冷、風(fēng)冷和水冷。在箭載環(huán)境中，自然冷卻效果不明顯，風(fēng)冷和水冷散熱方式受條件限制不宜采用。為了解決此問題，本文提出了一種基于相變機(jī)理的冷板方法，成功地解決了相控陣天線工作過程中的散熱問題。

1 相變機(jī)理

相變材料（Phase Change Material，PCM）是以潛熱形式儲存和釋放能量的材料，在相變溫度范圍內(nèi)，相態(tài)發(fā)生變化時儲存或釋放的能量稱為相變潛熱[2]。相變材料主要應(yīng)用于儲能和溫控方面，表面恒溫時間是衡量相變材料性能的主要指標(biāo)。NASA空間站太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)利用拋物型的聚能器截獲太陽能，并將其聚集到吸熱/蓄熱器的圓柱形腔內(nèi)，被吸收轉(zhuǎn)換成熱能，其中一部分熱能傳遞給循環(huán)工質(zhì)以驅(qū)動熱發(fā)電機(jī)，另一部分熱能則被分裝在多個小容器內(nèi)的相變蓄熱材料（PCM）中，通過熔化而吸收儲存起來。在軌道陰影期，PCM在相變點(diǎn)附近凝固放熱，充當(dāng)熱源，使得空間站仍能連續(xù)工作[3, 4]。

石蠟是一種固-液相變材料，分為全精煉石蠟和半精煉石蠟，具有相變潛熱高、幾乎沒有過冷現(xiàn)象、熔化時蒸氣壓力低、不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且化學(xué)穩(wěn)定性較好、在多次吸放熱后相變溫度和相變潛熱變化很小、自成核、沒有相分離和腐蝕性、價格較低等優(yōu)點(diǎn)[5]。

2 模型建立

綜合考慮運(yùn)載火箭的安裝環(huán)境，在相控陣天線設(shè)計中，將冷板和T組件設(shè)計為如圖1所示的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 冷板外形

由圖1可知，冷板的上、下面均可以用來安裝T組件，T組件與冷板之間安裝時粘貼導(dǎo)熱墊，增大傳熱效率。

相變材料封裝在冷板內(nèi)部，考慮到相變材料本身的導(dǎo)熱性較差，將冷板內(nèi)部設(shè)計成肋片間隔的多腔結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中各腔用于容納相變材料，肋片有利于熱量的傳遞，肋片長度小于冷板的寬度，腔體的兩端可以相互連通，可以保證相變材料發(fā)生相變后在冷板內(nèi)部的流通性。

圖2 冷板內(nèi)部原理

在冷板設(shè)計時，選用的相變材料的質(zhì)量可以通過式（1）計算得出：

式中為電子元器件耗散的功率，W；e為整個儲熱冷板（包括變相材料和容器）的比熱容，J/(kg·K)；為電子設(shè)備要求的溫度控制周期，s；f為相變材料的比熱容，J/(kg·K)；m為相變材料的熔解溫度，℃；f為相變材料的熔解熱，J/kg；1為冷板的初始溫度，℃。

此外，在冷板的設(shè)計時應(yīng)考慮相變材料發(fā)生相變的過程中產(chǎn)生體積膨脹的問題，膨脹率通常約占總體積的11%~15%，一般可采用波紋管或蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在某相控陣天線的設(shè)計中，根據(jù)T組件的工作溫度范圍（≤65 ℃）要求，選取石蠟二十八烷C28H58作為相變材料[6,7]。天線總散熱量為90 W，在溫度為25 ℃的環(huán)境下要求工作時間不小于2 h。為了提高冷板設(shè)計的可靠性以及天線后續(xù)測試的需求，因此設(shè)計冷板工作時間為3 h，進(jìn)而根據(jù)式（1）得出石蠟的需求量為0.42 kg。

3 散熱模型有限元分析

含有相變問題的熱分析是一個非線性的瞬態(tài)熱分析問題，需要考慮相變過程中吸收或釋放的潛熱。利用FloEFD軟件對封裝了石蠟的冷板建模進(jìn)行了熱分析。在熱分析的求解過程中，作了以下3點(diǎn)假設(shè)[8, 9]：

a）忽略固態(tài)區(qū)、液態(tài)區(qū)的PCM輻射換熱；

b）忽略液態(tài)區(qū)PCM流動影響；

c）忽略空穴的產(chǎn)生。

將這3點(diǎn)影響忽略后，用FloEFD軟件給出了T組件工作3 h后的溫度云圖，結(jié)果如圖3所示，冷板溫度曲線變化如圖4所示。由圖3、圖4可以看出T組件的最高溫度約為61 ℃，未超過T組件允許的工作溫度范圍，這說明采用相變材料的冷卻方式理論上是可行的。

圖3 熱分析結(jié)果

圖4 冷板溫度變化曲線

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于冷板是對稱的，在試驗(yàn)過程中，采用實(shí)際結(jié)構(gòu)的四分之一部分進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)件如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)冷板

T組件采用相同功耗的模擬電阻代替。試驗(yàn)在室溫（25 ℃）下的密閉容器中進(jìn)行，采用接觸式的溫度測量機(jī)進(jìn)行溫度的測量。選取4個不同溫度點(diǎn)進(jìn)行采樣，另外選取4處不同位置的典型采樣點(diǎn)進(jìn)行溫度的監(jiān)測。采樣點(diǎn)1選在模擬電阻表面；采樣點(diǎn)2選在電阻安裝板，電阻安裝板模擬T組件的傳熱面和冷板安裝；采樣點(diǎn)3選在冷板的上表面，用于安裝T組件的表面；采樣點(diǎn)4選在冷板的底表面，與安裝T組件相對的表面。采樣獲得的具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 溫度測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過3 h的實(shí)驗(yàn)，對冷板儲蠟腔觀察發(fā)現(xiàn)：僅一小部分熔化成液態(tài)，大多數(shù)石蠟尚未熔化，冷板的溫度最終穩(wěn)定在53 ℃左右。對比仿真分析結(jié)果，冷板的溫度相同。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模擬試件沒有超過T組件的允許工作溫度范圍，所設(shè)計的冷板可以滿足T組件的散熱要求，提出的設(shè)計方案切實(shí)可行。

5 結(jié) 論

通過FloEFD軟件熱分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，將相變材料的冷板設(shè)計應(yīng)用在箭載相控陣天線中的散熱是可行的。在后續(xù)的工作中，將通過研究熱源布局、改變相變材料的熱導(dǎo)率等因素提高冷板的工作效率，進(jìn)一步為箭載和星載小型相控陣天線的散熱問題提供良好的解決方法。

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Application of PCM for Rockets-borne Active Phased-array

Ge Lu-ning, Shi Tong-wu

(Shanghai Spaceflight Electronic Technology Institute, Shanghai, 201109)

The paper introduces the structure and principles of a cold plate for rocket-borne phased array application. The proposed cold plate successfully cools down the T modules on working by using the phase-change material (PCM) principle. Furthermore, the feasibility of the proposed cold plate is verified by the analysis of FEM and testing of prototype plate.

Phased-array; Phase change material; T modules; Cold plate

1004-7182(2016)02-0094-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20160221

V443+.4

A

2015-01-24；

2015-02-09

葛魯寧（1985-），男，工程師，主要研究方向?yàn)樘祓伨€結(jié)構(gòu)設(shè)計