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        一種雷達(dá)導(dǎo)引頭的隔熱設(shè)計(jì)方法

        2022-03-21 03:46:42茍能亮
        環(huán)境技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        茍能亮

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

        引言

        雷達(dá)導(dǎo)引頭由于受到平臺(tái)系統(tǒng)空間的限制,導(dǎo)致彈體內(nèi)部傳熱路徑短,組件之間間隔距離短,因此彈表面上的熱量非常容易傳導(dǎo)至內(nèi)部組件上[1]。特別是整個(gè)自主飛行過程中均在大氣層中的導(dǎo)引頭,氣動(dòng)加熱非常劇烈,彈表面外部溫度可以超過1 000 ℃,再加上內(nèi)部大功率集成封裝模塊帶來更大的熱流密度,可能致使模塊內(nèi)部的元器件由于高溫而失效,影響整個(gè)導(dǎo)彈的性能[2]。目前解決雷達(dá)導(dǎo)引頭的熱設(shè)計(jì)有以下幾種方案:

        1)降低導(dǎo)引頭初始溫度,增加初始溫度到額定溫度的增長空間[1];

        2)將熱量傳導(dǎo)至外部,如增加液冷或利用高導(dǎo)熱材料[3,4];

        3)將熱量儲(chǔ)存在內(nèi)部,如在高熱耗器件附近增加相變儲(chǔ)能材料(PcM)[5,6];

        4)增加隔熱層,阻擋外部高熱進(jìn)入彈體內(nèi)[7,8];

        5)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),促使結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度、熱控及功能一體化設(shè)計(jì)[9]。

        導(dǎo)引頭隔熱設(shè)計(jì)是整機(jī)熱設(shè)計(jì)非常重要的組成之一,將對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響[10]。方偉[11]設(shè)計(jì)了一種氮化物陶瓷透波材料和二氧化硅氣凝膠的復(fù)合隔熱方案,滿足高超音速導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)需要。李東輝[12]建立高溫多層隔熱傳熱的計(jì)算模型,研究了反射屏對(duì)多層結(jié)構(gòu)隔熱性能的影響。徐世南[13,14]設(shè)計(jì)了一種滿足承載、熱防護(hù)、熱電轉(zhuǎn)換一體化要求的超聲速導(dǎo)彈多功能結(jié)構(gòu),同時(shí)使用NSGA-II算法,提高了熱防護(hù)效率,減輕結(jié)構(gòu)重量。陳虓[15]研究了不同排列結(jié)構(gòu)的空心球金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量等性能,并設(shè)計(jì)了超音速導(dǎo)彈的頭罩,分析得到該頭罩具有良好的力學(xué)性能和隔熱性能

        本文以增加隔熱層和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為切入點(diǎn),以某導(dǎo)引頭為研究對(duì)象,探討了彈載雷達(dá)隔熱設(shè)計(jì),并給出了一種行之有效的隔熱解決方案。

        1 導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)

        導(dǎo)引頭主要由雷達(dá)主機(jī)、彈架、隔熱層、蓋板、螺套、調(diào)整環(huán)、螺釘?shù)冉M成。彈架與前段的天線罩、后段的戰(zhàn)斗部連接,形成整個(gè)導(dǎo)彈。導(dǎo)引頭外形圖如圖1。

        圖1 導(dǎo)引頭外形圖

        雷達(dá)主機(jī)整體沿彈體軸向裝入彈架內(nèi),用螺套、調(diào)整環(huán)和螺釘將其緊固,彈架內(nèi)粘貼隔熱材料,外部安裝兩個(gè)U型蓋板使導(dǎo)引頭具有性能優(yōu)良的氣動(dòng)外形。導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

        圖2 導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)示意圖

        2 隔熱設(shè)計(jì)

        在理想的熱傳導(dǎo)中國,單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面積所傳導(dǎo)的熱量,正比于當(dāng)?shù)卮怪庇诮孛娣较蛏系臏囟茸兓蔥16]。

        式中:

        Φ—傳遞的熱量;

        A—接觸面積;

        k—導(dǎo)熱系數(shù);

        t—溫度;

        x—單位法向向量。

        單層傳熱:

        多層傳熱:

        式中:

        tw1—熱壁面的溫度;

        tw(n+1)—冷壁面的溫度;

        δi—壁厚;

        ki—導(dǎo)熱系數(shù);

        Ai—壁間接觸面積;

        n—多層壁層數(shù),

        由式(3)可得到,導(dǎo)熱系數(shù)越小,傳熱介質(zhì)層數(shù)越多,接觸面積越小,傳熱量越少,可以根據(jù)這幾項(xiàng)因素設(shè)計(jì)導(dǎo)引頭的隔熱方案。

        2.1 設(shè)計(jì)雙層隔熱層(圖3)

