星載感應式磁力儀電控學箱設計與分析

何江飛，曾 立，魏 麗，符 璇

（北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191）

0 引言

感應式磁力儀是電磁監測試驗衛星上的主載荷，用于低頻磁場的探測。感應式磁力儀由傳感器、電控學箱和電纜3 部分組成，其中電控學箱是用于在軌數據采集、控制和管理的電子設備，安裝于衛星艙內，在衛星運載和發射過程中承受較大的力學沖擊，因此對于電控學箱結構的力學性能有較高的要求。衛星在軌運行期間，艙內各電子設備包括電控學箱在工作時會產生較大的熱流密度，為了保證電控學箱內部元器件處于正常的工作溫度范圍內， 電控學箱需具有良好的散熱性能。此外電控學箱結構設計時還應考慮到空間環境輻射的影響。

針對此類電控學箱的設計，國內外已有較多的研究。從結構上，電控學箱多數采用層疊式、抽屜式、嵌入式。從材料上，電控學箱通常采用鋁合金，但目前國外已研究出超輕高強度復合材料用于制造電控學箱[1]。同時國外于20世紀60年代即開始航天電子設備熱設計的研究[2]，并取得了成熟深入的研究成果，NASA 制定了航天電子設備熱設計規范并廣泛應用于航天電子設備的研制。國內航天事業的起步相對較晚，航天電子設備熱設計技術的發展也相應滯后，但近年來在電子產品熱設計方面也已制定了相應的規范，如《電子設備熱設計規范》、《電子設備可靠性熱設計手冊》等。

本文統籌考慮電控學箱的結構設計、熱設計和電路設計，提出了空間感應式磁力儀電控學箱的設計方案，并建立相關有限元模型，通過熱、力學仿真分析，驗證電控學箱的散熱特性和力學性能。

1 電控學箱設計

1.1 設計原則

在傳統的航天電子產品研制過程中，首先進行電路設計，隨后根據電路的具體布局適應性地進行結構設計和熱設計，這樣很可能導致電路設計與結構設計、熱設計之間產生不可協調的矛盾，需要重新調整設計方案，從而浪費大量的人力和物力。而感應式磁力儀電控學箱是綜合考慮電子設備的電路設計、結構設計和熱設計而研制的，各系統人員之間相互交流協調，不斷優化設計方案，直至達到相應的指標要求，具體流程見圖1[3]。

圖1 電控學箱設計流程 Fig.1 Design flowchart of electronic control cabinet

1.2 設計過程

電控學箱安裝在衛星載荷艙內的安裝板上，主要由前放板、主放板、DPU 板、電源板、母板以及機箱外殼等組成，具體布局見圖2。下面選取DPU 板和電源板上的典型部件分別說明設計方案。

圖2 電控學箱內部布局 Fig.2 Internal layout of electronic control cabinet

1.2.1 DPU 板設計

DPU 板尺寸為240 mm×170 mm，厚度為2 mm。DPU 板上的主要大功耗元器件有DSP、FPGA、3 個 MSK5232 和2 個DS26C31（見圖3），元器件均在PCB 上靠近鋁邊框的相應區域進行布局，以縮短傳熱路徑。MSK5232 和DS26C31 器件的管腳較少，采取底面散熱，將散熱鋁片布置在元器件底面與PCB 之間，散熱鋁片與元器件底面之間填充絕緣導熱脂，既可防止元器件短路，又能對元器件起緩沖保護作用；散熱鋁片與PCB 之間布置絕緣導熱墊，以減小接觸熱阻。DSP 和FPGA 器件的管腳較多，選擇頂面散熱，散熱片與元器件頂面之間填充絕緣導熱脂；散熱鋁片與PCB 之間布置絕緣導熱墊，以減小接觸熱阻。這樣元器件主要的熱量由散熱片經過鋁邊框傳導至機箱，機箱再通過安裝底面熱傳導和表面熱輻射兩大途徑將熱量散發出去。為了增強機箱整體的輻射散熱能力，在元器件和機箱表面噴涂高發射率涂層，以增強元器件、機箱以及艙內熱環境之間的輻射換熱。

圖3 DPU 板設計示意圖 Fig.3 Design of DPU circuit board

1.2.2 電源板設計

電源板的元器件布局如圖4所示，主要大功耗元器件為3 個DC-DC 電源模塊，綜合考慮，將它們布置在靠近單側鋁邊框的位置以縮短傳熱路徑。電源模塊的底面為安裝面，同時也作為散熱面，其具體散熱措施與DPU 板MSK5232 元器件的相同。

圖4 電源板設計示意圖 Fig.4 Design of power supply circuit board

1.2.3 機箱抗輻射設計

電控學箱機箱應具備抗輻射屏蔽作用，防止空間輻射環境對電子元器件的輻射危害，輻射總劑量與屏蔽鋁板厚度之間的關系如圖5所示[4-6]。

屏蔽鋁板的厚度指機箱外殼鋁板厚度與衛星蒙皮鋁板厚度之和。根據衛星抗輻射冗余設計相關規范，在滿足衛星總體最大質量約束的條件下，設計機箱外殼鋁板的厚度為3 mm。最終設計并生產的電控學箱整體結構如圖6所示。

