劉 揚, 劉偉平, 莊春躍, 朱 駿

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第六軍事代表室,上海201109;2.上海無線電設備研究所,上海201109)

0 引言

近年來,雷達導引頭正快速向多模復合、成像制導、小型化等方向發(fā)展。隨著對制導系統(tǒng)性能需求的大幅提升,相控陣雷達導引頭逐步取代機械掃描雷達導引頭[1]。相控陣雷達天線T/R(Transmitter and Receiver)組件發(fā)射效率不高,陣列布置密集,導致T/R組件熱流密度高,其散熱問題成為技術發(fā)展的瓶頸。同時近年來隨著對導引頭實時成像、多模制導、抗干擾等需求增加,使得導引頭對信號運算處理能力需求激增。為滿足算力需求,信號處理單元中一般設計多片高性能DSP芯片并行計算。同時導引頭也逐步往小型化輕量化方向發(fā)展,使得設備散熱成為需要重點考慮的問題。

雷達導引頭工作環(huán)境空間狹小、密閉、設備集中、整體工作時間有限等特點,決定了其熱設計與地面設備不同。目前雷達導引頭的散熱方式根據散熱機理分為被動散熱和主動散熱,包括自然傳導散熱、相變材料溫度控制、能量疏導等被動散熱方式以及強制散熱等主動散熱方式。本文將論述目前彈載雷達導引頭所常用的散熱方法以及未來面對更加嚴苛的需求時可能發(fā)展的方向。

1 被動散熱

被動散熱是電子設備通過熱傳導以及空氣自然對流的散熱方式。一般導彈飛行高度較高,艙體內空氣稀薄,電子設備靠空氣對流散熱能力差,主要通過熱傳導散熱。

1.1 結構件傳導散熱

對于工作時間較短,發(fā)熱量不高的器件,由于印制板導熱率低,一般采用殼體起凸臺的方式將器件熱量傳導至殼體或框架等結構件,依靠結構件的熱沉儲存熱量。圖1為某信號處理機盒體散熱結構。導引頭為了輕量化、小型化,一般采用鋁合金材料。彈載電子設備常用結構件材料的物理參數如表1所示。相比其他材料,鋁合金的導熱性較好,熱容值在金屬材料中也較高,在發(fā)熱量不高的條件下可以滿足使用需求,該方式實現容易、經濟性好。

圖1 某信號處理機盒體

表1 彈載電子設備常用熱沉材料物性參數

對于箱體中多塊印制板并列安裝的結構,會有位于中間位置的印制板的器件無法直接與殼體接觸的情況。目前常見的散熱措施包括增加印制板覆銅量和提高印制板的導熱性。文獻[2]研究了覆銅層數及覆銅百分比對于印制板平行板面方向熱導率的影響,結果表明增加覆銅層數及覆銅百分比有利于提高印制板的導熱率。另一種方式為類似搭“熱橋”的方法,如圖2所示。通過選用鋁合金或紫銅等高導熱率材料制成的導熱片,將器件與殼體連接,將熱量傳導至殼體。文獻[3]對該結構形式進行了仿真,驗證了該散熱方式的有效性。

1.2 相變材料應用

圖2 采用熱橋方式散熱

近年來隨著大功率微波器件以及高性能處理芯片的應用,僅依靠結構件熱沉無法滿足散熱需求。相變材料(Phase Change Materials,PCM)的應用成為提高熱沉的重要手段。相變材料在特定溫度下從一種聚集態(tài)轉變到另一種聚集態(tài),會伴隨著大量儲熱或放熱的現象,這些熱量即為相變材料的潛熱。以固-液相變?yōu)槔?在加熱到熔化溫度時,會產生從固態(tài)到液態(tài)的相變,熔化過程中,相變材料吸收并存儲大量潛熱。常見的相變材料物理參數如表2所示,其中石蠟類相變材料具有潛熱大、無毒、無腐蝕性、相變溫度適宜、相變時體積變化率不大等優(yōu)點,廣泛應用于航天產品上,國內外均有大量關于其應用研究的公開文獻[4-5]。

表2 常見相變材料物性參數

從表2中可以看出,相變材料雖然有較大的潛熱,但是其導熱系數較低,在應用過程中可能出現相變冷板導熱不均的情況。為解決上述問題國內外已有多位學者開展了相關研究,解決措施主要分為兩大類:(1)增大冷熱源與相變材料的換熱面積,包括添加金屬翅片和使用泡沫金屬網格等;(2)在相變材料內添加導熱系數較高的金屬顆粒來形成復合相變材料。文獻[6]采用雙溫度模型模擬了不同種泡沫金屬基復合相變材料的相變換熱過程。文獻[7]將相變儲能材料注入泡沫金屬材料孔隙中構成復合相變材料,并對其進行了仿真,結果表明泡沫金屬對復合相變材料的傳熱特性有很大的改善。文獻[8]研究了在石蠟中添加膨脹石墨對復合材料導熱系數的影響。文獻[9]以石蠟為復合相變材料的基體,分別添加氧化銅、二氧化硅和氧化鋅的納米顆粒,通過兩步法制備多種石蠟基納米金屬復合相變材料。文獻[10]以乙二醇為相變基體,添加銀納米顆粒,結果表明添加納米金屬顆粒能夠明顯增強相變材料的導熱能力。

