王磊 文耀普

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京100094)

1 引言

電子器件功率的增大和集成度的提高,必然導(dǎo)致高熱流密度器件的出現(xiàn),例如行波管、微波功率放大器、電源控制器等[1-2]。

微波功率放大器具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、噪聲低、線性好等優(yōu)點(diǎn),在移動(dòng)通信、雷達(dá)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在有源相控陣?yán)走_(dá)中,微波功率放大器扮演著重要的角色。

微波功率放大器在大功率下工作,其所消耗的電能中大部分被轉(zhuǎn)換成熱能向周圍擴(kuò)散,使器件本身和周圍其他元器件處于高溫狀態(tài)下工作。而高溫使元器件電性能惡化,引起失效,導(dǎo)致設(shè)備可靠性下降[3-5]。資料表明:單個(gè)半導(dǎo)體元件的溫度升高10℃～12℃,其可靠性能降低50%[6]。

目前多數(shù)電子設(shè)備都有熱設(shè)計(jì)和熱分析,隨著器件的密集化,電子設(shè)備的功率密度增大,對(duì)熱設(shè)計(jì)的需求也日益強(qiáng)烈[7]。因?yàn)闊嵩O(shè)計(jì)不當(dāng),導(dǎo)致設(shè)備失效或性能下降的事例并不鮮見(jiàn)。因此合理的熱設(shè)計(jì)就成為微波功率放大器可靠性成敗的關(guān)鍵[8]。

本文對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星微波功率放大器(以下簡(jiǎn)稱功率放大器或放大器)的熱控設(shè)計(jì)以及熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

2 熱設(shè)計(jì)方案

環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在一年的運(yùn)行過(guò)程中,既存在全日照區(qū),又有陰影區(qū)。功率放大器的峰值熱耗為620W,熱流密度最大值為34 000W/m2,其中行波管熱耗450W,電源熱耗80W,調(diào)制器熱耗70W,微波開(kāi)關(guān)熱耗10W,控制器熱耗10W,功率放大器熱流分布如圖1所示,由圖中可以看出,在軌道周期中的熱耗波動(dòng)范圍非常大。功率放大器的安裝底板溫度要求為-50～+50℃,環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的功率放大器和其它載荷設(shè)備每圈軌道工作時(shí)間不超過(guò)15min,每天連續(xù)工作不超過(guò)4圈。

圖1 功率放大器熱流分布圖Fig.1 Heat flux of distribution

功率放大器的熱設(shè)計(jì)方案是:在放大器底部安裝熱控冷板,熱控冷板通過(guò)熱管與星體外部的熱輻射器連接,把熱量直接導(dǎo)到熱輻射器上,然后以輻射的方式排散到冷空間。熱輻射器的外表面使用太陽(yáng)吸收比較低、而發(fā)射率較高的SR107-ZK 熱控白漆,保證熱輻射器所受外部環(huán)境熱流的影響達(dá)到最小。

熱控冷板由實(shí)心板和蜂窩板組成,設(shè)計(jì)中根據(jù)熱控冷板的結(jié)構(gòu)尺寸以及熱源的位置,預(yù)埋8 根熱管。對(duì)預(yù)埋熱管,為了加大儀器與熱管之間的接觸面積、減輕重量,采用了鋁-氨軸向雙孔槽道熱管。該型熱管已在國(guó)內(nèi)、外航天器上大量使用,性能穩(wěn)定、工藝性好。

在熱控冷板內(nèi)表面功率放大器安裝區(qū)域外的兩側(cè),布置有電加熱回路,在放大器不工作時(shí),采取加熱補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行溫度補(bǔ)償,以確保放大器的溫度不會(huì)過(guò)低。

為了防止放大器、熱控冷板、熱管與星內(nèi)環(huán)境的熱耦合,減少星內(nèi)輻射散熱,在熱控冷板與熱管的外面包覆多層隔熱材料。

放大器表面(安裝面除外)噴ERB-2 黑漆或進(jìn)行黑色陽(yáng)極氧化處理。放大器與安裝面間填充導(dǎo)熱硅脂,以強(qiáng)化微波功率放大器與熱控冷板之間的熱交換。

放大器熱控設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 熱控設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Thermal Control Features

3 熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證功率放大器熱設(shè)計(jì)的正確性,針對(duì)熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了熱平衡試驗(yàn),放大器的熱平衡試驗(yàn)在熱真空模擬室中進(jìn)行[9]。

3.1 試驗(yàn)件狀態(tài)

功率放大器熱模擬小艙示意圖如圖3所示,熱模擬小艙由熱控冷板、熱模擬件、小艙艙板組成。

圖3 模擬小艙示意圖Fig.3 Stereogram of thermal simulation cabin

放大器的熱模擬件安裝在熱控冷板上,安裝面之間填充導(dǎo)熱脂。放大器外面為2mm 厚的鋁外殼,在鋁外殼外面包覆有多層隔熱材料。在放大器之外,是模擬小艙隔板。

熱控冷板的實(shí)心板部分的尺寸為550mm ×320mm ,此部分預(yù)埋5 根30mm×15mm ×1 150mm的雙孔槽道熱管。熱控冷板的其它部分為25mm厚蜂窩板,預(yù)埋有3 根25mm ×25mm×1 150mm 的雙孔槽道熱管;熱控冷板外表面噴SR107-ZK 白漆,面積為1 228mm×400mm,其余部分包覆多層隔熱組件。