        圖3 雙隔熱層示意圖

        彈體內(nèi)由于空間狹小,內(nèi)部傳熱路徑短,沒有多余的空間增加液冷設(shè)備和風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)行散熱,因此最行之有效的熱防護(hù)措施是在彈架與終端設(shè)備之間增加隔熱層。隔熱層選用的是玄武巖織物,內(nèi)嵌二氧化硅氣凝膠,該種氣凝膠具有耐高溫、低密度、耐腐蝕、無毒害等優(yōu)點(diǎn),在航空航天產(chǎn)品上應(yīng)用已經(jīng)比較成熟[17]。

        導(dǎo)引頭對(duì)自身的小型化和輕量化有極為苛刻的要求[18],過多的使用隔熱材料勢必會(huì)增加導(dǎo)引頭的重量和裝配難度,這就要求在導(dǎo)引頭內(nèi)部設(shè)置合理的空氣層。

        本方案中U型蓋板與彈架之間形成空腔;彈架內(nèi)壁粘接由玄武巖氣凝膠構(gòu)成的隔熱材料,這層空腔與蓋板、彈架、隔熱材料一起形成了多層的隔熱層,能夠有效的阻隔外部高熱的傳導(dǎo)和熱對(duì)流。

        2.2 設(shè)計(jì)半圓定位裝配法

        由于雷達(dá)成像的要求,雷達(dá)主機(jī)與彈架之間需要進(jìn)行高精度的同軸裝配[19]。通過在彈架內(nèi)部設(shè)計(jì)接觸凸臺(tái),以凸臺(tái)環(huán)抱的方式與雷達(dá)主機(jī)連接,使雷達(dá)主機(jī)與彈架之間的接觸由傳統(tǒng)形式的面接觸改為點(diǎn)接觸,可以極大地減少熱橋的傳熱面積。一半凸臺(tái)與雷達(dá)主機(jī)接觸為高精度定位面;另一半凸臺(tái)為緊固面,其凸臺(tái)高度比定位面的稍低,與安裝進(jìn)入彈架后雷達(dá)主機(jī)在之間存在間隙。

        半圓定位法示意圖如圖4。在安裝時(shí),先用雷達(dá)主機(jī)去貼合彈架內(nèi)的高精度定位面,將螺套沿著彈架凸臺(tái)的螺紋孔擰入雷達(dá)主機(jī)對(duì)應(yīng)的淺圓槽內(nèi),螺套的端面與槽內(nèi)的底面貼緊。螺套為外周面帶螺紋,內(nèi)部有通孔的圓柱體,端面有一字槽,方便螺絲刀進(jìn)行擰緊。再用螺釘穿過調(diào)整環(huán)和螺套,擰緊到雷達(dá)主機(jī)淺圓槽的螺釘孔內(nèi),形成螺套鎖緊+螺釘鎖緊的雙鎖緊結(jié)構(gòu)。再用螺釘從緊固面凸臺(tái)穿過,將雷達(dá)主機(jī)的安裝位置固定,然后按照對(duì)角線安裝的順序把螺釘從所有凸臺(tái)穿過,徹底將雷達(dá)主機(jī)緊固(雙螺紋鎖緊機(jī)構(gòu)如圖5所示),在確保高精度安裝的同時(shí),極大地減小熱橋面積,同時(shí)避免了非對(duì)稱裝配過程中的安裝應(yīng)力。

        圖4 半圓定位法

        圖5 雙螺紋鎖緊機(jī)構(gòu)

        3 仿真計(jì)算

        整個(gè)設(shè)備熱量傳遞遵循物理守恒定律,即質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律,其守恒控制方程如下[9]:

        質(zhì)量守恒方程:

        X方向動(dòng)量守恒方程:

        Y方向動(dòng)量守恒方程:

        Z方向動(dòng)量守恒方程:

        能量守恒方程:

        式中:

        ρ—材料密度;

        u、v、w—X、Y、Z方向上的速度矢量;

        P—壓力;

        T—溫度。

        導(dǎo)引頭環(huán)境初始溫度55 ℃,外部氣動(dòng)環(huán)境溫度為一條升至450 ℃的對(duì)數(shù)曲線,總體工作時(shí)長300 s;彈架、U型蓋板、螺套、調(diào)整環(huán)、螺釘?shù)牟牧暇鶠殁伜辖餤TA15,內(nèi)部天線、雷達(dá)主機(jī)等內(nèi)部材料均為鋁合金5A06,隔熱罩為玄武巖氣凝膠(材料及性能如表1)。

        表1 選用材料及性能

        建立導(dǎo)引頭仿真模型,充分考慮導(dǎo)引頭內(nèi)部空氣的影響[20],導(dǎo)入FLOTHERM中仿真計(jì)算,得到結(jié)果如圖6。

