載人飛船儀表板的熱仿真分析

王克成，馬 聰，孫 亮（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點試驗室，蘭州 730000）

載人飛船儀表板的熱仿真分析

王克成，馬 聰，孫 亮
（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點試驗室，蘭州 730000）

航天器產品熱設計的對象是電子產品整機，將宇宙空間作為熱沉，有效將熱量排放到外空間是航天器熱設計的主要任務。而對于艙內電子產品熱設計任務主要是將元器件的熱功耗有效傳遞給底板、設備外殼及艙壁上，確保元器件在允許的工作溫度范圍內可靠的工作。運用有限元分析軟件FloTHERM，對航天電子產品設計階段進行熱仿真，對其熱控方案進行調整和優化，實現電子元器件能夠安全、可靠的工作。

航天器產品；熱仿真；儀表板；電子設備；PCB板

0 引言

航天器熱設計的任務是使航天器及其電子設備或部件的熱參數（溫度、溫度差等），在發射前的準備段、上升段、軌道運行段和返回段等各階段，保持在規定的范圍內［1］。良好的熱性能是保證電子設備安全可靠工作的重要條件，散熱是電子設備結構設計中必須考慮的問題［2-3］。飛船儀表板不僅作為安裝在儀表板上各設備的結構支撐，還是各設備的散熱通道。利用FloTHERM軟件對儀表板及其電子設備進行熱仿真，并結合設計經驗對仿真分析中應注意的問題做了簡要說明，熱仿真分析結果對飛船儀表板及其所安裝電子設備的設計具有一定的參考意義［4］。

1 儀表板及電子設備

載人飛船儀表板是各儀表與手控設備的承載部件，具有結構緊湊、布局合理、強度、剛度高、質量輕等特點，為儀表與手控設備提供準確、可靠的安裝接口和必要的工作環境。該儀表板通過4個專門研制的金屬減振器與艙壁安全、可靠的連接，同時保證安裝在儀表板上的各電子設備安全、可靠的工作。儀表板上共安裝9個具有熱耗的電子設備，布局如圖1所示。

儀表板由硬鋁合金2A12整體銑削加工而成，在保證足夠的強度、剛度的同時也是所安裝各儀表設備的散熱途徑。一方面所裝各電子設備工作產生的熱量通過安裝接觸面傳導到儀表板上，通過儀表板的外表面與艙內空氣進行微重力下的對流換熱；另一方面儀表板減振器與飛船大熱沉相連，將一部分熱量傳導到飛船整體；各電子設備自身外露表面與艙內空氣進行微重力下的對流換熱。這些散熱通道為飛船儀表板上安裝的電子設備提供安全、可靠的工作環境。

圖1 布局簡圖

2 熱仿真分析

2.1 分析軟件

FloTHERM軟件是運用通用商業CFD軟件，可進行元器件級、PCB板級、系統級及環境級的穩態或瞬態熱仿真分析工作，并可同時耦合計算傳導、對流及輻射換熱［5］。

2.2 模型簡化原則

載人飛船儀表板及其電子設備屬儀表與手控設備，各設備的按鍵、開關、接插件等非熱源元器件較多，原始結構比較復雜，需要對其進行必要的簡化，包括CAD模型和PCB板。目的是在不影響原始熱分布的情況下，降低熱仿真的復雜程度、減少模型網格數量。簡化原則有：

（1）對結構上不影響穩態分析的圓角、安裝孔、加強肋等細節特征不予考慮；

（2）對電子設備的按鍵、開關、接插件等元器件的模型進行等熱容結構處理；

（3）對發熱量小于0.1 W的元器件，不予詳細建模，熱耗均布于元器件所在的PCB板上；

（4）對增加熱通道的導熱墊進行簡化處理，并設置相應熱阻。

2.3 邊界條件的設置

按照惡劣的環境試驗條件設置散熱分析的邊界條件。對輻射換熱，由于艙內輻射環境復雜，無法確定環境輻射溫度，故按環境溫度值設置。減振器與艙壁連接處，由于艙壁散熱條件復雜，故按環境溫度設置。最終確定的散熱邊界條件如表1所列。