圖5 輻射總劑量與鋁板厚度關系 Fig.5 Total radiation dose vs.aluminum thickness

圖6 電控學箱實物 Fig.6 The electronic controlling cabinet

2 仿真分析

2.1 熱分析

綜合考慮電控學箱的結構特點以及元器件的散熱方式，利用ANSYS 軟件建立熱分析有限元模型如圖7所示。其中：材料屬性定義見表1；根據參考文獻[7]定義接觸熱導率，見表2；大功率發熱元器件的功耗見表3。

圖7 電控學箱熱分析有限元模型 Fig.7 Finite element model for thermal analysis of electronic control cabinet

表1 電控學箱材料屬性 Table1 Material properties of electronic control cabinet

表2 接觸熱導率 Table2 Thermal contact conductance

表3 電控學箱大功率發熱元器件功耗 Table3 Electric power consumption of high-power components in electronic control cabinet

感應式磁力儀為太陽同步圓軌道電磁監測衛星的主載荷，用于探測低頻變化磁場。衛星的軌道周期為90 min，每個軌道周期內，感應式磁力儀在緯度 -60°～+60°之間保持開機狀態，其余時間關機，即電控學箱工作30 min 后，關機15 min，如此循環往復。

建立電控學箱熱分析有限元模型后，對電控學箱進行在軌瞬態熱仿真分析[8]。計算過程中，衛星艙內環境溫度設置為20 ℃，將電控學箱的安裝面處視為熱沉，定義此處的溫度邊界條件亦為20 ℃。基于穩態熱分析基礎上的電控學箱在軌瞬態溫度仿真情況如圖8所示。

圖8 電控學箱在軌溫度變化 Fig.8 On orbit temperature changes of electronic control cabinet

由圖8可見，電控學箱在軌溫度呈周期性變化，每個軌道周期結束時回復到初始溫度附近，說明電控學箱幾乎沒有累積溫升，具備連續多個軌道周期工作的能力。

仿真過程中計算得到的元器件溫度數據是指元器件殼體溫度，再根據元器件數據表中結-殼之 間的熱阻來計算元器件的結點溫度[9]：

式中：TQ為殼體溫度；q為元器件功耗；RJ-Q為 結-殼熱阻。經計算，得到在軌期間電控學箱內各大功耗元器件的最高溫度數據（見表4），其中I 級降額熱控指標為衛星電子設備熱控規范要求。

表4 大功耗元器件溫度數據 Table4 Temperature data of high-power components

從表4可以看出，在軌期間各大功耗元器件的最高溫度均滿足元器件熱控指標要求。

2.2 力學仿真

對電控學箱的結構進行合理簡化后，利用ANSYS 軟件建立電控學箱力學分析的有限元模 型[10]如圖9所示。模型中用到的主要材料力學屬性見表5。

圖9 電控學箱力學分析有限元模型 Fig.9 Finite element model for mechanical analysis of electronic control cabinet

表5 電控學箱材料力學屬性 Table5 Mechanical properties of materials of electronic control cabinet

2.2.1 模態分析

在電控學箱的模態分析中，對底座上6 個連接孔進行固定約束。通過模態分析，得出電控學箱整體結構的前6 階固有頻率，見圖10。

圖10 前6 階模態頻率 Fig.10 The modal frequencies of the first to the sixth modes

仿真結果表明：電控學箱的一階固有頻率為362.17 Hz，遠大于100 Hz，滿足衛星總體對單機設備一階固有頻率的要求。

2.2.2 隨機振動分析

在模態分析基礎上，對電控學箱整機結構進行隨機振動試驗仿真，表6為隨機振動試驗條件，仿真結果如圖11所示[11]。

表6 隨機振動試驗條件 Table6 The condition of random vibration test

圖11 等效應力圖 Fig.11 Equivalent stress contour

安全裕度=破壞應力/設計應力-1，其中，設計應力=使用應力×安全系數。在工程中，將伸長率大于5%的材料稱為塑性材料，一般選用屈服強度理論來驗證塑性材料結構的強度，破壞應力為屈服應力。鋁合金屬于塑性材料，對于塑性材料按屈服應力所規定的安全系數通常取為1.5～2.2，故本文取安全系數為2[12]。仿真結果表明，電控學箱整體結構受到的最大等效應力為65 MPa，2A12 硬鋁合金的屈服應力為255 MPa，則安全裕度為255/ (65×2)-1≈0.96＞0，滿足衛星總體規定的安全裕度要求。表7為電磁監測試驗衛星建造規范中對安全裕度值的規定。

表7 安全裕度要求 Table7 The margin of safety

3 結束語

本文針對電磁監測試驗衛星感應式磁力儀電控學箱的研制提出了較為詳細的設計方案，統籌考慮結構設計、熱設計和電路設計，合理建立簡化的有限元模型，進行熱、力學仿真分析，驗證了電控學箱設計方案的合理性與可靠性。熱設計仿真分析結果表明，在軌工作期間元器件的最高結點溫度低于53 ℃，滿足元器件降額熱控指標要求。力學仿真結果表明，電控學箱的一階固有頻率為362.17 Hz，最大等效應力為65 MPa，經計算，屈服強度安全裕度值為0.96，力學性能滿足設計要求。本文所探討的感應式磁力儀電控學箱設計方法可以為其他電子設備的設計研制提供參考和依據。

致謝

感謝魏麗、符璇、曹建勛等同學的幫助，感謝王作桂老師在理論上的悉心指導。

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