1.3 熱管技術應用

熱管充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞特性,具有極佳的導熱能力。該技術廣泛應用于宇航、軍工、民用電子設備等領域。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成,如圖3所示。熱管內部一般被抽成負壓狀態(tài),充入適當易揮發(fā)低沸點的液體,吸液芯一般由毛細多孔材料構成。熱管一端為蒸發(fā)端,另一端為冷凝端。當蒸發(fā)端受熱時,毛細管中的液體迅速汽化,蒸汽在熱擴散的動力下流向另一端,并在冷端冷凝釋放出熱量;液體再沿多孔材料靠毛細作用流回蒸發(fā)端:如此循環(huán),直至熱管兩端溫度相等。熱管利用介質在熱端蒸發(fā)后在冷端冷凝的相變過程,達到熱量快速傳遞的效果。

圖3 熱管結構示意圖

相控陣雷達T/R組件熱流密度高,發(fā)熱量集中,散熱是必須解決的問題。以往熱管技術主要應用于艦載雷達、機載雷達以及地面雷達[11,13],近年來在相控陣雷達導引頭中也得到了廣泛應用。由于目前相控陣雷達導引頭工作時間較短,天線陣面散熱一般采用相變冷板儲熱的方式。隨著未來相控陣雷達導引頭功率的不斷增加以及工作時間增長,天線陣面的相變冷板厚度將越來越大,使得天線罩內部空間緊張。特別是近幾年來發(fā)展的滑翔高超聲速武器,采用特殊氣動外形的異形非軸對稱天線罩,罩內可利用空間小,這對導引頭的布局及散熱都將是一個挑戰(zhàn)。

在未來導引頭小型化的趨勢下,提高空間利用率是小型化的一個重要途徑。由于熱管具有極佳的導熱性,使得相變材料的布置不再局限于貼合天線陣面。文獻[14]采用熱管相變材料復合熱控裝置對相控陣雷達導引頭天線進行散熱,其中相變材料布置在天線后端兩側,充分利用了天線罩內空間,減小了天線陣面的厚度。

2 主動散熱

主動散熱是采用低于散熱對象溫度的冷源進行的主動換熱方式。常見的方式有風冷、液冷、壓縮氣體膨脹制冷、噴霧冷卻等。

由于雷達導引頭制導艙為狹小封閉空間,風冷、液冷一般常用于導引頭地面連續(xù)工作調試[15]。風冷散熱也應用于雷達導引頭。對于長航時的巡航導彈,雷達導引頭需長時間開機搜索,國內已有雷達導引頭發(fā)射機采用相變冷板儲熱,信號處理機采用小型風扇主動散熱的方案。由于信號處理機發(fā)熱功率不大,利用風扇散熱可以有效避免積熱,通過空氣對流充分利用艙內結構件儲熱。另外由于該巡航導彈巡航段速度為亞音速,氣動加熱不嚴重,艙外壁溫度較低,強迫風冷也有利于艙內設備通過艙壁進行散熱。

壓縮氣體膨脹制冷主要用于紅外導引頭。紅外導引頭探測器需要工作在較低溫度,由于其本身發(fā)熱量較小,制冷系統(tǒng)只需將環(huán)境溫度降低至工作溫度。一般利用高壓氣瓶釋放氣體通過節(jié)流孔,利用膨脹吸熱達到快速制冷目的[16]。由于高壓氣體膨脹無相變過程,其潛熱較小,而采用液氮、液氬等介質汽化散熱則需面臨無法長時間存儲、容器體積較大、使用時需要臨時加注制冷介質等問題,將其應用于雷達導引頭散熱,經濟性和可靠性也是需要重點考慮的問題。

噴霧冷卻是將冷卻介質通過霧化分解為無數的離散型小液滴,噴淋到加熱表面通過單相換熱和兩相換熱帶走熱量的一種冷卻方式。噴霧冷卻具有散熱功率高、冷卻均勻、無沸騰滯后效應、介質需求量小等特點,在電子電器、冶金制造、航空航天及醫(yī)療等高熱流密度領域具有良好應用前景。國內外已有學者開展了相關研究。文獻[17]研究了噴霧冷卻在功率電子器件領域的應用。文獻[18]對比了噴霧冷卻和微噴射冷卻對電子器件的冷卻效果。文獻[19]進行了閉式噴霧冷卻試驗,分析對比了不同噴嘴類型和噴霧高度下傳熱性能的變化規(guī)律。文獻[20]以水為冷卻介質,采用半實心旋流式機械霧化噴嘴和實心機械霧化噴嘴,對影響無沸騰換熱特性的因素、強化換熱方法等進行了研究。噴霧冷卻實質是一種強化換熱,可以有效解決大熱流密度情況下的熱量導出問題,對于雷達導引頭封閉的工作環(huán)境,噴霧冷卻系統(tǒng)還需要配備相應的循環(huán)收集裝置和介質容器,同時根據需求設置儲熱裝置。

3 結束語

未來的導彈將向超聲速和高超聲速方向發(fā)展,有源相控陣雷達、合成孔徑雷達成像技術等將廣泛應用,雷達導引頭工作時長將顯著增加,巨大的發(fā)熱量將對散熱設計提出更高的要求。相變材料的應用是目前雷達導引頭散熱儲熱的常用技術,成熟度較高。未來制導艙空間越來越緊湊,熱管加相變材料復合散熱的應用有利于提高空間利用率、增大相變材料的填充量。噴霧冷卻在高熱流密度領域具有良好應用前景。