雷達發(fā)射機的冷卻及熱設(shè)計優(yōu)化分析

蘇楠 王樂

摘 要： 雷達發(fā)射機以固態(tài)發(fā)射機為主，發(fā)射機運行的可靠性，一定程度上取決于冷卻系統(tǒng)及熱設(shè)計水平。本文簡要闡述了雷達發(fā)射機的冷卻方案，并對系統(tǒng)的熱機理進行了研究。基于此，分別針對冷卻系統(tǒng)及熱參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計問題，提出一系列的建議。通過對系統(tǒng)調(diào)試及性能評估結(jié)果的觀察，證實了優(yōu)化設(shè)計方案在提高雷達發(fā)射機性能方面的價值。

關(guān)鍵詞： 雷達發(fā)射機；冷卻系統(tǒng)；熱設(shè)計

前言：雷達發(fā)射機構(gòu)成較為復(fù)雜，冷卻系統(tǒng)為其主要部分。發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)中，各組件以及電源的運行，均會產(chǎn)生熱量。為避免發(fā)射機熱量過高，導(dǎo)致故障發(fā)生。應(yīng)通過風(fēng)量分配系統(tǒng)，以及冷卻裝置，將大部分熱量排除。可見，發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)及熱設(shè)計是否合理，對機械性能的影響較大。為提高發(fā)射機運行的穩(wěn)定性及可靠性，有必要對其冷卻及熱設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。

1 雷達發(fā)射機的冷卻方案及熱分析

雷法發(fā)射機中的電子元件，以晶體管為主。晶體管對溫度的敏感性較強，如熱設(shè)計不良，導(dǎo)致雷達發(fā)射機的運行溫度過高，晶體管極容易出現(xiàn)升溫現(xiàn)象。受其影響，雷達發(fā)射機的電流等指標(biāo)，均會出現(xiàn)異常。因此，可借助晶體管溫度的穩(wěn)定性，觀察發(fā)射機的熱設(shè)計水平[1]。如采用S代表穩(wěn)定性指標(biāo)，則有：

S=αIc/αIcbo

上述公式中，I代表電流，α代表常數(shù)。設(shè)計人員可采用該公式，實現(xiàn)對熱參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。雷達發(fā)射機冷卻系統(tǒng)的常用冷卻方案，以風(fēng)冷及水冷兩種為主。風(fēng)冷包括常規(guī)風(fēng)冷，與空調(diào)風(fēng)冷兩種形式。與前者相比，后者的冷卻效果更佳。因此，本課題決定采用空調(diào)風(fēng)冷的方式，對雷達發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

2 雷達發(fā)射機的冷卻及熱設(shè)計優(yōu)化方法

2.1 雷達發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方法

2.1.1 關(guān)鍵技術(shù)

本課題所設(shè)計的雷達發(fā)射機冷卻系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)以高校冷板技術(shù)、風(fēng)量分配技術(shù)等技術(shù)為主。以高效冷板技術(shù)為例：雷達發(fā)射機中，冷板屬于冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，與熱交換器的功能類似[2]。當(dāng)發(fā)射機運行后，冷板會隨之啟動，通過熱交換的方式，使發(fā)射機各元件的溫度得以降低。通常情況下，如冷卻空氣溫度處于40℃以下，冷板均能夠?qū)崃考右蕴幚恚拱l(fā)射機的性能得以增強。考慮到冷板的優(yōu)勢，設(shè)計人員可將其應(yīng)用到冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中，提高冷卻系統(tǒng)性能。

2.1.2 顯控設(shè)計

雷達發(fā)射機冷卻系統(tǒng)中，顯控設(shè)計的要點，在于對預(yù)警系統(tǒng)及通信系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計方法如下：（1）預(yù)警系統(tǒng)：為確保雷達發(fā)射機運行監(jiān)測人員，能夠?qū)崟r獲取發(fā)射機的運行數(shù)據(jù)。設(shè)計人員應(yīng)將供風(fēng)以及送風(fēng)溫度，作為兩項重點參數(shù)，納入到面板顯示參數(shù)的范圍內(nèi)，提高雷達發(fā)射機運行的穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，面板同樣需立即提示故障參數(shù)，同時，顯示故障類型。確保雷達發(fā)射機維修人員，能夠立即給予維修。（2）通信系統(tǒng)：本課題所設(shè)計的雷達發(fā)射機冷卻系統(tǒng)，通信可借助CAN總線串行口實現(xiàn)。該設(shè)計方法能夠有效滿足系統(tǒng)的通信需求。

