氣動加熱對空空導彈內部電路的溫度影響分析

楊科??

摘要： 空空導彈彈體尾部組件所處位置特殊， 工作環境嚴酷， 本文基于FloTHERM建立該組件的熱仿真模型并進行計算分析， 以明確氣動加熱對彈體內部電路的溫度影響程度， 為保證元器件留有足夠的溫升余量提供數據支撐。 結果表明， 受試產品內部電路的溫升相對滯后， 而殼體溫度峰值時間為內部電路溫升迅速變化的分界點， 且隨自主飛時間的延長溫升越為顯著。

關鍵詞： 熱設計； 熱仿真； 氣動加熱

中圖分類號： TN784文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2017）01-0074-05[SQ0]

0引言

電子設備工作時， 設備和元器件的輸出功率往往只占輸入功率的一部分， 其功率損失一般都以熱能形式散發出去， 因而元器件和設備會發熱。 隨著電子元器件及電子設備功率密度的不斷增加， 溫度已成為影響其可靠性的主要因素之一[1-2] 。

隨著溫度的升高， 電子元器件及電子設備的失效率呈指數增長趨勢[2] ， 一般地， 環境溫度每升

高10 ℃， 失效率增大1倍以上， 因此稱為10 ℃法則[2-3]。 據統計， 超過55%的電子設備的失效是由溫度過高引起的[3-7]， 即電子設備的主要失效形式是熱失效。

在空空導彈使用過程中， 自主飛階段的氣動加熱給彈體內部電路的正常工作帶來惡劣影響， 這對氣動加熱的電路熱設計提出更高要求。 因此實際工作中， 有效利用熱分析軟件進行熱分析， 為復雜環境下產品的熱設計提供手段支持， 可提高產品一次成功率， 縮短研制周期， 降低成本[2]。

針對空空導彈某組件進行熱仿真分析， 明確氣動加熱對組件內部電路的溫度影響程度， 以便進行內部電路熱設計時保證足夠的溫升余量， 使元器件最高溫度控制在允許的溫度范圍內， 從而達到設計要求。

1基本理論

熱傳遞包括熱傳導、 對流換熱、 輻射換熱三種形式， 傳熱過程遵循能量守恒定律。 熱傳導基本定律是Fourier定律： 在純導熱中， 單位時間內通過給定面積的熱流量， 正比于該地垂直于導熱方向的截面面積及其溫度變化率， 其計算公式如下：

楊科： 氣動加熱對空空導彈內部電路的溫度影響分析

由于連續方程、 能量方程、 動量方程是相互耦合的， 以及熱控制方程的非線性及復雜性， 在定解條件下很難求出其解析解， 數值計算便成為解決這一問題的有力工具。 利用數值計算方法對上述非線性方程進行離散化， 得到一組代數方程組。 微分方程的區域離散方法很多， 其中以控制容積法最為常用。 電子設備熱仿真軟件FloTHERM基于計算流體動力學（CFD）理論， 采用蒙特卡羅法， 可以解決三維流場及基于面積細分高精度的輻射計算問題[9-13]。

本文基于FloTHERM對某型空空導彈的某組件進行建模和仿真分析。

2分析對象及建模

對于正常布局的空空導彈而言， 彈體尾部的組件大都套裝在發動機尾噴管之外。 如此可見， 此類組件通常會受到空中氣動加熱、 高溫尾焰以及發動機尾噴管三個部位的溫度影響， 因此對內部電路的熱設計提出很高要求。 某型空空導彈彈體尾部組件的結構組成如圖1所示， 其中將內部執行機構進行簡化。

結合受試產品的CAD模型， 并根據熱分析信息要求， 將受試產品CAD模型轉化為CFD模型。

模型中默認結構材料為鋁合金2A12； 其中電路板材料為FR4， 覆銅率按10%處理； 關鍵元器件按照SOIC封裝設定； 尾噴管按照15-5PH設定； 前殼體為鈦合金； 由于需要重點考慮氣動加熱對內部電路的影響， 必須設定各類材料的表面發射率， 詳細的材料屬性見表1。

3熱仿真分析

3.1邊界設定

本文主要分析空空導彈自主飛階段氣動加熱

（1） 40 s末， 氣動加熱對內部電路影響很小， 殼體溫升120 ℃， PCB板和自檢模塊分別僅有3.8 ℃和1.8 ℃溫升， 可見溫升相對滯后；

（2） 60 s末， 殼體內壁溫升151 ℃， PCB板和自檢模塊分別有11.3 ℃和6.3 ℃左右的溫升。 當內壁溫升提高至251 ℃， PCB板和自檢模塊溫升分別再有4 ℃和2.3 ℃的提高。 根據熱輻射理論可知， 物體的輻射力隨溫度的升高呈現非線性增長， 即60 s末內壁溫升提高至351 ℃， PCB板和自檢模塊的溫升至少達到19.3 ℃和10.9 ℃；

（3） 90 s末， PCB板和器件溫升比較明顯， 尤其峰值溫度提高后， PCB板和器件分別會有20～30 ℃溫升。

由此可見， 隨著空空導彈自主飛行時間的增長， 氣動加熱對內部電路的溫度影響程度更為顯著， 而殼體溫度的峰值時間為溫升迅速增大的分界點。 為了保證內部電路關鍵元器件的溫升余量， 提出如下建議：

（1） 在考慮殼體內外隔熱的同時， 需要根據氣動加熱仿真得到溫升結果， 對內部電路的熱設計進行優化改進；

（2） 改進空空導彈動力系統， 可采用雙脈沖發動機， 飛行速度達到最高馬赫數后用小推力巡航， 從而減小殼體氣動加熱效應。

4結論

本文基于FloTHERM模擬某組件氣動加熱條件， 分析內部電路的溫度場分布特性。 通過仿真計算， 受試產品內部電路的溫升相對滯后， 40 s前氣動加熱對內部電路影響很小； 而殼體溫度峰值時間為內部電路溫升迅速變化的分界點， 即60 s末殼體內壁溫升151 ℃， PCB板和自檢模塊分別有11.3 ℃和6.3 ℃左右的溫升， 且隨自主飛時間的延長溫升越為顯著。

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