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        雷達(dá)發(fā)射機的冷卻及熱設(shè)計優(yōu)化分析

        2018-08-10 10:47:16蘇楠王樂
        科學(xué)與財富 2018年16期
        關(guān)鍵詞:冷卻系統(tǒng)

        蘇楠 王樂

        摘 要: 雷達(dá)發(fā)射機以固態(tài)發(fā)射機為主,發(fā)射機運行的可靠性,一定程度上取決于冷卻系統(tǒng)及熱設(shè)計水平。本文簡要闡述了雷達(dá)發(fā)射機的冷卻方案,并對系統(tǒng)的熱機理進(jìn)行了研究?;诖耍謩e針對冷卻系統(tǒng)及熱參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計問題,提出一系列的建議。通過對系統(tǒng)調(diào)試及性能評估結(jié)果的觀察,證實了優(yōu)化設(shè)計方案在提高雷達(dá)發(fā)射機性能方面的價值。

        關(guān)鍵詞: 雷達(dá)發(fā)射機;冷卻系統(tǒng);熱設(shè)計

        前言:雷達(dá)發(fā)射機構(gòu)成較為復(fù)雜,冷卻系統(tǒng)為其主要部分。發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)中,各組件以及電源的運行,均會產(chǎn)生熱量。為避免發(fā)射機熱量過高,導(dǎo)致故障發(fā)生。應(yīng)通過風(fēng)量分配系統(tǒng),以及冷卻裝置,將大部分熱量排除??梢姡l(fā)射機的冷卻系統(tǒng)及熱設(shè)計是否合理,對機械性能的影響較大。為提高發(fā)射機運行的穩(wěn)定性及可靠性,有必要對其冷卻及熱設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

        1 雷達(dá)發(fā)射機的冷卻方案及熱分析

        雷法發(fā)射機中的電子元件,以晶體管為主。晶體管對溫度的敏感性較強,如熱設(shè)計不良,導(dǎo)致雷達(dá)發(fā)射機的運行溫度過高,晶體管極容易出現(xiàn)升溫現(xiàn)象。受其影響,雷達(dá)發(fā)射機的電流等指標(biāo),均會出現(xiàn)異常。因此,可借助晶體管溫度的穩(wěn)定性,觀察發(fā)射機的熱設(shè)計水平[1]。如采用S代表穩(wěn)定性指標(biāo),則有:

        S=αIc/αIcbo

        上述公式中,I代表電流,α代表常數(shù)。設(shè)計人員可采用該公式,實現(xiàn)對熱參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。雷達(dá)發(fā)射機冷卻系統(tǒng)的常用冷卻方案,以風(fēng)冷及水冷兩種為主。風(fēng)冷包括常規(guī)風(fēng)冷,與空調(diào)風(fēng)冷兩種形式。與前者相比,后者的冷卻效果更佳。因此,本課題決定采用空調(diào)風(fēng)冷的方式,對雷達(dá)發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

        2 雷達(dá)發(fā)射機的冷卻及熱設(shè)計優(yōu)化方法

        2.1 雷達(dá)發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方法

        2.1.1 關(guān)鍵技術(shù)

        本課題所設(shè)計的雷達(dá)發(fā)射機冷卻系統(tǒng),關(guān)鍵技術(shù)以高校冷板技術(shù)、風(fēng)量分配技術(shù)等技術(shù)為主。以高效冷板技術(shù)為例:雷達(dá)發(fā)射機中,冷板屬于冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵組件,與熱交換器的功能類似[2]。當(dāng)發(fā)射機運行后,冷板會隨之啟動,通過熱交換的方式,使發(fā)射機各元件的溫度得以降低。通常情況下,如冷卻空氣溫度處于40℃以下,冷板均能夠?qū)崃考右蕴幚恚拱l(fā)射機的性能得以增強。考慮到冷板的優(yōu)勢,設(shè)計人員可將其應(yīng)用到冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中,提高冷卻系統(tǒng)性能。

        2.1.2 顯控設(shè)計

        雷達(dá)發(fā)射機冷卻系統(tǒng)中,顯控設(shè)計的要點,在于對預(yù)警系統(tǒng)及通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計方法如下:(1)預(yù)警系統(tǒng):為確保雷達(dá)發(fā)射機運行監(jiān)測人員,能夠?qū)崟r獲取發(fā)射機的運行數(shù)據(jù)。設(shè)計人員應(yīng)將供風(fēng)以及送風(fēng)溫度,作為兩項重點參數(shù),納入到面板顯示參數(shù)的范圍內(nèi),提高雷達(dá)發(fā)射機運行的穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后,面板同樣需立即提示故障參數(shù),同時,顯示故障類型。確保雷達(dá)發(fā)射機維修人員,能夠立即給予維修。(2)通信系統(tǒng):本課題所設(shè)計的雷達(dá)發(fā)射機冷卻系統(tǒng),通信可借助CAN總線串行口實現(xiàn)。該設(shè)計方法能夠有效滿足系統(tǒng)的通信需求。

