程國(guó)輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，　浙江 嘉興 314033)

引　言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，偵察和干擾敵方通信設(shè)備的電子戰(zhàn)日益重要，電子戰(zhàn)衛(wèi)星是掌握、奪取和控制空間電磁權(quán)的重要手段，其作用是其他偵查手段無法替代的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)境外特定區(qū)域長(zhǎng)期、連續(xù)的監(jiān)視，為戰(zhàn)略決策提供依據(jù)。

星載電子設(shè)備便是為實(shí)現(xiàn)各種既定戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)而安裝在衛(wèi)星平臺(tái)上的電子設(shè)備，其結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)必須要對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和空間環(huán)境具有清晰的概念，充分了解其特殊性，并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)過程中有針對(duì)性的開展相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

與一般電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，星載平臺(tái)的特殊性直接影響著星載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)內(nèi)容上體現(xiàn)出不同。

本文結(jié)合某型號(hào)星載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，介紹了結(jié)構(gòu)總體布局設(shè)計(jì)、電子設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)、材料選用及環(huán)境適應(yīng)性等方面內(nèi)容，對(duì)類似項(xiàng)目具有參考價(jià)值。

1　平臺(tái)及環(huán)境特點(diǎn)

1.1　真空環(huán)境

衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，處于真空環(huán)境，除載人航天器外，一般衛(wèi)星均為非氣密結(jié)構(gòu)。由于衛(wèi)星內(nèi)部的載荷艙為真空環(huán)境，所以在地面經(jīng)常利用空氣對(duì)流散熱的各種措施不適用，即使在有空氣的密封環(huán)境中，由于微重力的影響，空氣的自然對(duì)流散熱也已不存在，在地面上散熱效果很差的輻射傳熱成為重要的散熱方式[1]。

1.2　熱環(huán)境

安裝于衛(wèi)星艙內(nèi)的設(shè)備，由于受到星體的遮擋，不直接面對(duì)軌道熱源和冷空間，其溫度范圍主要由衛(wèi)星載荷艙熱控確定，本系統(tǒng)艙內(nèi)電子設(shè)備工作溫度范圍為-10 ℃～+55 ℃。

安裝于艙外的設(shè)備，由于直接面對(duì)軌道熱源和冷空間，其工作溫度范圍和軌道、熱容量、表面熱控涂層密切相關(guān)。本系統(tǒng)艙外電子設(shè)備工作溫度范圍為-70 ℃～+70 ℃。

1.3　空間輻射環(huán)境

近地空間的帶電粒子輻射是對(duì)星載電子系統(tǒng)具有嚴(yán)重威脅的環(huán)境因素，主要包括地球輻射帶、太陽宇宙線、銀河宇宙線、等離子體等，并且與太陽活動(dòng)密切相關(guān)?？臻g帶電粒子與星載電子系統(tǒng)的電子元器件及材料發(fā)生相互作用，產(chǎn)生各種輻射效應(yīng)，從而產(chǎn)生不良影響。就目前的認(rèn)識(shí)而言，對(duì)星載電子設(shè)備影響較大的空間輻射效應(yīng)主要為總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。

1.4　衛(wèi)星平臺(tái)特性

衛(wèi)星平臺(tái)不同于飛機(jī)、艦船、車輛等平臺(tái)，具有其特殊性：在衛(wèi)星發(fā)射階段的沖擊、振動(dòng)條件惡劣；對(duì)有效載荷的尺寸、功耗及重量要求非常嚴(yán)格；對(duì)設(shè)備的可靠性和安全性要求非常高，對(duì)維修性要求相對(duì)不高[2]。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　結(jié)構(gòu)總體布局

該型號(hào)星載電子設(shè)備由接收處理機(jī)和天線陣組成。接收處理機(jī)安裝于衛(wèi)星載荷艙底板，天線陣安裝與星體對(duì)地面，如圖1所示。

圖1　設(shè)備安裝示意圖

2.2　結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)

接收處理機(jī)由多個(gè)模塊直接拼接組成，模塊之間設(shè)計(jì)嵌裝導(dǎo)電橡膠襯墊，用來提高電磁屏蔽性能及結(jié)構(gòu)可靠性[3]。設(shè)備固定支腳設(shè)計(jì)在模塊底部，模塊之間通過長(zhǎng)螺桿組合，模塊之間的電氣連接通過安裝于模塊側(cè)面的母板實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2　接收處理機(jī)示意圖

