一種彈載電子設備的熱控方式設計及仿真分析

劉景陽

（1.西南電子技術研究所，成都 610000； 2. 四川省空天電子裝備環境適應性技術工程實驗室，成都 610000）

引言

彈載電子設備能夠保證導彈在運行過程中穩定運行并精確命中目標，而隨著導彈性能提升，高溫、長時間、高熱耗等對彈載電子設備熱控提出了更為嚴苛的要求。由于彈載電子設備難以獲得外部冷源支撐，在對電子設備進行熱控設計時，通常不會選用液冷以及風機強迫風冷散熱這兩種散熱方式，更多地是選擇利用設備自身結構做熱沉的被動方式以延緩設備內部各電子器件在任務剖面條件下的溫升速率，從而達到設備在全工作周期內穩定工作的目的，而隨著工作時長的增加，電子設備熱耗累積，外部高溫環境持續輸入熱量，使得電子設備通過結構自身做熱沉已難以滿足設備的熱控需求。

目前，已有大量學者進行了彈載電子設備熱控技術研究。其中，候煦、尹本浩、楊喬森等[1-3]就相變材料在彈載電子設備中的應用進行了研究，證明了相變材料對彈載電子設備熱控起到了重要作用，鄭雪曉、王磊等[4-6]就相變材料強化導熱結構進行了研究，證明了通過設計增強導熱的結構可提升相變材料利用效率，強化電子設備散熱能力，YARAN W、劉振宇等[7-9]論證了高導熱材料作為熱沉可減少固體傳導熱阻提升散熱能力。

由于部分彈載電子設備內部結構緊湊，無法在設備內部增加熱沉對芯片進行熱控，為了能夠使滿足彈載電子設備更長時間的穩定運行要求，可通過外掛熱沉模塊的形式，對電子設備整體進行熱控。外掛熱沉結構可通過外掛實心結構模塊或外掛相變模塊的形式實現。

本文以一種典型磚式相控陣天線作為研究對象。分別研究了設備原結構、外掛結構熱沉以及外掛相變熱沉三種形式對設備在不同時間內的升溫速率，并對比外掛結構材料熱沉以及外掛相變材料熱沉對于電子設備升溫速率的影響。再通過進一步對比外掛結構材料熱沉以及外掛相變材料熱沉得尺寸、質量等相關收益，找出在任務剖面條件下，實現彈載電子設備熱控的有效措施。

1 理論基礎

1.1 基礎理論分析

根據能量守恒定律，電子設備升溫所需熱量等于外界流入熱量與內部熱源產熱之和。且本論文采用有限體積法進行仿真分析，NS 方程為：

1.2 外掛熱沉的估算

設備隨時間變化的升溫方程為：

式中：

φ—輸入熱量；

m—物體質量；

cp—物體定壓比熱容；

Δt—溫度變化量；

Δτ—時間變化量。

當通過采用增加結構材料的形式來達到熱控目的時，在傳熱方程中物體質量m增加，相同溫升Δt下的溫升時間τΔ 增加，設備達到熱控目的。

當通過采用增加相變材料的形式達到熱控目的時，一方面設備整體質量m增加，溫升時間得到延緩，另一方面，當設備溫升到相變材料相變溫度點時，相變材料開始進行相變并在一定溫度區間內吸收大量熱量，該過程在仿真中可等效為相變材料在相變溫度區間內比熱容cp突然增加，進而大幅延長溫升時間Δτ。

2 模型及邊界條件

2.1 模型介紹

某型磚式相控陣天線結構形式如圖1 所示。由于該相控陣天線內部結構緊湊，在相控陣天線內部增加相變材料或增加結構材料作為熱沉難度較高，所以在相控陣天線兩側外掛兩個熱沉模塊的形式延緩設備溫升，具體表現形式如圖2 所示。

圖1 典型相控陣天線結構示意圖

圖2 外掛熱沉結構形式

圖3 設備內部芯片溫升曲線對比

圖4 設備外殼溫升對比

圖5 1 000 s 設備外殼溫度

圖6 2 000 s 設備外殼溫度

圖7 3 000 s 設備外殼溫度

圖8 3 000 s 外掛熱沉中心截面溫度

該相控陣天線的發熱部分由圖1 中的多個氮化鎵發熱芯片構成，將熱量傳導至結構件上進行散熱。圖2 中的外掛熱沉作為相控陣天線的安裝附件安裝于設備兩側以延緩設備整體溫升。

2.2 邊界條件介紹

該相控陣天線總熱耗為20 W，在該設備工作過程中外界熱量通過圖1 中的安裝支耳以及通過輻射的形式進入電子設備。相控陣天線結構件材料選用6063 鋁合金，發熱芯片為氮化鎵芯片，結構熱沉材料選用黃銅，相變材料選用一種70 ℃復合石蠟相變材料，相變潛熱為220 J/g，相變材料熔程為（70～74）℃。各材料屬性如表 1 所示。

表1 復合相變材料屬性表

3 結果分析

本論文以3 000 s 作為任務剖面條件，對比分析了相控陣天線在無外掛熱沉模塊、外掛結構熱沉以及外掛相變熱沉三種情況下的設備溫升情況在1 000 s、2 000 s 以及3 000 s 設備的工作狀態，并得到如下結果。

根據以上結果可知，在3 000 s 工作時間內，相控陣天線在無外掛熱沉的情況下溫升最高，天線內部電子器件有效工作時長最短，相控陣天線外掛結構熱沉或相變熱沉后溫升速率明顯降低，溫度降低達到50 ℃，其中相控陣天線外掛相變熱沉的溫升速率最低，相比相控陣天線外掛結構熱沉降低（8～10）℃。此外，同體積結構熱沉是同體積相變熱沉質量的9～10 倍，外掛相變熱沉對設備整體質量負荷更低，所以外掛相變模塊對于降低設備升溫速率，提升任務剖面條件下的電子設備工作性能最為有效。

同時，由圖 7、圖 8 可知，在3 000 s 工作時間內，彈載電子設備外掛相變熱沉的外殼溫度最高不超過100 ℃，而相變材料熔程為（70～74）℃，說明相變材料并未完全融化，所以本論文中的相變熱沉設計仍有進一步優化的空間。

4 結論

本文針對彈載電子設備熱控要求設計了一種外掛熱沉作為電子設備的安裝附件以降低電子設備升溫速率，提升電子設備在任務剖面條件下的熱控性能。對比了同一電子設備在不外掛熱沉、外掛結構熱沉、外掛相變熱沉三種情況下的溫升情況，結論如下：

1）電子設備外掛結構熱沉以及外掛相變熱沉相較于無外掛熱沉，均能提升設備的散熱性能，延長彈載電子設備的工作時間（1 000～1 500）s，滿足設備在任務剖面條件下的長時間工作要求；

2）通過外掛熱沉模塊的形式，可以在不改動電子設備內部結構的情況下，延長彈載電子設備的工作時間，且外掛熱沉模塊作為設備的安裝附件，可根據設備實際安裝空間進行靈活調整，具有安裝方便、加工難度低等優點；

3）同體積的相變材料比結構材料能達到更好的熱控效果，并且結構熱沉質量是相變熱沉的9～10 倍，所以相變材料更適合用作彈載電子設備熱沉材料，而且隨著材料科學技術的不斷進步，相變材料的導熱系數、相變焓值不斷增加，這將為相變熱控技術的應用提供更大的可能。