王 東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036)

星載電子設(shè)備需要承受運(yùn)輸、發(fā)射、爬升及在軌工作等各個(gè)階段的熱環(huán)境，尤其是在入軌工作后，會(huì)受到真空、微重力、深冷空間、粒子輻照、太陽(yáng)紫外輻射及軌道熱源等空間環(huán)境因素的共同作用，使星載電子設(shè)備所面對(duì)的熱環(huán)境異常復(fù)雜[1]。因此，如何使星載電子設(shè)備具有很高的可靠性和熱環(huán)境適應(yīng)性是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。

安裝在衛(wèi)星艙體內(nèi)部的電子設(shè)備，由于處在真空狀態(tài)，自然對(duì)流無(wú)法產(chǎn)生，只能通過(guò)與安裝平臺(tái)間的傳導(dǎo)、與艙壁及周圍設(shè)備間的輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的耗散[2]。為了提高輻射散熱，可以通過(guò)采用增大有效輻射表面積、對(duì)設(shè)備外表面做發(fā)黑處理以提高表面發(fā)射率等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳導(dǎo)則需要金屬良導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)固體導(dǎo)熱的傅立葉定論可知，兩個(gè)相互接觸的表面之間實(shí)現(xiàn)接觸傳熱，在材料、導(dǎo)熱路徑等因素不變的情況下，接觸面積的大小決定了熱傳導(dǎo)的效果。接觸表面的平面度決定了兩個(gè)表面間的接觸狀況，對(duì)設(shè)備的散熱有著重要的影響，因此在熱設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮。通常情況下，安裝面平面度需不大于0.1mm/(100mm×100mm)。

本文對(duì)某大功耗星載電子設(shè)備進(jìn)行了構(gòu)型設(shè)計(jì)和平面度分析計(jì)算，并通過(guò)實(shí)物測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

星載電子設(shè)備的構(gòu)型種類繁多，主要有箱體內(nèi)插板式、模塊化組合或拼接式、盒體式等[3]。其中，模塊化組合或拼接式構(gòu)型因其具有擴(kuò)展性好、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，是星載電子設(shè)備的首選構(gòu)型。如圖 1所示的傳統(tǒng)拼接式星載電子設(shè)備通常將多個(gè)功能模塊彼此之間通過(guò)螺栓聯(lián)接，再固定在公用底板上，然后與衛(wèi)星平臺(tái)連接。

圖1 傳統(tǒng)的模塊化星載電子設(shè)備構(gòu)型

傳統(tǒng)構(gòu)型的星載模塊化電子設(shè)備的安裝底板為單一零件，其平面度能較容易地控制在0.1mm/(100mm×100mm)以內(nèi)，但是會(huì)增加設(shè)備體積和質(zhì)量，且設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱器件向衛(wèi)星平臺(tái)傳導(dǎo)熱量的路徑較長(zhǎng)，熱阻較大。

某大功耗星載電子設(shè)備由5個(gè)功能模塊組成，其本體尺寸為320mm×175mm×238mm，總質(zhì)量約18kg，總熱耗約120W。利用Flotherm工具軟件建立基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型的熱分析模型，通過(guò)數(shù)字仿真計(jì)算，獲得了其在真空、微重力環(huán)境下設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱器件的溫度水平，發(fā)現(xiàn)部分器件的結(jié)溫不滿足I級(jí)降額的要求。為了降低發(fā)熱器件的溫度水平，縮短發(fā)熱器件的傳熱路徑，取消公用底板，使各功能模塊的機(jī)殼直接與平臺(tái)接觸，其構(gòu)型如圖 2所示。

圖2 某大功耗星載模塊化電子設(shè)備改進(jìn)構(gòu)型

通過(guò)仿真計(jì)算可知，改進(jìn)構(gòu)型后的設(shè)備內(nèi)部器件的溫度水平得到了控制，滿足了I級(jí)降額的要求。但與傳統(tǒng)構(gòu)型相比，設(shè)備的安裝面由單一零件構(gòu)成變成了由5個(gè)零件構(gòu)成，如何保證拼接后安裝面的平面度滿足不大于0.1mm/(100mm×100mm)的要求成為急需解決的難題。

