宇航電子單機熱力協同設計

徐文彬 吳晟 李佳煒 張茂 王愛國

摘要：本文介紹了宇航電子單機在實際工程設計中所遇到的，因力學、熱學環境嚴酷，導致的結構設計的沖突問題，并對此提出了一系列可行的解決方案。

關鍵詞：電子單機;熱設計;力學設計;宇航

中圖分類號：TN915.05;V416 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0201-02

0 引言

宇航電子單機需要承受發射時的振動、沖擊并且需要真空環境下長期使用。為了保證產品能夠承受入軌前的嚴酷力學環境，要求產品的結構設計能夠保證產品的優良的抗振動及沖擊的能力;為了保證產品能夠在真空環境下長時間工作，要求產品具有優良的傳導散熱能力。[1]

1 加固原則

電子單機一般為多個平行排列的印制板，由母板或內總線接插件連接，如圖1所示。

宇航電子單機在發射過程中會經歷長時間、高量級、寬頻段的隨機振動，并在星箭分離時受到沖擊。

經過分析可知，電子器件在振動和沖擊過程中的失效模式多為由于加速度超過器件所能承受范圍或者由于印制板的較大變形量導致器件引腳斷裂。

因此，宇航電子單機的加固設計時首先就是通過給印制板增加支撐使其剛度提升，如圖2所示，進而使振動時的變形量下降，從而降低器件引腳受力。與此同時，需要通過降低安裝面至模塊的連接剛度從而降低外界加速度從單機安裝面至模塊的傳遞效率。

綜上所述，為了滿足宇航產品的力學要求，設計時一般會對印制板通過支架加固，與此同時，模塊與整機之間的連接通過摩擦力限制。單機在振動沖擊過程中允許模塊存在微量位移如圖3所示。

2 傳熱設計原則

由于宇航電子單機需要在真空環境下長時間使用，無法對器件采用風冷散熱，因此一般都通過高導熱材料或熱管、均熱板等依靠熱傳導方式量器件熱量傳遞至單機安裝面，再經由整星熱控散熱。其中影響單機散熱能力的主要因素為各個零件間接觸面的接觸熱阻。為了降低接觸熱阻，通常需要提高接觸面的有效接觸面積，降低接觸面的粗糙度，以及在接觸面之間填入導熱脂或易變形金屬以增加實際接觸面積。

為了提高接觸面的傳熱系數，零件接觸面之間一般都需要剛性連接。

3 實際工程問題分析

從上述分析可知，要降低外界加速度從單機安裝接口至模塊的傳遞效率就無法做到所有零件間的剛性連接。這就和傳熱需要的零件間通過較大預緊力的剛性連接相違背。因此實際工程設計中，需承受嚴酷力學環境與單機具有較大熱耗是難以同時滿足的應用條件。但隨著衛星的小型化，電子單機的功能越發集成，導致單機的熱耗不斷增加。另外，整星的尺寸減小導致單機與激勵源的距離更近，導致單機需承受的沖擊載荷也更大。越來越多的單機面臨著需同時滿足具有較大散熱壓力和較嚴酷的力學使用環境的兩難需求。

4 設計優化措施

要解決上述問題，當從以下幾個方面著手：

（1）選用非剛性連接前提下的低接觸熱阻的零件連接方式。傳統的傳熱面連接方式都是依靠螺釘施加預緊力，使界面間的間隙被抹消，因此界面間的傳熱能力在預緊力較低時與預緊力呈現正相關關系。當螺釘影響區域充分接觸，預緊力的提升則對傳熱能力不再有明顯影響。而預緊力的提升則會造成零件間的剛性連接。為了使零件間為非剛性連接，需要通過降低界面間的預緊力使得界面在大加速度作用時呈現滑動摩擦。而要在低預緊力的前提下獲得高導熱能力，有以下幾個方式：1）通過提高表面的光潔度，使得在較低的預緊力作用下界面間的導熱能力;2）界面間填入具有導熱潤滑效果且在真空中不揮發的材料;3）在界面間填入潤滑物質，真空中此物質揮發后界面間發生真空冷焊，從而獲得更高的導熱性能。

（2）使用柔性且具有高導熱性能的零件作為導熱零件。在設計時采用額外的導熱零件將熱量傳導至整機熱接口，導熱零件不起到結構支撐作用。為了使零件具有柔性，可以將高導熱材料做成膜材料，如鋁箔、銅箔、石墨烯薄膜等。但由傳熱學可知，傳熱能力等于材料的傳熱系數×截面積。為了增加導熱面積，勢必要增加材料厚度，這又會增加零件剛度，與需求不符，因此可以采用多層薄膜復合制作導熱零件的方式，如圖4所示。對于零件與熱源、散熱端的接觸位置將多層膜通過焊接或膠接使零件在這兩個位置保證較高的層間傳熱能力。在零件需要保持柔性的部分則仍舊保持為松散的所層膜形式。此方案的核心在于多層膜之間的連接方式，需保證層間具有極好的導熱能力。現階段較為可靠的連接方式為通過釬焊或擴散焊[2]焊接。

（3）采用高導熱率低剛度高阻尼的材料制作機殼。從理論上分析，能量從安裝接口傳入單機內部的過程中能量主要消耗在材料本身阻尼以及各個零件之間的動摩擦引起的力熱轉換。材料剛性與其高阻尼頻率成負相關關系。高阻尼材料多為在彈性基材中填充顆粒的復合材料。為提高材料導熱性能，且有機材料多無法承受空間輻照，無法滿足使用年限要求，因此多采用金屬基復合材料，這類材料只有在較高的頻率下顯示出其阻尼性能。為降低金屬材料的剛度，常采用將材料制備為泡沫金屬或編織為3D金屬網的方式，而這種方式大大降低了材料內部的傳熱路徑，造成材料傳熱系數急劇降低，但不可否認，尋找一種能同時滿足兩方面需要的性能適中的材料是可行的方向。

5 結語

宇航電子單機結構設計時需要兼顧散熱和抗振抗沖擊。在眾多可能的方案中選擇更合理且經濟的設計方案，還要保證產品具有較低的質量，同時還能夠滿足宇航產品所要求的電搭接、抗輻照等其他要求。從前文分析可以看出，隨著熱、力要求的提高，迫切的需要：（1）具有導熱潤滑效果且在真空中不揮發的材料;（2）柔性且具有高導熱性能的零件;（3）高導熱率底剛度高阻尼的材料。

參考文獻

[1] 韓增堯，鄒元杰，朱衛紅，等.航天器力學環境分析與試驗技術研究進展[J].中國科學：物理學 力學 天文學，2019，49（02）：6-22.

[2] 李琪，劉鳳美，侯斌，等.6061鋁合金水冷板擴散焊工藝及其焊接性能[J].材料研究與應用，2018，12（04）：303-307.