慣性平臺系統(tǒng)熱設(shè)計方法綜述

崔建鑫 楊孟興 楊朋軍

摘 要：慣性平臺系統(tǒng)作為慣性坐標(biāo)基準(zhǔn)和測量裝置，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭等飛行器中，其精度直接影響飛行器的工作效率。慣性平臺系統(tǒng)在工作過程中由于熱問題造成較大精度損失，陀螺儀和加速度表在工作過程中會為系統(tǒng)帶來一定的熱問題，有必要就其溫度場進(jìn)行研究并進(jìn)行相關(guān)熱設(shè)計，以提高工作精度。目前國內(nèi)外主要依靠經(jīng)典傳熱理論，利用有限元方法對溫度場進(jìn)行分析；主要從溫控、熱平衡、熱穩(wěn)定等方面進(jìn)行熱設(shè)計，相關(guān)熱設(shè)計方法有添加加熱片、隔熱片、設(shè)計風(fēng)扇、改善材料等。文章較為完整地整合慣性平臺溫度場研究狀況和熱設(shè)計方法，為今后同類工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：慣性平臺；溫控；熱分析；熱設(shè)計

慣性平臺系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、武器等領(lǐng)域的慣性測量設(shè)備，它為相關(guān)產(chǎn)品的工作提供慣性基準(zhǔn)及導(dǎo)航服務(wù)，是三航及相關(guān)軍事領(lǐng)域不可或缺的部件單元。慣性平臺系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上包括慣性器件、臺體、內(nèi)外框架、支架基座、減震器等，陀螺和加速度表安裝在臺體上面。當(dāng)平臺系統(tǒng)工作時，陀螺儀和加速度表會產(chǎn)生一定熱量，因此，平臺系統(tǒng)溫度場會發(fā)生變化，液浮陀螺對溫度十分敏感，進(jìn)而會使得陀螺隨機(jī)漂移增大，影響工作精度，因此，需要對慣性器件進(jìn)行溫度控制。另一方面，平臺內(nèi)部溫度場分布及平臺外溫度對其工作精度影響也非常大，需要對此進(jìn)行一定溫控工作[1]。

對于溫度場研究來說，主要以經(jīng)典傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)，輔助以相關(guān)的分析工具及方法進(jìn)行分析。我們現(xiàn)在常用的是基于有限元方法的分析，相關(guān)工具有ANSYS和UG，通過對相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行邊界界定，可以從一定程度上分析出它們的溫度場信息，為后續(xù)熱設(shè)計提供基礎(chǔ)。國內(nèi)外已有利用此技術(shù)對諸如機(jī)床之類的設(shè)備進(jìn)行完善熱分析研究的實例，目前在慣性平臺系統(tǒng)方面有所欠缺[2]。

就具體措施而言，國內(nèi)外有添加熱均衡罩、加熱片、設(shè)計風(fēng)道、改善材料等。相對來說慣性平臺結(jié)構(gòu)本身不好做大的改動，而使用加熱罩、加熱片等措施只能做宏觀的調(diào)控，照顧不到較為細(xì)致的熱問題，通過設(shè)計風(fēng)道來調(diào)節(jié)可以起到很好的效果，但是其原理復(fù)雜，難以操作；改善材料以減少溫度帶來的影響在效果上較為顯著，但是相關(guān)材料如鈹?shù)仁职嘿F，無法普及，因此，在慣性平臺熱設(shè)計方面仍有很大發(fā)展空間，需要有更好的方法來調(diào)整熱問題[3]。

1 慣性平臺溫度場進(jìn)行研究

對于慣性平臺溫度場的研究，主要使用的方法是有限元軟件分析，有限元分析法現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用在相關(guān)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析、熱學(xué)分析、電磁分析等方面，成為工程常用的工具之一[5]。ANSYS有兩種施加載荷的方式，即在有限元模型和實體模型上施加載荷，有限元模型是指單元和節(jié)點，實體模型包括關(guān)鍵點、線段、面和體，在實體模型上施加的載荷可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢拊Ｐ洼d荷。對于慣性平臺熱分析而言，其具體步驟主要有以下幾點[4]。

首先，應(yīng)該建立平臺結(jié)構(gòu)的三維模型，主要是通過相關(guān)軟件如UG和PROE等來實現(xiàn)。因為平臺結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以需要進(jìn)行一定的簡化，例如忽略某些小孔，改善某些曲面等，這樣是為了在有限元軟件如ANSYS中可以更容易地進(jìn)行分析求解。將模型導(dǎo)入后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后得出固體熱節(jié)點和熱單元的數(shù)目。繼而應(yīng)該確定邊界條件，確定邊界條件一般有3種方法：解析法、實驗法、試算法。解析法方便準(zhǔn)確，常用于確定運動體的工作狀態(tài)，如發(fā)動機(jī)零部件的運動學(xué)解析計算；實驗法主要是針對于難以解析確定的邊界條件，例如，進(jìn)行試驗測出零件表面的溫度作為第一類邊界條件，它通常比解析法更能反映出零件實際工作狀況，但由于試驗成本較高，所以使用不是很廣泛。有些情況下，邊界條件難以解析計算，又不好進(jìn)行試驗檢測，可以先假設(shè)再通過某一值進(jìn)行試算，使其與結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值吻合，繼而確定邊界條件[5]。