表1 散熱邊界條件表

2.4 設備建模

2.4.1 儀表板和減振器建模

依據載人飛船儀表板和減振器的CAD結構模型，建立熱仿真模型。其CAD結構設計如圖2所示。

圖2 儀表板模型圖

減振器由安裝面、減振器本體、艙壁固定處三部分組成。其中安裝面簡化為30 mm×30 mm×4 mm的不銹鋼實體（導熱系數為163 W/m·K），簡化原則為保證安裝面與儀表板的接觸面積與實際結構一致以保證其傳熱特性，安裝面與儀表板接觸處設置0.005 05 K·m2/W的接觸熱阻。減振器簡化為10 mm×10 mm×50 mm的不銹鋼實體（導熱系數為163 W/m·K），簡化原則為保證減振器本體與安裝面的接觸面積盡量一致以保證其傳熱特征，長度方向按實際尺寸設置。減振器本體與艙壁連接處，設置40℃的熱沉。建立減振器的熱仿真計算模型如圖3所示。

根據熱仿真分析模型的簡化原則，飛船儀表板的安裝孔、托板螺母、圓角等細節特征，對穩態熱分析的影響很小。在建立熱分析計算模型時，對其進行相應的簡化，刪除了安裝孔、托板螺母、圓角等細節特征。飛船儀表板的材料設置為硬鋁合金2A12，其導熱系數為121 W/m·K，表面發射率為0.7。飛船儀表板通過減振器與艙壁相連，熱分析模型簡化后計算模型如圖4所示。

圖3 減振器模型圖

圖4 儀表板與減振器連接結構圖

2.4.2 各電子設備建模

載人飛船儀表板共安裝了9臺具有熱耗的電子設備。依據模型簡化原則將各電子設備的結構上的安裝孔、圓角、加強筋等細節特征，對穩態熱分析的影響很小，在建模過程中不予考慮。同時，各電子設備的支撐結構與殼體材料均為硬鋁合金2A12，導熱系數為121 W/m·K，殼體外表面均進行黑色陽極化處理，表面發射率設置為0.85。各電子設備與儀表板通過安裝耳片連接，安裝耳片與儀表板之間的接觸熱阻設置為0.005 05 K·m2/W。各電子設備四周與儀表板之間有0.4 mm的間隙，設置為與0.4 mm厚空氣產生的熱阻相當的表面熱阻特性，熱阻值為0.015 4 K·m2/W。

（1）PCB板的材質與厚度設置。各電子設備的PCB板的數量及熱耗均不同，但各個PCB板的材質和厚度均相同，因此統一對各電子設備中的所有PCB板厚度和材質進行設置。PCB板厚為2 mm，絕緣材料為FR4（導熱系數0.3 W/m·K），導電材料為銅（導熱系數385 W/m·K），4層板，每層厚度均為0.035 mm，4層導電層的鋪銅面積率分別為：10%、90%、90%、10%；

（2）熱耗小于0.2 W、元器件單片熱耗小于0.1 W 的PCB板熱特性設置，對于總熱耗小于0.2 W，單個元器件的熱耗小于0.1 W的PCB板，對溫度影響很小，均未對其進行單獨建模，僅用實體結構代替其位置，以考慮對其他元器件的影響；

（3）熱耗小于1 W、元器件單片熱耗小于0.1 W 的PCB板熱特性設置，對于總熱耗小于1 W，單個元器件的熱耗小于0.1 W的PCB板，未對元器件進行詳細建模，利用同樣大小的簡化平板代替，同時在平板上均布熱耗；

（4）元器件單片熱耗大于0.1 W的PCB板熱特性參數設置，單片元器件熱耗大于0.1 W的PCB板，對其進行詳細建模，其中一些元器件為DC-DC模塊，其熱耗較高，需要通過散熱凸臺進行散熱，散熱凸臺與DC-DC模塊間加兩層導熱墊。DC-DC模塊的Rjc設定值比給定值大0.39 K/W，將導熱墊簡化為熱阻，將兩部分的熱阻疊加設置為Rjc，這樣簡化對分析結果無影響，同時可減少仿真計算量。對于無法獲得的Rjb值，參考已知同類型封裝的器件Rjb值設定。

載人飛船儀表板安裝的電子設備中，元器件單片熱耗不小于0.1 W的PCB板熱特性參數設置具體如表2所列。

2.4.3 完整的仿真模型

通過以上設置，完成載人飛船儀表板及所有設備的完整熱仿真計算模型，如圖5所示。

院校在進行物流專業實踐課程教學的時候應該積極的進行校企合作的方式進行校外實訓基地的實踐操作，為學生的實踐創新平臺。對于低年級的學生應該開展近距離的觀摩機會，比如對設施設備的觀摩以及對物流中心的參觀等機會，能夠幫助學生熟悉企業物流操作的實際環境，建立學習的氛圍和信心。對于高年級的學生應該積極的開展實習機會，在實際操作中不斷的提高自身的綜合素質和專業技術水平，并且要做好實習報告的編寫工作，提出作業流程和操作方法的不科學之處，做好相應的改進方案，才能夠更好的幫助學生融入物流實踐中，感悟企業文化，了解物流行業的實際情況，進而才能夠調動學生的積極性和學習熱情，提高學生的創新意識和解決實際問題的能力。

