(中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081)

1 引 言

隨著臨近空間(20～100 km)飛行器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備等有效載荷在飛行器上的應(yīng)用日趨廣泛，為了保障設(shè)備的正常工作，必須做好相應(yīng)的熱控措施。由于臨近空間環(huán)境獨特(空氣稀??；氣溫極低，變化復(fù)雜；氣壓低；臭氧和太陽輻射強；平均風(fēng)速低，20 km區(qū)平均風(fēng)速最小),使得直接工作在臨近空間的大功率電子設(shè)備熱設(shè)計面臨一個新的挑戰(zhàn)。臨近空間熱環(huán)境特性與地面有明顯的差異，臨近空間大功率電子設(shè)備所采用的熱控措施、熱仿真分析模型與地面設(shè)備有顯著的不同。

本文針對某臨近空間大功率電子設(shè)備的熱環(huán)境特性和工作要求，提出相應(yīng)的熱控措施，對其熱控系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計，利用Icepak軟件進行了熱仿真分析，得到了滿意的結(jié)果。

2 熱環(huán)境特性分析

臨近空間大致包括大氣的平流層、中間層和部分電離層區(qū)域。平流層距地面高度12～50 km,環(huán)境特性受地面的影響較小,大氣中雜質(zhì)很少,幾乎沒有水汽凝結(jié)和霧、雨、雹等氣象變化,只有微弱的上下對流。中間層距地面50～80 km,該層溫度先升后降,上下對流非常明顯。電離層距地面60～100 km,該層內(nèi)帶有高密度的帶電粒子,大部分氣體由于高溫發(fā)生電離。在臨近空間所跨越的三類大氣層中,相比而言,平流層的環(huán)境特性更適合臨近空間飛行器的“生存”。本文中的熱分析是針對20～50 km高度的平流層熱環(huán)境特性。

在北半球中緯度地區(qū),臨近空間約20 km高度處，其主要環(huán)境特點：大氣壓力約5.5 kPa，密度為0.088×103kg/m3，動力粘度μ=1.67×10-5m2/s，溫度約-57℃；氣流以水平運動為主，垂直對流運動很弱，大氣風(fēng)速隨緯度、季節(jié)和時間變化，20 km高空處風(fēng)速約為10 m/s；此外，空間大功率電子設(shè)備還要承受來自太陽短波輻射及地球-大氣系統(tǒng)長波熱輻射的外熱流，其中太陽輻射強度約為1 300 W/m2，地球表面平均長波熱輻射約為220 W/m2[1]。

考慮熱紅外波段的大氣傳輸,由于平流層上方大氣稀薄,水蒸氣、CO2等對長波吸收本領(lǐng)強的物質(zhì)顯著減少。較近地面的紅外大氣傳輸而言,平流層以上部分的大氣對長波的輻射熱阻顯著減小,熱源與深空背景的“輻射換熱”作用顯著,可以將平流層上方大氣看成是熱輻射的“透明體”[1]。

3 大功率電子設(shè)備熱設(shè)計

3.1 大功率電子設(shè)備的工作模式與熱控要求

某工程大功率電子設(shè)備(熱耗280 W)作為臨近空間飛行器(20 km高度)的有效載荷，安裝在飛行器平臺外壁面上，直接裸露于太空中，要求能連續(xù)工作48 h，其基座的可靠工作最高溫度不超過+75℃。由于空間限制，該設(shè)備體積很小，工作時發(fā)熱功率密度較大，其中最大發(fā)熱功率密度為16.2 W/cm2。熱分析表明，在不采取熱控措施的情況下，大功率電子設(shè)備工作時會快速升溫，超過設(shè)備允許的工作溫度會出現(xiàn)故障，必須采取有效的熱控措施。

3.2 熱控策略

本項目熱控設(shè)計的基本思想是在滿足大功率電子設(shè)備工作要求的前提下力求簡單、可靠，盡可能采用成熟的熱控技術(shù)和實施工藝，以保證熱控系統(tǒng)的高可靠性[2]。熱控制策略如下：