2 慣性平臺系統(tǒng)熱設(shè)計方法

要進(jìn)行慣性平臺系統(tǒng)熱設(shè)計，首先需要明確存在的問題以及設(shè)計目標(biāo)?，F(xiàn)階段慣性平臺存在的問題是陀螺儀溫度過高難以控制，平臺臺體溫度梯度過大。設(shè)計目標(biāo)是使得平臺內(nèi)部溫度較為均衡。平臺熱設(shè)計一般包括溫控、熱平衡和熱均勻穩(wěn)定等。溫控設(shè)計為熱設(shè)計提出基本的技術(shù)要求，例如我們上面說到的溫度場分析邊界條件的確定等。溫控設(shè)計主要是慣性器件的溫控和平臺系統(tǒng)的溫控，前者主要是陀螺的溫控，因為液浮陀螺對溫度十分敏感，所以需要對其進(jìn)行一定的研究和熱設(shè)計。平臺系統(tǒng)的溫控主要是針對于環(huán)境溫度，它的溫控精度要求是使得慣性器件周圍的溫度受外界溫度的影響減少，同時使得平臺內(nèi)部溫度場分布更均勻。具體熱設(shè)計是針對于慣性器件和平臺熱設(shè)計，一般包括以下幾個方面：控制發(fā)熱源、在結(jié)構(gòu)上做改進(jìn)、采取隔熱、改善材料等，示意圖如圖1所示。下面較為完整地介紹常見的熱設(shè)計方法[6]。

圖1 熱設(shè)計方法示意

2.1 添加熱均衡罩，加熱片，采取隔熱等

直接添加熱均衡罩、加熱片、隔熱片等部件是常見的熱設(shè)計方法，由于這些方法簡單易操作，且成本較低，因此廣受歡迎。但是相對來說其效果不夠突出，而且有可能影響到平臺本身的結(jié)構(gòu)。

中國航天九院第16研究所曾做過加裝加熱片的熱設(shè)計，為了降低陀螺附近的溫度值，提高最低溫度處的溫度值，在臺體陀螺一側(cè)的肋板上加裝加熱片，通過熱分析，發(fā)現(xiàn)添加加熱片有以下功用：首先提高了臺體的溫度值，減少了臺體與器件的溫度梯度；加熱片改善了臺體上的溫度分布，在減少陀螺溫度梯度的同時，也引起了各陀螺的溫度差。在經(jīng)過優(yōu)化后，臺體上的溫度分布變得更加均勻，雖然溫度稍微提高，但熱位移和熱應(yīng)力并沒有增加多少，因此，該方法是可行的[7]。

美國無人駕駛飛機(jī)“321”的平臺臺體外面包了一個導(dǎo)熱良好、熱容量大的紫銅均熱罩，它可以被視為臺體的等溫體，可以改善器件周圍溫度場的分布，同時又可以避免風(fēng)扇氣流等對器件的熱擾動。LTN-51平臺上，上下陀螺裝在臺體兩端，上面分別用鑄鋁均熱罩罩上，也可以起到一定的效果。采取均熱罩措施，既能保證慣性器件的工作溫度，使其較小受對流、輻射等因素的影響，又可以對溫度場分布有一定改善作用[8]。

通過一定的材料進(jìn)行隔熱也是常用的熱設(shè)計方法，通常會在結(jié)構(gòu)壁上涂抹隔熱材料來實現(xiàn)。熱填充材料應(yīng)當(dāng)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，目前，使用最多的是空心玻璃或陶瓷微珠。熱控涂層方法通常應(yīng)用于衛(wèi)星等航天器上，最初目的是平衡或隔離由于太陽光或飛行器摩擦引起的熱問題。有單位將其應(yīng)用至慣性平臺系統(tǒng)中來調(diào)控?zé)釂栴}，也取得了一定效果[9]。

2.2 設(shè)計風(fēng)道及散熱片

根據(jù)臺體的發(fā)熱功率以及環(huán)境溫度的要求，設(shè)計風(fēng)道或加裝散熱片來調(diào)整溫度也是常用的方法，需要確定風(fēng)道的風(fēng)量、風(fēng)速、壓力損失以及風(fēng)機(jī)的工作點以確定對流換熱系數(shù)。對風(fēng)道的特性分析主要是要分析計算風(fēng)道的阻力損失。它包括沿程阻力損失和局部阻力損失兩部分，前者是氣流與管道的摩擦所致，后者是氣流遇到彎道時產(chǎn)生的損失，在計算阻力時首先需要確定風(fēng)速，風(fēng)速可用風(fēng)量比橫截面得到，風(fēng)機(jī)可根據(jù)風(fēng)量與全壓進(jìn)行選擇。