2.1.3 可靠性設(shè)計

為提高雷達發(fā)射機冷卻系統(tǒng)的可靠性，本課題設(shè)計了“冷卻系統(tǒng)故障樹”。通過對實踐經(jīng)驗的總結(jié)，將系統(tǒng)故障分為了制冷故障、風(fēng)路故障，與控制系統(tǒng)故障三種類型。如采用λ代表失效率，則不同元件失效率的計算方式，應(yīng)有所不同。以控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)中的控保單元失效率計算公式如下：λ1=30×10-6/h。除此之外，風(fēng)路故障中，管道的失效率，則應(yīng)采用以下公式進行計算：λ2=10×10-6/h。單元二次冷卻裝置故障，應(yīng)采用以下公式計算：

MTBF（二次冷卻裝置故障）=1/Σλ=1/（λ1+λ2+λ3+...+λn）

2.2 雷達發(fā)射機的熱設(shè)計優(yōu)化方法

2.2.1 熱仿真理論

雷達發(fā)射機中，熱量的傳遞，包括導(dǎo)熱、對流以及輻射三種形式。但無論發(fā)射機以何種形式傳遞熱量，熱量的傳遞，均與能量守恒定律的描述相統(tǒng)一。對雷達發(fā)射機的熱參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計時，可采用以下仿真方程，對熱傳遞的能量以及擴散量等參數(shù)進行計算：

αρφ/αt=div（ρUφ）=div（Γφgradφ）+Sφ

公式中，φ為常數(shù)，Γφ為熱量的擴散指標(biāo)，S代表熱量的來源。在收集不同相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將上述公式應(yīng)用到熱參數(shù)設(shè)計中，既可計算出熱仿真數(shù)據(jù)。

2.2.2 熱仿真求解

假設(shè)雷達發(fā)射機的組件功耗為0.20kW，則為降低組件運行的溫度，雷達冷卻系統(tǒng)需產(chǎn)生的風(fēng)量應(yīng)為：

Q1=P/Pcp△t

系統(tǒng)運行所需的總風(fēng)量，應(yīng)為不同組件的風(fēng)量之和。考慮冷板的功能為影響熱參數(shù)以及雷達發(fā)射機冷卻效果的主要因素，設(shè)計人員應(yīng)將FLOTHER軟件，應(yīng)用到冷板參數(shù)的計算過程中，對不同風(fēng)速下冷板的阻力，及其對晶體管溫度的影響進行觀察。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷板的風(fēng)速為2.5m/s時，阻力應(yīng)為151Pa，此時，熱參數(shù)（最高）為74.5℃。隨著冷板風(fēng)速的增加，阻力顯著增大，雷達發(fā)射機的溫度，則顯著下降。當(dāng)風(fēng)速達到6m/s時，冷卻效果達到最好。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試及性能評估

為提高系統(tǒng)的可應(yīng)用性，本課題在雷達發(fā)射機冷卻系統(tǒng)以及熱參數(shù)優(yōu)化設(shè)計完成后，對系統(tǒng)進行了調(diào)試，并對其性能進行了評估。通過對評估效果的觀察發(fā)現(xiàn)：（1）系統(tǒng)測試期間，雷達發(fā)射機晶體管的溫度，一直處于63.3℃左右。表明，當(dāng)風(fēng)速為6m/s時，晶體管溫度可穩(wěn)定在較低的水平。（2）系統(tǒng)測試期間，未發(fā)現(xiàn)雷達發(fā)射機出現(xiàn)任何故障。表明，采用上述方式設(shè)計，效果較好。

結(jié)論：

綜上所述，本課題以空調(diào)風(fēng)冷模式為基礎(chǔ)所設(shè)計的雷達發(fā)射機冷卻系統(tǒng)，在降低發(fā)射機運行溫度方面，效果值得肯定。未來，建議有關(guān)領(lǐng)域通過對雷達發(fā)射機當(dāng)前運行狀態(tài)的觀察，判斷有無系統(tǒng)運行過熱的問題。如系統(tǒng)晶體管溫度存在異常，或發(fā)射機電流存在異常。應(yīng)立即考慮對其熱參數(shù)以及冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。使雷達發(fā)射機的性能得以提升，使其使用壽命得以延長。

參考文獻

[1]孫颋，周康.基于PXI總線的測控雷達發(fā)射機自動化測試系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代雷達，2017，39（06）：71-74+77.

[2]夏光濱，方勇，趙偉東.基于PIC單片機串行輪詢通信的相控陣?yán)走_發(fā)射機監(jiān)控設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016，13（17）：74-75.