        2.1.3 可靠性設(shè)計

        為提高雷達(dá)發(fā)射機冷卻系統(tǒng)的可靠性,本課題設(shè)計了“冷卻系統(tǒng)故障樹”。通過對實踐經(jīng)驗的總結(jié),將系統(tǒng)故障分為了制冷故障、風(fēng)路故障,與控制系統(tǒng)故障三種類型。如采用λ代表失效率,則不同元件失效率的計算方式,應(yīng)有所不同。以控制系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)中的控保單元失效率計算公式如下:λ1=30×10-6/h。除此之外,風(fēng)路故障中,管道的失效率,則應(yīng)采用以下公式進(jìn)行計算:λ2=10×10-6/h。單元二次冷卻裝置故障,應(yīng)采用以下公式計算:

        MTBF(二次冷卻裝置故障)=1/Σλ=1/(λ1+λ2+λ3+...+λn)

        2.2 雷達(dá)發(fā)射機的熱設(shè)計優(yōu)化方法

        2.2.1 熱仿真理論

        雷達(dá)發(fā)射機中,熱量的傳遞,包括導(dǎo)熱、對流以及輻射三種形式。但無論發(fā)射機以何種形式傳遞熱量,熱量的傳遞,均與能量守恒定律的描述相統(tǒng)一。對雷達(dá)發(fā)射機的熱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時,可采用以下仿真方程,對熱傳遞的能量以及擴散量等參數(shù)進(jìn)行計算:

        αρφ/αt=div(ρUφ)=div(Γφgradφ)+Sφ

        公式中,φ為常數(shù),Γφ為熱量的擴散指標(biāo),S代表熱量的來源。在收集不同相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將上述公式應(yīng)用到熱參數(shù)設(shè)計中,既可計算出熱仿真數(shù)據(jù)。

        2.2.2 熱仿真求解

        假設(shè)雷達(dá)發(fā)射機的組件功耗為0.20kW,則為降低組件運行的溫度,雷達(dá)冷卻系統(tǒng)需產(chǎn)生的風(fēng)量應(yīng)為:

        Q1=P/Pcp△t

        系統(tǒng)運行所需的總風(fēng)量,應(yīng)為不同組件的風(fēng)量之和??紤]冷板的功能為影響熱參數(shù)以及雷達(dá)發(fā)射機冷卻效果的主要因素,設(shè)計人員應(yīng)將FLOTHER軟件,應(yīng)用到冷板參數(shù)的計算過程中,對不同風(fēng)速下冷板的阻力,及其對晶體管溫度的影響進(jìn)行觀察。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),當(dāng)冷板的風(fēng)速為2.5m/s時,阻力應(yīng)為151Pa,此時,熱參數(shù)(最高)為74.5℃。隨著冷板風(fēng)速的增加,阻力顯著增大,雷達(dá)發(fā)射機的溫度,則顯著下降。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到6m/s時,冷卻效果達(dá)到最好。

        2.3 系統(tǒng)調(diào)試及性能評估

        為提高系統(tǒng)的可應(yīng)用性,本課題在雷達(dá)發(fā)射機冷卻系統(tǒng)以及熱參數(shù)優(yōu)化設(shè)計完成后,對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試,并對其性能進(jìn)行了評估。通過對評估效果的觀察發(fā)現(xiàn):(1)系統(tǒng)測試期間,雷達(dá)發(fā)射機晶體管的溫度,一直處于63.3℃左右。表明,當(dāng)風(fēng)速為6m/s時,晶體管溫度可穩(wěn)定在較低的水平。(2)系統(tǒng)測試期間,未發(fā)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射機出現(xiàn)任何故障。表明,采用上述方式設(shè)計,效果較好。

        結(jié)論:

        綜上所述,本課題以空調(diào)風(fēng)冷模式為基礎(chǔ)所設(shè)計的雷達(dá)發(fā)射機冷卻系統(tǒng),在降低發(fā)射機運行溫度方面,效果值得肯定。未來,建議有關(guān)領(lǐng)域通過對雷達(dá)發(fā)射機當(dāng)前運行狀態(tài)的觀察,判斷有無系統(tǒng)運行過熱的問題。如系統(tǒng)晶體管溫度存在異常,或發(fā)射機電流存在異常。應(yīng)立即考慮對其熱參數(shù)以及冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。使雷達(dá)發(fā)射機的性能得以提升,使其使用壽命得以延長。

        參考文獻(xiàn)

        [1]孫颋,周康.基于PXI總線的測控雷達(dá)發(fā)射機自動化測試系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代雷達(dá),2017,39(06):71-74+77.

        [2]夏光濱,方勇,趙偉東.基于PIC單片機串行輪詢通信的相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機監(jiān)控設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2016,13(17):74-75.

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