        圖6 導(dǎo)引頭截面溫度云圖

        根據(jù)仿真結(jié)果可以得到,在導(dǎo)引頭整個(gè)工作時(shí)間中,溫度由外向內(nèi)傳遞。外壁最高,可達(dá)450 ℃,空氣隔熱層溫度為230 ℃左右,彈架壁厚為200 ℃左右,再到氣凝膠隔熱層為100 ℃左右,氣凝膠隔熱層和空氣有效的阻擋熱量向內(nèi)傳遞。熱量最終傳導(dǎo)至內(nèi)部雷達(dá)主機(jī),溫度為75 ℃左右,初始溫度55 ℃,在工作時(shí)間溫度上升25 ℃,滿足整機(jī)的使用要求,由此可見導(dǎo)引頭整機(jī)的隔熱效果優(yōu)異。

        4 熱防護(hù)試驗(yàn)

        根據(jù)熱環(huán)境試驗(yàn)條件,在導(dǎo)引頭內(nèi)部各關(guān)鍵點(diǎn)布置熱電偶監(jiān)測溫度,并安裝上天線罩,通過在導(dǎo)引頭周圍設(shè)置石英燈輻射加熱,完成整機(jī)的熱防護(hù)試驗(yàn)(如圖7)。

        圖7 熱防護(hù)試驗(yàn)

        測試點(diǎn)選取垂直彈軸的截面內(nèi),不同隔熱層上的點(diǎn),各點(diǎn)位說明如表2、圖8~10。

        圖8 測溫點(diǎn)的位置

        表2 測溫點(diǎn)位置

        根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果,定義隔熱效率,反應(yīng)在導(dǎo)引頭工作時(shí)間300 s結(jié)束后,彈體表面熱量傳導(dǎo)至內(nèi)部雷達(dá)主機(jī)的情況,即A、c點(diǎn)之間的溫差與A點(diǎn)上升的溫度增量之比:

        圖9 測溫點(diǎn)仿真曲線

        圖10 測溫點(diǎn)試驗(yàn)曲線

        各測試點(diǎn)試驗(yàn)溫度值見表3、表4。

        表3 各測試點(diǎn)仿真溫度

        表4 各測試點(diǎn)試驗(yàn)溫度

        這三個(gè)測溫點(diǎn)中:A點(diǎn)的仿真結(jié)果溫度與試驗(yàn)結(jié)果溫度幾乎一致,是因?yàn)?50 ℃作為輸入溫度,在仿真和試驗(yàn)過程中都作為控制條件。B點(diǎn)和c點(diǎn)的仿真結(jié)果溫度均略高于試驗(yàn)溫度,但數(shù)據(jù)差值在6 %以內(nèi),說明仿真結(jié)果能夠比較準(zhǔn)確的體現(xiàn)真實(shí)情況。

        A點(diǎn)在0~120 s時(shí),溫度急速上升120~300 s上升速率較為平緩;B點(diǎn)在前200 s內(nèi)溫度上升速率比較均勻,200 s之后溫度上升速率變得相對(duì)平緩;c點(diǎn)在整個(gè)導(dǎo)引頭工作時(shí)間內(nèi),溫度上升速率均比較均勻。整體的隔熱層對(duì)熱量傳遞速度有明顯的減緩。

        玄武巖氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣底30 %(見表1)。熱量從A點(diǎn)傳導(dǎo)至B點(diǎn),隔熱層為U型蓋板和空氣,溫度下降了237.4 ℃;從B點(diǎn)傳導(dǎo)至c點(diǎn),隔熱層為彈架壁厚和氣凝膠隔熱層,溫度下降了133.2 ℃;內(nèi)部雷達(dá)主機(jī)的溫度由初始的55 ℃度上升到79.5 ℃,溫度增加24.5 ℃,滿足大部分器件和材料的使用要求。在導(dǎo)引頭工作的300 s時(shí)間內(nèi),整個(gè)隔熱層隔離的溫度差達(dá)到370.6 ℃,整體的隔熱效率達(dá)到90 %以上,有效的保護(hù)了內(nèi)部設(shè)備的元器件不被高溫炙烤而失效。

        5 結(jié)論

        1)通過設(shè)計(jì)氣凝膠-空氣雙隔熱層,實(shí)現(xiàn)大幅提高整機(jī)的熱阻;設(shè)計(jì)以環(huán)抱雷達(dá)主機(jī)的半圓定位裝配法,在實(shí)現(xiàn)高精度同軸安裝的同時(shí)減小雷達(dá)主機(jī)與彈架之間的接觸面積。

        2)通過數(shù)模仿真計(jì)算和實(shí)物樣機(jī)測試兩種方式進(jìn)行驗(yàn)證,得到的結(jié)果顯示在導(dǎo)引頭工作時(shí)間300 s內(nèi),隔熱溫度超過370 ℃,隔熱效率達(dá)到93 %,充分證明這種隔熱設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。

        3)本隔熱設(shè)計(jì)方法將對(duì)小空間高模塊密度設(shè)備的隔熱設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

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