彈載相控陣天線系留液冷散熱設計與優化分析

楊科，郭威威

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471099）

精確制導武器已逐漸成為現代戰場的殺手锏。面對復雜多樣的目標，隱身性、強電磁干擾成為敵方突防的重要技術手段。相控陣天線能夠顯著地提升導彈的抗干擾、雜波抑制能力，具有波束捷變以及多波束能力，可以實現多批次目標跟蹤[1]。天線散熱設計是雷達結構設計中的重要環節，對天線系統的工作可靠性具有重要意義。此外，陣面散熱設計是否合理直接關系到系統的整體結構方案，且一定程度上決定了產品的任務成功率[2]。

隨著航空電子設備的飛速發展，艙內電子產品的體積功率密度越來越大。例如，某些雷達天線部件中使用的芯片的熱流密度已達到甚至超過300 W/cm2。美國GEC研究表明，隨著電子元器件及電子設備溫度的升高，其失效率呈指數增長。一般來說，環境溫度每升高10 ℃，失效率就增大1倍以上，因此也稱為10 ℃法則[3-4]。據美國空軍研究統計，導致電子設備失效的主要因素中，溫度過高引起的失效超過55%[5]。因此，如何有效降低設備中元器件或組合部件的溫度，早已成為提高產品可靠性設計的重點和難點[6]。液體冷板作為一種高效成熟的冷卻設備，在民用和軍用領域得到了廣泛的應用[7]。

對于傳統的散熱設計方法，經驗性和繼承性的設計往往占較大比重。工程師大多通過類比或應用簡單有限的經驗公式進行粗略的設計計算和分析，相似型號提供的有效數據對設計的總體思路有很大影響。再者就是通過預留較大的設計余量來滿足實際的熱設計要求。由此，雖然在一定程度上滿足了熱設計要求，但造成了設計資源的嚴重浪費。整體來看，產品的功能性和可靠性并沒有達到最優，甚至還會影響整個系統總體方案的實施，最終導致設計反復迭代，研制周期過長。因此，在雷達結構熱設計中，選取高效合理的散熱設計手段及方法顯得越來越重要[8]。

目前電子設備熱設計中較為流行的一種設計方法是借助CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真軟件，對總體方案進行熱仿真分析，為設計者提供直接的設計參考。尤其針對流固熱耦合的液體冷板的散熱問題，流體域和固體域均不能單獨計算求解，也無法單獨描述流體運動和固體現象的變化。因此，合理利用CFD仿真分析工具能夠達到事半功倍的效果。文中針對某型導彈天線的系留狀態作為散熱設計和仿真分析的對象，分析確認系留液冷方案能否滿足產品的系留測試要求；保證內部發熱芯片最高溫度控制在允許的溫度范圍內，達到設計要求；同時對制定的系留測試液冷方案進一步地優化。

1 問題提出

相控陣天線主要由天線線陣、液體冷板、TR模塊、天線電源等多個部分組成。其中，TR模塊為主要發熱源，在末制導段滿載工作時往往能達到數千瓦的功率。此外，相控陣天線受到天線電源的熱耦合影響，僅僅依靠液冷板及天線框架作為冷端散熱，會使整個天線的熱設計難度大大提高。系留飛行試驗主要用于評估導彈目標探測及跟蹤性能，其費用昂貴、試驗困難。因此，在單次飛行試驗中，盡可能多地進入目標區域并對目標實施探測具有重要意義。面對長時間的性能測試，大功率相控陣天線必須要借助其他高效的散熱方式來保證該部件的正常工作而不發生熱失效。

天線總體散熱結構布局如圖1所示，冷卻液從冷板底部流入，在冷板內部完成對TR模塊的紊流散熱后，經冷板底部流出；之后進入天線電源內部流道進行散熱；最后經電源側面出口流出。此散熱設計的目標是確保相控陣天線在40 ℃的環境條件下，在系留飛行測試試驗中，依次進行3個循環周期，每個周期滿功率發射工作90 s，斷電冷卻10 min，天線模塊底板溫度不超過110 ℃。

圖1 天線散熱結構布局 Fig.1 Layout of antenna cooling structure

位于天線T/R模塊內部底板前端的大功率芯片如圖2所示，發熱芯片滿功率工作時，必須通過底部散熱基材將熱流迅速導入外殼，否則熱失效的風險極大。散熱方案選用的冷卻液熱物性參數見表1。

表1 冷卻液熱物性參數 Tab.1 Thermophysical parameters of coolant

圖2 發熱芯片位置 Fig.2 Position of heating chip

相控陣天線結構設計和液冷方案能否滿足文中面臨的主要散熱分析問題的要求？系留測試費用昂貴、困難多，系留測試方案若滿足要求，是否存在進一步完善的空間[9-10]？

2 液冷散熱設計

天線冷板內部冷卻液的流量q為[5]：

式中：q為冷卻液流量，L/min；Q為總損耗，W；C為冷卻液比熱，J/（kg·℃）；ρ為冷卻液密度，kg/m3；Δt為冷卻液溫升，℃，一般取5～8 ℃。

冷板表面的換熱系數h1為[5]：

式中，A為換熱面積（將發熱面積定義為冷卻區域的面積），cm2；Tmax為冷板表面允許的最高溫度，℃；Tout為液冷板的出口溫度，℃。

考慮到功能性和結構設計的局限性，無法將發熱芯片集成到液冷板內部，只能通過熱傳導的方式，將模塊內部熱量傳導至液冷板，通過對液冷板散熱來達到給芯片散熱的目的。這無疑增加了芯片與液冷板之間散熱通道的熱阻，因此，需要盡可能地提高液冷板的散熱效率，以降低模塊殼體的溫升。