(1)臨近空間空氣稀薄，氣壓較低，不利于對流散熱，設(shè)備不同部件間的換熱主要依靠傳導(dǎo)，設(shè)備到空間環(huán)境的換熱主要依靠輻射；

(2)臨近空間大功率電子設(shè)備在白天工作時，受到較強的太陽短波熱輻射，需采用隔熱罩進行熱隔離，并在隔熱罩表面涂上低短波吸收率、高長波發(fā)射率的有機熱控涂層；

(3)用高傳熱特性的部件，把表面積較小、高熱功率密度的熱源轉(zhuǎn)換到表面積較大區(qū)域，以降低熱功率密度；

(4)散熱部件的表面涂高輻射發(fā)射率的涂層，以提高向環(huán)境的散熱效率。

3.3 熱控系統(tǒng)設(shè)計

大功率電子設(shè)備熱控系統(tǒng)模型如圖1所示，主要從以下3方面設(shè)計：

(1)熱隔離。在大功率電子設(shè)備的外圍設(shè)置隔熱罩，從而減小太陽輻射對其的影響；

(2)熱控涂層。在隔熱罩的外表面噴涂短波吸收率為0.17、長波發(fā)射率為0.87的SR107白漆，而在隔熱罩內(nèi)表面、大功率電子設(shè)備殼體、安裝底板表面等部位均噴涂高發(fā)射率的無光漆，以利于輻射散熱；

(3)低熱阻途徑。設(shè)計熱管散熱器，通過熱管等傳熱通道將大功率電子設(shè)備工作時產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至散熱器，熱量再經(jīng)由散熱器輻射到外空間。在熱傳遞路徑上各部件的接觸安裝表面均涂導(dǎo)熱脂，降低熱阻提高熱傳導(dǎo)效果。

圖1 大功率電子設(shè)備熱控系統(tǒng)模型

熱控系統(tǒng)設(shè)計的核心部分是熱管散熱器設(shè)計。由于大功率電子設(shè)備工作在惡劣的臨近空間，對流散熱幾乎無法實現(xiàn)，只能靠傳導(dǎo)和輻射，而其耗熱集中，熱流密度高達16.2 W/m2，采用傳統(tǒng)的散熱器已遠不能滿足散熱要求，利用熱管極高的導(dǎo)熱性、等溫傳熱性，可有效地散熱，設(shè)計工作的重點是要設(shè)計出滿足散熱要求、外形尺寸適當(dāng)、安裝接口適宜的專用熱管散熱器。

熱管散熱器模型如圖2所示，散熱通道見圖3。為了減小傳導(dǎo)接觸熱阻，大功率電子設(shè)備殼體底座和散熱器基板銑制成一體，將熱管的蒸發(fā)段通過焊接鑲嵌在基板內(nèi)，熱管的冷凝段與各散熱器翅片焊在一起，散熱器翅片通過低溫釬焊焊接到基板上。為了提高散熱器輻射能力，對散熱器表面進行陽極氧化以提高其發(fā)射率。

圖2 熱管散熱器模型

圖3 大功率電子設(shè)備散熱通道示意圖

4 熱仿真

為了在設(shè)計階段就獲得對熱設(shè)計效果的評估，用熱分析軟件Icepak對該設(shè)備熱設(shè)計模型進行了仿真。利用Icepak軟件現(xiàn)有模型庫中機箱、裝配體、熱源、散熱器等命令，建立熱控系統(tǒng)分析模型。首先進行參數(shù)設(shè)定，設(shè)定一種密度為0.088×103kg/m3的新流體，它的熱容和熱傳導(dǎo)率只相當(dāng)于空氣的1/14，并定義環(huán)境溫度、壓力、風(fēng)速、各模塊材料特性、熱源耗散功率等邊界條件。另外，該問題的求解也與常規(guī)問題不盡相同，在此也特別強調(diào)一下，Icepak采用的是Fluent的求解器。在計算純的傳導(dǎo)和輻射問題，要達到最終的收斂，需要將殘差設(shè)定得比較小一些，也就是把高能量方程的精度提高到10-17。在仿真過程中，利用Icepak軟件提供的Optimization功能，重點對熱管散熱器參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，其目標(biāo)是在保證散熱器最高溫度不超過75℃情況下散熱器的熱阻最小。將散熱器肋片的厚度、肋間距、肋高等參數(shù)設(shè)為變量，并給變量賦一系列值，Icepak將同時計算出變量取不同值時散熱器的熱阻值，并通過比較得出最優(yōu)結(jié)果。