中船重工707所曾做過相關(guān)設(shè)計，首先對風(fēng)量進(jìn)行估算，根據(jù)風(fēng)道形狀確定局部阻力系數(shù)，計算出內(nèi)外出風(fēng)口阻力損失，主要有沿程阻力損失和局部阻力損失。沿程阻力損失用下式計算：

Δ （1）

其中：λ為沿程阻力系數(shù)，l為風(fēng)道長度，γ為空氣重度。局部阻力損失用下式計算：

Δ （2）

然后將計算值與風(fēng)壓對比，用逐次逼近的方法計算直到風(fēng)機(jī)風(fēng)壓滿足風(fēng)道阻力損失的要求為止，從而確定風(fēng)量。706所的具體方法是采用兩組流風(fēng)機(jī)串聯(lián)的方式增大風(fēng)壓。通過計算陀螺儀與臺體、臺體與臺體罩、臺體罩與空氣之間的換熱，最后經(jīng)過溫度實驗得出結(jié)論。實驗表明，該風(fēng)道對溫控系統(tǒng)起到了很好的指導(dǎo)作用。為了提高50 ℃以下的適應(yīng)性，可以加大冷風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，以克服外風(fēng)道較大的風(fēng)阻，同時應(yīng)該適當(dāng)加大攪拌風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓風(fēng)量[10]。

天津航海儀器研究所也曾就風(fēng)道進(jìn)行過相關(guān)設(shè)計。在平臺工作過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)外風(fēng)道的風(fēng)機(jī)都不能達(dá)到良好的工作狀態(tài)，其原因是由于局部壓力損失和沿程壓力損失過大，針對這種情況他們對風(fēng)道進(jìn)行了改進(jìn)：合理設(shè)計風(fēng)道，以避免局部換熱；風(fēng)道橫截面面積增大，以增加換熱面積；同時截面突變盡量小，對于散熱翅片也進(jìn)行了一定的改進(jìn)。一般情況下管壁上的翅片不僅可以增加對流換熱有效面積，減少傳熱熱阻，而且可以改變流體的流動形式和阻力分布。翅片可以間接降低熱阻從而使得換熱系數(shù)增大，美國斯坦福大學(xué)對橫向粗糙肋的圓管做了空氣流動實驗，實驗表明，最佳的節(jié)距翅高比為7左右。

2.3 改善材料

對于慣性平臺系統(tǒng)來說，其結(jié)構(gòu)材料常用的是鋁合金，相對來說，它性能較好而且價格便宜，但是其熱性能在精度要求很高的慣性平臺系統(tǒng)中仍然不能滿足要求，主要體現(xiàn)在比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱穩(wěn)定性等上面。陀螺儀和加速度表在工作時，產(chǎn)生的熱量使得相關(guān)材料變形，從而影響整體系統(tǒng)的工作精度，對此有部分情況下采用了鈹材料，例如60年代研制的ST-124型穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)部件采用了鈹材，它不僅可以減輕重量，改善導(dǎo)熱性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且可以使平臺內(nèi)部框架固有頻率高于結(jié)構(gòu)共振點，因此，可以考慮去掉減震器，從而還可以縮小體積。但是鈹材價格昂貴，很難普及使用。

北京自動化控制設(shè)備研究所曾研究過金屬基復(fù)合材料（MMCS）在慣性儀表中的應(yīng)用，主要是考察到其力學(xué)性能、熱學(xué)性能、質(zhì)量要求等。許多時候相關(guān)鋁基材料可以作為鈹材的替代材料，這極大地減少了成本，MMCS具有很高的比強(qiáng)度、比模量，耐高溫且熱膨脹系數(shù)小，而且從工藝上來說較為容易制備，因此，很適合用于慣性平臺系統(tǒng)中，該單位曾做過相關(guān)研究，研究結(jié)果表明，MMCS可以很好地提高溫度控制精度[11]。

3 結(jié)語

本文對慣性平臺系統(tǒng)的溫度場分析及熱設(shè)計做了較為全面的介紹，主要涉及常用熱分析的方法流程，重點介紹了國內(nèi)外出現(xiàn)的一些熱設(shè)計方法。熱問題對于慣性平臺系統(tǒng)來說非常重要，直接影響到其工作精度，因此需要加以重視。目前慣用的方法還比較傳統(tǒng)，主要是從溫控和隔熱等結(jié)構(gòu)改進(jìn)來改善熱問題。在結(jié)構(gòu)上，通過改善材料來減輕熱問題影響具有較好前景，但是相對來說材料研究較為緩慢而且難度較大。但是有研究單位使用熱涂層技術(shù)來進(jìn)行熱控制，也具有一定的效果，未來應(yīng)該有一定前景。而增加加熱片、風(fēng)道等溫控措施將會越來越規(guī)范化，配合其他方式來共同提高慣性平臺的熱穩(wěn)定性。另外，多場耦合的問題也需要引起關(guān)注，有必要在熱分析時保證力、磁等性能滿足要求。預(yù)計未來的慣性平臺熱分析及熱設(shè)計將會借助計算機(jī)和相關(guān)軟件實現(xiàn)多場耦合直接分析和設(shè)計，例如基于參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)等，屆時平臺系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性將會有質(zhì)的提高。

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