這種模塊拼裝結(jié)構(gòu)取消了常規(guī)的機(jī)箱框架，重量較輕，而且模塊可采用異型結(jié)構(gòu)，減少了尺寸和重量的浪費(fèi)。同時(shí)，模塊直接與安裝面接觸，具有最短的散熱路徑。這些特性非常適應(yīng)對(duì)重量、尺寸要求非常嚴(yán)格的星載設(shè)備，在很多航天項(xiàng)目上得到了應(yīng)用。

2.3　結(jié)構(gòu)接口設(shè)計(jì)

設(shè)備外形設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)衛(wèi)星空間布局要求，接收處理機(jī)高度為220 mm(一般航天產(chǎn)品建造者規(guī)范要求不大于260 mm)，對(duì)外電連接器插頭(座)應(yīng)布局于設(shè)備頂部(平行于設(shè)備安裝面)。

設(shè)備采用安裝凸耳的形式進(jìn)行安裝，并且直接安裝于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上，凸耳必須根據(jù)衛(wèi)星的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。連接點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)設(shè)備的質(zhì)量和熱控要求，以有利于設(shè)備的熱環(huán)境及力學(xué)環(huán)境為目標(biāo)。

2.4　表面處理

設(shè)備應(yīng)根據(jù)所使用的材料、所處的空間環(huán)境條件進(jìn)行表面處理，可選擇本色、光亮或黑色陽極氧化、涂覆熱控漆等。如無熱控需要，不銹鋼、鈹合金、玻璃纖維不需要進(jìn)行表面處理；除有特殊(如隔熱)要求外，星載電子設(shè)備的接觸面應(yīng)做導(dǎo)電處理。

本系統(tǒng)中，安裝于載荷艙接收處理機(jī)表面進(jìn)行黑色陽極氧化處理；安裝于星體外的天線，涂覆白色熱控漆。

2.5　材料選用

星載電子設(shè)備必須謹(jǐn)慎選用材料，盡量選用目錄內(nèi)或經(jīng)過飛行驗(yàn)證的材料，避免選用禁(限)用材料。若選用目錄外或未經(jīng)飛行驗(yàn)證的材料，應(yīng)經(jīng)過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，并報(bào)衛(wèi)星總體批準(zhǔn)。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料選用5A05鋁合金，緊固件選用航天等級(jí)的不銹鋼緊固件；導(dǎo)熱填料優(yōu)選T-flex系列導(dǎo)熱襯墊及D-3導(dǎo)熱脂等。

3　環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

星載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性包括熱設(shè)計(jì)、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)、三防等多方面內(nèi)容，本文主要從具有星載特點(diǎn)的幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

3.1　熱設(shè)計(jì)

衛(wèi)星熱控保障載荷安裝板處于工作溫度范圍，數(shù)字接收處理機(jī)的熱設(shè)計(jì)就是通過熱傳導(dǎo)和輻射將設(shè)備內(nèi)部元器件的熱量傳輸?shù)桨惭b板，保證元器件工作溫度保持在安全的范圍內(nèi)，并滿足元器件一級(jí)降額要求[4]。

設(shè)備熱設(shè)計(jì)時(shí)，采用以下措施：

1)盡量選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料；

2)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡可能減少傳導(dǎo)熱阻和接觸熱阻；

3)元器件熱耗較大或熱流密度較高時(shí)，選擇導(dǎo)熱性能較好的金屬基底或陶瓷基底印制板；

4)優(yōu)化印制板上元器件的布局，避免局部熱耗集中；

5)熱耗大的元器件安裝于金屬結(jié)構(gòu)上或提供額外的傳導(dǎo)路徑；

6)合理使用導(dǎo)熱填充材料，降低接觸熱阻；

7)提高設(shè)備安裝面的平面度、粗糙度要求，保證與熱控安裝板的可靠接觸；

8)依據(jù)熱控要求，選擇合適的表面處理。

處理模塊中的大功率FPGA芯片是數(shù)字接收處理機(jī)性能的基礎(chǔ)，一旦該芯片散熱不暢，性能就會(huì)驟降。為提高芯片散熱能力，在芯片頂部安裝導(dǎo)熱襯墊，讓一部分熱量通過芯片頂部傳至腔體結(jié)構(gòu)[5]。