2 平面度分析計(jì)算

由于該電子設(shè)備為模塊化組合拼接式構(gòu)型，各單元間接觸面與各自安裝底面的垂直度將影響單機(jī)拼裝后的平面度。為滿足設(shè)備平面度要求，需要對(duì)各單元安裝底面的平面度及各單元間接觸面與安裝底面的垂直度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)垂直度及平面度的定義，對(duì)于兩個(gè)有垂直度要求的平面而言，最極端的情況為垂直面相對(duì)于基準(zhǔn)面有同一個(gè)方向的偏移，且隨著垂直面上的點(diǎn)與基準(zhǔn)面的距離越遠(yuǎn)其偏移量越大，即形成如圖 3所示的一個(gè)角度偏移。

圖3 垂直度極端情況說(shuō)明

圖中:H為模塊高度，L為模塊厚度，A為底面基準(zhǔn)，B為側(cè)面基準(zhǔn)，c為設(shè)計(jì)垂直度值，d為設(shè)計(jì)底面平面度值，α為側(cè)面偏移角。α計(jì)算公式為：

α=arctan(c/H)≈c/H

(1)

若設(shè)備由n個(gè)模塊拼接而成，當(dāng)以傾斜面為接觸面時(shí)，安裝面平面度變化最極端的情況如圖4所示。

此時(shí)，設(shè)備的底面平面度即為圖中坐標(biāo)點(diǎn)P2,P3到線段P1P4的距離DP2,DP3中的最大值。若以坐標(biāo)點(diǎn)P2為坐標(biāo)原點(diǎn)，則各坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值如下：

圖4 拼裝結(jié)構(gòu)極端平面度情況說(shuō)明

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Lj為第j個(gè)模塊的厚度；βj為第j個(gè)模塊的相對(duì)傾斜角度。根據(jù)三角形內(nèi)角和定理可得：

βj=βj-1+2α=2|j-m|α

(6)

其中m的取值滿足：

(7)

由于角度βj較小，因此m的取值可近似為滿足：

(8)

設(shè)線段P1P4的方程為y=kx+b，其中：

(9)

(10)

點(diǎn)P2到線段P1P4的距離為：

(11)

點(diǎn)P3到線段P1P4的距離為：

(12)

此時(shí)的設(shè)備底面的實(shí)際平面度值dS與設(shè)計(jì)平面度值d的關(guān)系為：

dS=d+max(DP2,DP3)

(13)

對(duì)于該星載設(shè)備而言，L1=60mm,L2=22mm,L3=38mm,L4=35mm,L5=50mm,H=238mm,n=5，則m=3,β1=β5=4α,β2=β4=2α，于是：

(14)

b=[(L3+L4+L5)(4αL1+2αL2)+(L1+L2)(2αL4+4αL5)]/(L1+L2+L3+L4+L5)=278.4α

(15)

由于k>0，b>0，根據(jù)式(11)、(12)可知，DP3>DP2。因此為滿足平面度指標(biāo)dS≤0.1mm的要求，即有：

(16)

根據(jù)加工設(shè)備情況，取設(shè)計(jì)平面度值d=0.04mm，則α≤2.14×10-4(°)，于是設(shè)計(jì)垂直度值c=αH≤0.051mm。在實(shí)際工程中，將設(shè)計(jì)平面度值d和設(shè)計(jì)垂直度值c均取值為0.04mm，此時(shí)實(shí)際的平面度值約為0.087mm。由于設(shè)備的長(zhǎng)度和寬度均大于100 mm，當(dāng)最大偏差點(diǎn)沒(méi)有位于同一個(gè)100mm×100mm區(qū)域時(shí)，實(shí)際的檢驗(yàn)平面度值會(huì)低于0.087mm，滿足不大于0.1mm/(100mm×100mm)的指標(biāo)要求。