熱控冷板內(nèi)表面粘貼加熱器,在小艙艙板和艙內(nèi)隔板上粘貼加熱器來(lái)模擬周圍邊界條件。

熱控冷板與小艙艙板之間墊5mm 玻璃鋼墊隔熱。

模擬小艙通過(guò)一個(gè)可調(diào)試水平度的支架,放在真空室的導(dǎo)軌小車上,試驗(yàn)時(shí)熱控冷板外表面朝上水平放置,即Y 軸垂直地面,熱管與地面平行。

3.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)包括3個(gè)工況,每個(gè)工況對(duì)應(yīng)的軌道周期飛行時(shí)間為90min,微波功率放大器工作15min。

工況1:小艙艙板和艙內(nèi)隔板溫度均為-5℃,功率放大器每圈軌道工作15min,連續(xù)工作4圈,停止工作4圈。

工況2:散熱面小艙艙板和艙內(nèi)隔板均為45℃,功率放大器每圈軌道工作15min,連續(xù)工作4圈,停止工作4圈。

工況3:小艙艙板和艙內(nèi)隔板均為45℃,功率放大器每圈軌道工作15min,連續(xù)工作8圈。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4～圖9是各試驗(yàn)工況的儀器溫度隨時(shí)間變化曲線。

圖4 工況1 行波管溫度曲線Fig.4 Temperature curve of TWT of case 1

圖5 工況1 微波功率放大器溫度曲線Fig.5 Temperature curve of pow er amplifier of case 1

工況1 最高溫度出現(xiàn)在第4圈軌道,功率放大器收集級(jí)最高溫度為13.9℃,慢波線溫度為-5.7℃(見(jiàn)圖4),放大器熱控冷板最高溫度為-18.8℃(見(jiàn)圖5)。

工況2 第1圈軌道結(jié)束時(shí)放大器收集級(jí)最高溫度為13.5℃,慢波線溫度為-5.9℃;第2圈軌道結(jié)束微波功率放大器收集級(jí)最高溫度為15.5℃,慢波線溫度為-3.4℃;第3圈軌道結(jié)束微波功率放大器收集級(jí)最高溫度為17.4℃,慢波線溫度為-0.74℃;第4圈軌道結(jié)束放大器收集級(jí)最高溫度為18.8℃,慢波線溫度為0.23℃(見(jiàn)圖6);放大器熱控冷板最高溫度為-12.0℃(見(jiàn)圖7)。由工況3試驗(yàn)結(jié)果可以看出,最高溫度出現(xiàn)在最后1圈軌道,此時(shí),放大器收集級(jí)最高溫度為44.3℃,慢波線溫度為25.6℃(見(jiàn)圖8);放大器熱控冷板最高溫度為14.1℃(見(jiàn)圖9)。

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,收集級(jí)的最高溫度為44.3℃,同一測(cè)點(diǎn)的最大溫升為56.3℃;慢波線的最高溫度為25.6℃,同一測(cè)點(diǎn)的最大溫升為37.6℃;放大器熱控冷板的最高溫度為14.1℃,同一測(cè)點(diǎn)的最大溫升為25.7℃;放大器艙板測(cè)溫點(diǎn)的溫度在-38.7℃～0.8℃之間。

圖6 工況2 行波管溫度曲線Fig.6 Temperature curve of TWT of case 2

圖7 工況2 功率放大器溫度曲線Fig.7 Temperature curve of pow er amplifier of case 2

圖8 工況3 行波管溫度曲線Fig.8 Temperature curve of travelling wave of case 3

圖9 工況3 微波功率放大器溫度曲線Fig.9 Temperature curve of pow er amplifier of case 3

在試驗(yàn)中,放大器安裝板的補(bǔ)償加熱功耗為160W,其工作方式為放大器工作時(shí)關(guān)閉,放大器不工作時(shí)工作。放大器安裝板的溫度在-38.7℃～-33.4℃之間,說(shuō)明目前的功耗是可以維持放大器安裝板在-35℃的水平。表1為各工況熱管溫度。

表中測(cè)點(diǎn)1、2、3表示在同一根熱管上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)。從表中可以看出,蜂窩板區(qū)域熱管的最大溫差為4.8℃,最小溫差為0.8℃;實(shí)心板區(qū)域熱管的最大溫差為12.2℃,最小溫差為0.2℃。由于實(shí)心板區(qū)域熱管的測(cè)溫點(diǎn)在熱管上方的實(shí)心板上,蜂窩板處的熱管的測(cè)溫點(diǎn)在熱管上方的蒙皮表面,因此,蜂窩板處的溫度較好地反映了熱管的溫度水平,而實(shí)心板處的溫度并不代表真實(shí)的熱管溫度,但可以反映熱管區(qū)域的溫度變化?？傮w上看,熱管溫度與功率放大器溫度的一致性保持得很好,以上數(shù)據(jù)說(shuō)明熱管工作正常,顯示了熱管拉平儀器溫度的作用。

表1 熱管溫度Table1 Temperature distribution of heat pipe℃

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星有效載荷微波功率放大器的特點(diǎn),采用主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的熱設(shè)計(jì)思想和方法,合理進(jìn)行了散熱面、隔熱措施和等溫化熱設(shè)計(jì),并輔以電加熱的主動(dòng)熱設(shè)計(jì),完成了微波功率放大器的熱控設(shè)計(jì)。根據(jù)熱控設(shè)計(jì)的方案,進(jìn)行了相應(yīng)的熱平衡試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,熱設(shè)計(jì)可以滿足設(shè)計(jì)要求。

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