為確定數(shù)字接收處理機(jī)內(nèi)部元器件能否在工作溫度下滿足一級(jí)降額要求，采用Flotherm軟件進(jìn)行了熱仿真計(jì)算，熱分析模型見圖3。熱邊界溫度設(shè)定為55 ℃，數(shù)字接收處理機(jī)熱耗較大的處理模塊、射頻模塊溫度云圖見圖4～圖5所示。仿真結(jié)果顯示FPGA芯片最高殼溫77.7 ℃，所有元器件均滿足結(jié)溫一級(jí)降額要求。

圖3　熱仿真模型

圖4　處理模塊溫度云圖

圖5　射頻模塊溫度云圖

天線為無源設(shè)備，其熱設(shè)計(jì)主要考慮選用滿足溫度要求的材料，如選用耐低溫的電纜、焊錫等。

3.2　抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)

星載電子設(shè)備通過凸耳與星體直接剛性安裝，必須經(jīng)受運(yùn)載火箭的劇烈沖擊和振動(dòng)考驗(yàn)，通常要求其基頻高于100 Hz。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下內(nèi)容：

1)選擇力學(xué)性能較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)型；

2)優(yōu)化布局，盡量降低重心高度；

3)盡可能采用結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的方式提高自身剛度；

4)設(shè)計(jì)合理的固定間距以保證印制板的剛度；在電性能允許的情況下，可采用D04硅膠進(jìn)行整體或局部灌封；

5)元器件、緊固件等采取可靠的加固及防松措施；

6)電纜應(yīng)采用線夾或點(diǎn)膠方式可靠固定；

7)印制板相鄰兩個(gè)固定點(diǎn)的距離一般不超過75 mm。

在設(shè)計(jì)過程中，需要進(jìn)行強(qiáng)度方面的仿真計(jì)算以驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否滿足要求。我們用Ansys進(jìn)行了接收處理機(jī)的隨機(jī)振動(dòng)仿真，其最惡劣方向的應(yīng)力分析結(jié)果見圖6、圖7。

圖6　整機(jī)振動(dòng)應(yīng)力圖

圖7　印制板振動(dòng)應(yīng)力圖

根據(jù)仿真結(jié)果，整機(jī)一階固有頻率為240 Hz，滿足基頻高于100 Hz的要求，且數(shù)字接收處理機(jī)的結(jié)構(gòu)件和印制板的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3　抗空間輻射設(shè)計(jì)

由于空間輻射環(huán)境的特殊性，因此設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮抗輻射加固設(shè)計(jì)，并遵循平衡加固的原則。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要針對(duì)總劑量輻射效應(yīng)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。依據(jù)總體提供的輻射劑量-屏蔽厚度對(duì)照表，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮合理布局、構(gòu)件的屏蔽等措施，必要時(shí)增加抗輻射屏蔽罩，以滿足元器件抗輻射要求[6]。

數(shù)字接收處理機(jī)的FPGA芯片為工業(yè)級(jí)，不滿足系統(tǒng)抗輻射指標(biāo)要求，需要進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)，具體加固方式如圖8所示。

圖8　抗輻射加固示意圖

通過布局、屏蔽等加固等設(shè)計(jì)后，本系統(tǒng)元器件均滿足輻射設(shè)計(jì)余量RDM不小于2.5的要求。

3.4　電磁兼容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星平臺(tái)集成了大量設(shè)備和電纜，要能夠互不干擾的正常工作，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理有效的電磁兼容管理和設(shè)計(jì)[7]。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下內(nèi)容：

1)總體布局考慮產(chǎn)品的電磁兼容性因素；

2)進(jìn)行嚴(yán)格的屏蔽設(shè)計(jì)，保證設(shè)備殼體的導(dǎo)電連續(xù)性；

3)做好電纜的電磁兼容管理，穿艙電纜處理好接地和縫隙封堵；

4)做好設(shè)備與衛(wèi)星之間的良好接地和搭接，設(shè)備一般通過底板或接地樁實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星安裝平臺(tái)的接地，搭接電阻要求小于10 mΩ。

4　結(jié)束語

本文基于星載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性，充分考慮了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“衛(wèi)星化”工作，研究并應(yīng)用了適應(yīng)衛(wèi)星平臺(tái)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型、大功率芯片散熱、抗空間輻射加固等技術(shù)，很好地解決了設(shè)備體積、重量，散熱及空間輻射等主要矛盾。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用Flotherm、Ansys等仿真軟件，通過仿真計(jì)算和優(yōu)化，確保了設(shè)計(jì)的有效性、合理性。產(chǎn)品滿足了系統(tǒng)的指標(biāo)要求，順利通過了各種環(huán)境試驗(yàn)考驗(yàn)。

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