圖5 儀表板及所有設備的完整仿真模型圖

表2 各電子設備主要發熱元器件熱特性參數表

2.5 求解設置

2.5.1 網格設置

FloTHERM采用正交網格技術，為了保證求解精度，網格長寬比應控制在20以內，最小網格尺寸大于求解區域尺寸的106。載人飛船儀表板及其設備的熱仿真計算模型建模完成后，按四種方法設置計算網格。

（1）系統網格設置。通過系統網格的設置，保證所有仿真模型的邊界和幾何體均有網格線存在；

（2）網格區域化處理。由于各設備由多個模塊組裝而成，各模塊間沒有干涉。針對各模塊做網格局域化處理，把各模塊本身的網格局限于模塊內部，以減少由于各模塊內部網格延伸至計算域邊界造成的網格數量過多。保證模塊內部網格尺度的前提下，大大減少計算量；

（3）調整網格。調整X，Y，Z三個方向上網格的最小尺寸和最大尺寸以進一步細化控制網格尺度，以保證計算準確度；

2.5.2 求解器設置

載人飛船儀表板及設備實際工況設置熱仿真模型的求解器，求解問題類型為考慮輻射散熱的穩態三維流動和傳熱耦合分析，并設置求解器參數。

2.6 求解過程

按照熱仿真模型和求解設置，經過2 544步的迭代計算。壓力、速度及溫度殘差均小于5，各監控點溫度曲線趨于平直，滿足收斂要求。

2.7 熱仿真結果

由熱仿真計算結果可得到：飛船儀表板上所安裝電子設備的主要發熱元器件的結溫值，如表3所示。整體表面溫度云圖如圖7所示，其中1臺設備的PCB板溫度云圖如圖8所示。

圖6 網格總數及質量圖

圖7 總模型正面溫度云圖

表3 主要發熱元器件結溫表

圖8 其中1臺設備的PCB板溫度云圖

3 結論

通過對熱仿真結果的分析，載人飛船儀表板所有設備元器件在給定工作環境條件下的結溫都滿足I級降額的要求，分析結果趨勢合理。同時熱控材料和部件選用正確，具有良好的繼承性，熱控措施合理、可行。運用FloTHERM進行航天電子產品熱仿真，能夠有效地驗證產品設計的合理性，能在設計初期將可能遇到的一系列問題考慮充分，并體現在具體的產品設計中，在一定程度上避免試驗驗證，降低人力物力成本，縮短設計周期，值得在航天產品設計及可靠性設計中推廣。

［1］閔桂榮，郭舜.航天器熱控制［M］.第2版.北京：科學出版社，1998.

［2］范含林.空間環境對航天器熱設計影響分析［J］.航天器環境工程，2008，25（3）：220-223.

［3］Swanson T D，Birur G C.NASA thermal control technologies forrobticspacecraft［C］//Paperfor12thIHPC，2002.

［4］尉海霞，朱建炳，潘雁頻，等.有限元法在輻射制冷器熱分析中的應用［J］.真空與低溫，2006，12（2）：91-94.

［5］鈕冬科，金曉怡，張向偉，等.基于Flotherm的電子電路熱仿真分析與研究［J］.現代電子技術，2015，38（6）：16-24.

THERMAL ANALYSIS FOR A SPACEFLIGHT INSTRUMENT PANEL

WANG Ke-cheng，MACong，SUN Liang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Spacecraft is a complete machine of electronic products，astrospace is used as heat sink.Discharging heat out to external space effectively is the primary mission of spacecraft thermal design.But for electronic products inboard，the mission is mainly transmitting thermal power dissipation to baseplate，enclosure and bulkhead，make sure that components work reliably in the range of allowable working temperature.Apply finite element analysis software FloTHERM to conduct thermal analysis during spacecraft electronic products design period，adjust and optimize the thermal control scheme to make electronic components work safely and reliably.

spacecraft products；thermal analysis；instrument panel；electronic equipment；PCB panel

V441

A

1006-7086（2016）02-0090-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.006

2015-12-23

王克成（1975-），男，甘肅民勤縣人，高級工程師，主要從事航天產品及可靠性設計。E-mail：wkc_200@sina.com。