3 裝配過(guò)程控制

由于該設(shè)備采用模塊化拼裝構(gòu)型，5個(gè)功能模塊僅通過(guò)6顆螺栓串接固定，且其中有4個(gè)模塊采用的是通孔結(jié)構(gòu)，雖然各模塊間均采用了鑲嵌結(jié)構(gòu)來(lái)限制模塊在豎直方向上的位移，但仍不能完全定位，因此設(shè)計(jì)了如圖 5所示的簡(jiǎn)易夾具，同時(shí)配合平面度為0.02 mm/(400mm×400mm)的高平面度安裝平臺(tái)來(lái)減小模塊在裝配過(guò)程中發(fā)生的豎向移動(dòng)。

夾具固定在安裝平臺(tái)上，由4根立柱和4根橫梁作為固定支撐，根據(jù)設(shè)備模塊數(shù)量配置相同數(shù)量的可移動(dòng)橫梁，在每個(gè)可移動(dòng)橫梁上配置3個(gè)壓條，壓條可以在橫梁上移動(dòng)，且高度可調(diào)，壓條的頭部采用聚四氟乙烯材料，以保證在壓緊模塊時(shí)不會(huì)破壞設(shè)備表面的鍍層。裝配時(shí)，先利用設(shè)備上的6顆螺栓預(yù)緊，再調(diào)整壓條的位置，分別壓在各個(gè)模塊的兩端和中部，然后再將螺栓擰緊，最后去掉工裝。

圖5 裝配工裝示意圖

4 實(shí)物驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述方法的可行性，按照上述設(shè)計(jì)和過(guò)程控制方法進(jìn)行了星載電子設(shè)備實(shí)物研制加工，并利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)安裝面平面度進(jìn)行測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)因其具有測(cè)量柔性和精確性被廣泛應(yīng)用于表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的測(cè)量[4-5]。將被測(cè)設(shè)備放置在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量工作臺(tái)上，并使設(shè)備的長(zhǎng)邊與測(cè)量機(jī)的Y軸平行，然后對(duì)平面度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量中共測(cè)24個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)覆蓋整個(gè)安裝底面，且在每個(gè)模塊上均勻分布。測(cè)量的布點(diǎn)情況如圖 6所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 1。

圖6 測(cè)點(diǎn)分布示意圖

表中的I,J,K方向?yàn)槿鴺?biāo)測(cè)量機(jī)給出的測(cè)點(diǎn)處的法向分量，偏差為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)數(shù)據(jù)處理后得到的該測(cè)點(diǎn)處相對(duì)于基準(zhǔn)平面的偏差。由表可知：最大正偏差為0.029mm，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)5；最大負(fù)偏差為-0.064mm，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2。于是可以得到該設(shè)備底面的平面度最大值為0.093 mm，法向矢量(-0.000 44,0.000 09,1.000 00)，此外根據(jù)測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)5的坐標(biāo)值，結(jié)合圖 7所示的臨近網(wǎng)格區(qū)域示意圖，可知兩點(diǎn)不屬于同一個(gè)100 mm×100 mm網(wǎng)格區(qū)域，由此可見(jiàn)，該設(shè)備的底面平面度滿足0.1 mm/(100mm×100mm)的要求。

表1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量的星載電子設(shè)備底面平面度數(shù)據(jù) mm

圖7 測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)5相近的100mm×100mm網(wǎng)格區(qū)域示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

星載電子設(shè)備安裝面的平面度對(duì)其傳熱性能的影響較大，應(yīng)該在初樣電性件研制階段就對(duì)平面度的相關(guān)影響因素進(jìn)行充分全面的分析，對(duì)各因素分配合理的控制指標(biāo)，并制定相應(yīng)的控制措施，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、裝配調(diào)試等過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格的控制。本文所提及的控制設(shè)計(jì)方法可以為保證模塊化電子設(shè)備的平面度提供借鑒。

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