將相關材料物理特性帶入式（1），經過分析確定Q=2700 W，Δt=12 ℃，計算得到q=3.4 L/min。

根據天線結構設計參數，初步確定A=180 cm2，Tmax≤90 ℃，Tout≤70 ℃，計算得到h1=0.5 W/(cm2?℃)。要保證天線模塊殼體最高溫度不超過110 ℃，冷板換熱系數不低于0.5 W/(cm2?℃)，傳統的液冷散熱器考慮增加順排或叉排散熱柱（當量直徑de>1 mm），便可滿足散熱使用要求[11]。

3 熱仿真分析

由于涉及有限元瞬態分析的問題，冷板內部有非均勻分布的散熱柱，且結構本身非常復雜，難以通過 解析法進行預估。因此，通過數值仿真計算，可以得到對冷板內部流場及溫度場的變化情況。在數值仿真計算時，需要作如下簡化和假設。

1）采用瞬態計算模式，認為冷板入口流速均勻。

2）冷卻液為理想的牛頓流體。

3）熱輻射的影響忽略不計。

4）外邊界為自然對流。

基于FloEFD軟件進行CFD建模，然后對相控陣天線進行數值仿真分析。由于天線模型比較復雜，為了減小數值仿真的計算量，提高計算效率，對三維模型進行合理的簡化：1）刪減或修補安裝螺紋孔和倒角等細節部分；2）對熱分析結果影響較小或者無影響的部位進行修改簡化。

3.1 基本參數設定

仿真計算前，FloEFD軟件按照如下邊界條件進行設定。

1）輻射。選擇OFF，即忽略輻射。

2）流動特性。選擇層流和湍流。

3）瞬態分析。選擇ON，即進行瞬態分析。時間設定為三個周期，2070 s。

4）入口邊界條件。冷卻液入口溫度為40 ℃，入口水流速為2.5 L/min。

5）壁面邊界條件。默認外壁面熱交換系數為5 W/(m2·℃)。

6）環境溫度設置為40 ℃，固體初始溫度設置為40 ℃。

相控陣天線的主要結構材料為3A21鋁合金。TR模塊發熱芯片為簡化模型，其物理參數均做均勻化處理，通過外殼主要封裝材料的熱物屬性，等效模擬芯片的熱傳導系數及比熱容。材料的詳細參數見表2。

表2 結構材料熱物性參數 Tab.2 Thermophsical parameters of structural materials

3.2 運行仿真計算

在芯片部位設定體積目標，以監測芯片的溫度響應情況；為了監測天線模塊殼體外表面的最高溫度，在16通道底板中間部位設定表面目標，以監測關鍵部位的溫度響應情況。

根據邊界條件的要求，設定入口流量為2.5 L/min，出口壓力為0.3 MPa，占空比為40%，收發工作90 s后，斷電冷卻10 min。共進行3個周期的仿真計算，每個周期加電90 s后，16通道底板、芯片及出口流體的溫度值見表3。關鍵監測點的溫度變化如圖3所示。

表3 每個周期加電90 s末關鍵監測點溫度值 Tab.3 Temperature values of key test points at the end of 90 s power-on for each cycle

圖3 關鍵監測點溫度變化 Fig.3 Temperature change curves of key test points: a) 16-channel backplane and chip temperature change; b) outlet fluid temperature change

3.3 后處理結果分析

根據計算結果可知，每個周期加電90 s后，16通道底板（中間）的溫度均低于110 ℃。因此，導引頭的液冷散熱設計滿足40%占空比，工作90 s，斷電10 min的邊界條件。經過3個周期的測試，水箱中流體溫度最終超過54 ℃，溫升約14 ℃。

圖3a可以看出，液冷散熱方案仍存在一定的完善空間。例如，在每個周期約400 s時，天線模塊的殼體溫度已經降至45 ℃左右的較低水平，在后續斷電冷卻將近300 s的時間內，溫度無明顯變化。因此，若每個測試周期節省300 s，按照40%占空比、加電90 s后斷電的冷卻方案，可以在原有總時間內，至少完成5個周期的測試；可以在成本不變的情況下，顯著提高系留測試的效率。

采用FloEFD軟件自帶的后處理工具，處理整個天線系留流體系統的流動跡線圖，模擬天線系留過程中流體的運行狀態。液冷板內部流體流速分布情況如圖4所示。

由圖4可以看出，由于內部結構復雜，流體速度減弱明顯甚至停滯。如線框區域的液冷板流道內存在流體運動死區，會降低液冷散熱效率。因此，需要考慮液冷板內部結構設計的合理性。

圖4 天線液冷板流速分布 Fig.4 Velocity distrbution of liquid cooling plate for antenna

4 結論

1）基于有限元數值仿真計算，可以在產品設計 早期得到產品的內部溫度場分布以及關鍵元器件的溫度，并快速分析出產品熱設計存在的短板，針對問題及時予以修改，通過較少的設計迭代，滿足產品的技術要求。

2）基于FloEFD模擬相控陣天線的空中系留條件，分析了天線在40%占空比發射、工作90 s、斷電10 min、三個周期內的溫度響應情況。仿真結果表明，流體出口處水溫線性升高，天線模塊殼體在每個周期內的溫度最高點均低于110 ℃的溫度極限，熱設計能夠滿足空中系留測試試驗的要求。

3）對比原測試方案，在系留總時間不變的情況下，可將測試周期提升至5個。