由Icepak熱分析軟件得出熱控系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)果，熱管散熱器基板溫度分布圖如圖4所示，最高溫度為+70.17℃，滿足基座最高溫度不超過+75℃指標(biāo)要求；另外，由于鑲嵌在基板中的熱管起均溫作用，致使整個散熱器基板溫度差很小，約為4℃，這樣很好地解決了高功率密度散熱問題。該結(jié)果表明，所采取的熱控策略正確，熱控系統(tǒng)設(shè)計合理。

圖4 熱管散熱器基板溫度分布圖

5 試驗驗證

按上面的熱設(shè)計方法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在整機加工調(diào)試完成后，按照環(huán)境試驗要求進行低溫低氣壓環(huán)境試驗、臨近空間環(huán)境模擬試驗。通過試驗證明，設(shè)備工作正常，并通過預(yù)埋的溫度傳感器探測到大功率電子器件基座溫度為+71℃，該數(shù)值和仿真設(shè)計數(shù)據(jù)接近，滿足+75℃可靠工作的基座最高溫度指標(biāo)要求，滿足臨近空間使用需求。

6 結(jié)束語

臨近空間大功率電子設(shè)備熱設(shè)計的基本任務(wù)是在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻的通路，保證熱量順利傳遞出去，以滿足設(shè)備在臨近空間飛行器上的應(yīng)用與可靠運行。本文根據(jù)大功率電子設(shè)備的臨近空間熱環(huán)境和工作特點，以傳導(dǎo)和輻射為其主要傳熱方式設(shè)計了熱控系統(tǒng)，并采用熱隔離、熱控涂層、低熱阻途徑等熱控策略以提高其傳導(dǎo)和輻射換熱效率。通過Icepak熱分析軟件分析驗證了其熱控效果，優(yōu)化設(shè)計了熱管散熱器。試驗驗證表明，臨近空間大功率電子設(shè)備熱設(shè)計是合理的，滿足其溫度可靠性工作要求，對臨近空間環(huán)境的各類高功率電子設(shè)備的熱設(shè)計有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

參考文獻：

[1] 馬偉，宣益民，韓玉閣.臨近空間飛行器熱管理及熱設(shè)計方法[J].宇航學(xué)報，2009，30(5):354.

MA Wei, XUAN Yi-min, HAN Yu-ge. Thermal management and design principles of stratosphere vehicles[J]. Journal of Astronautics, 2009，30(5):354.(in Chinese)

[2] 謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計[M].南京：東南大學(xué)出版社，1989：120-168.

XIE De-ren.Thermal design of electronic equipment[M]. Nanjing:Southeast University Press，1989：120-168.(in Chinese)

[3] 邱成悌，趙享殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001.

QIU Cheng-ti,ZHAO Dun-shu,JIANG Quan-xing. Construct design principle of electronic equipment[M].Nanjing:Southeast University Press，2001.(in Chinese)

[4] 訾克明，吳清文，郭疆，等.空間光學(xué)遙感器CCD焦面組件熱設(shè)計[J].光學(xué)技術(shù)，2008，34(3):82-84.

ZI Ke-ming,WU Qing-wen,GUO Jiang,et al.Thermal design of CCD focal plane assembly of space optical remote-sensor[J].Optical Technique，2008，34(3):82-84. (in Chinese)

[5] 陳立恒，吳清文，盧鍔，等.空間攝像機的熱設(shè)計[J].光子學(xué)報，2008，37(10):125-128.

CHEN Li-heng, WU Qing-wen, LU E, et al. Thermal design for a space camera[J]. Acta Photonica Sinica，2008，37(10):125-128.(in Chinese)