一種機載綜合通信設備的結構設計

郭燕

摘要：某機載綜合通信設備結構設計過程中發熱問題比較突出，為此設計了一種模塊化強迫風冷機箱結構，既具有良好的散熱能力，同時兼顧機載設備減重、振動及電磁兼容等方面環境適應性要求。設計過程中應用熱仿真軟件，建立了整機的熱仿真模型，分析了高溫工作時設備散熱性能。設備樣機順利通過了高溫摸底試驗，表明該散熱結構方案有效可行。

Abstract： The heating problem in the structural design of an airborne integrated communication equipment is quite prominent. For this reason， a modular box structure of forced air cooling is designed， which has good heat dissipation capacity. At the same time， environmental adaptability requirements for weight reduction， vibration and electromagnetic compatibility of airborne equipment shall be considered. ?By application of thermal simulation software in the design process， the thermal simulation model of the whole machine is established. The heat dissipation performance of the equipment at high temperature is analyzed. The prototype of the equipment has passed the high temperature bottom test successfully， which shows that the design scheme of the heat dissipation structure is effective and feasible.

關鍵詞：機載終端設備;熱設計;風冷

Key words： airborne;thermal design;air cooling

0 ?引言

隨著通信設備在機載方向的應用越來越廣泛，對設備的集成化要求越來越高，熱設計成為結構設計中極其重要的一個環節。熱設計不僅會影響設備的性能指標，更重要的會對設備的使用壽命產生影響。在某型集成導航、衛通、數據鏈的綜合設備的設計過程中，由于安裝條件受限，需要設計的體積為256.3 mm（寬）×370mm（深）×200mm（高），重量小于15kg，功耗為500W的機載設備。滿足GJB150.18A試驗要求，40g，11ms，各向6次的沖擊以及GJB150.15A試驗要求，各向13.5g加速度。根據設計的要求，在滿足機載設備沖擊振動、電磁兼容性等要求的基礎上，解決設備的散熱問題為主要難點，通過仿真分析迭代，設計了一種散熱優良的結構形式。

1 ?結構設計

傳統的綜合設備大多采用聯合式結構，各設備獨立運行，設備堆疊，設備與設備之間主要通過總線實現信息交互。整個系統呈現為松散耦合的狀態，設備間時間同步性能較低，難以滿足多體系的使用需求。同時，硬件和軟件功能綁定、呈現出緊密耦合的狀態，無法通過快速重構技術，適應快速多變的要求。因此該綜合設備采用軟件定義的形式，構建自適應、高生存，自組織、多功能的彈性機載綜合，實現軟件和硬件解耦合、軟件自適應重構的綜合系統、滿足架構開放化、裝備通用化、功能軟件化的設計理念。在結構設計上，參考標準航空機載機箱的尺寸和安裝使用要求，應用模塊化結構設計理念，各功能板卡采用傳統風冷的非標VPX模塊，以混裝母板作為信號的交聯樞紐，以軸流風機作為冷卻風源，各模塊以積木拼裝式結構組合成風冷屏蔽機箱，總體設計使得體積、重量、功耗等技術指標滿足系統要求。

設備組成包括1塊航電轉接板卡、2塊信號處理板卡、2塊射頻處理板卡、1塊綜合管理板卡、1塊電源管理板卡7個板卡和接口轉換單元、風冷散熱單元等幾部分組成。

接口轉接單元采用板機焊裝連接器的方式，提供設備的對外接口，風冷散熱單元為整個設備提供風源。航電轉接板卡、信號處理板卡、射頻處理板卡、綜合管理板卡、電源管理板卡外面均設計有鋸齒結構的冷板，以增大散熱面積。各板卡之間通過混裝連接器連接，通過緊固條和導銷實現了電氣和機械連接的同步到位，同時各板卡之間形成散熱風道，進而實現了電氣、結構和散熱的緊耦合結構，這種結構具有集成化高，體積小，重量輕，抗振好，散熱好，維修方便等優點。設備的結構形式如圖1所示。

內部板卡模塊通過鎖緊條鎖緊固定，鎖緊條可滿足GJB150.18A試驗要求，40g，11ms，各向6次的沖擊，以及GJB150.15A試驗要求，各向13.5g加速度。內部鎖緊條結構形式見圖2，板卡結構形式見圖3。

1.1 熱設計及仿真

機箱采用強迫風冷設計，后面板安裝有3個60×60風扇，向機箱外部抽風。風道流向為從機箱前面板左側進入，穿過6槽模塊，從機箱后面板后側流出（前視）。如圖4所示。

根據熱平衡方程[1]，計算密封終端機箱散熱方案所需要的通風量：

在公式中，Q為所需通風量（m3/h），Φ為總功耗（W），ρ為空氣的密度（kg/m3），Cp為空氣的比熱（J/kg·℃），Δt為發熱模塊與機箱表面空氣溫差（℃）。發熱模塊與機箱表面的空氣溫差與機箱采取的散熱方案的具體效果有關，含有印制板的風冷的系統，通風量計算時溫差可按取值10℃。將總功耗按200W計算，考慮海拔4550m，查看空氣密度-海拔表得知[2]，該高度下空氣的密度參數約為0.78kg/m3，空氣的比熱參數1005J/kg·℃和初步擬定的溫差10℃代入公式中，可得機箱所需通風量為91.8m3/h。

根據風量計算機箱風扇初步選型，擬選用型號622HH，廠家EBM的風扇。該型風扇的規格為60×60×25.4，單個最大風量56m3/h（機箱共三個風扇），單個噪音43dB，供電電壓DC 12V。風扇的特性曲線見圖5。

分析環境溫度設置為45℃， 修正海拔高度為4550m條件下，設備內的熱量情況[3] [4]，采用電子設備熱分析軟件FLO-THERM，根據功耗預估，對各個板卡的發熱量設定相應的發熱功率，熱仿真模型網格劃分時，對風扇及風道區域網格加密，通過局域化網格邊界限制網格最大長寬比，劃分完成后，模型總網格數約為412.3萬，最大長寬比為12[5]，仿真結果如圖6-圖8所示。

1.2 仿真結果分析

根據仿真分析析以上結果可知，機箱內部最高溫度72.7℃，機箱溫升為27.7℃，風扇工作點31.32m3/h，風阻52Pa。

機載綜合終端內芯片工作溫度不超過80℃，各芯片均在正常工作溫度范圍，622HH風扇可滿足要求，能保證機載綜合終端內各模塊正常工作。

2 ?結束語

上述綜合信道終端設備熱耗高，要求體積小，重量輕，設計了一種模塊化風冷的結構形式，解決了設備高熱耗的散熱問題。

設備已研制樣機，并通過了高溫摸底試驗。強迫風冷的結構設計滿足了設計要求。這種結構形式還具有抗振性好、維修方便等優點，對其他機載通信設備的結構設計有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]張小軍，田珂.間接強迫風冷機箱的熱設計與仿真[J].科技創新與應用，2012（32）.

[2]黃冬梅，童水光，蔡巧言.空間環境下某電子產品的熱設計 [J].導彈與航天運載技術，2005（05）.

[3]電子設備熱設計研究[J].制冷，2009（03）.

[4]劉新博.電子設備模塊熱設計優化[J].科技視界，2013（07）.

[5]龔國友.電子產品熱設計原理及其散熱面積的計算[J].成都電子機械高等專科學校學報，2009（02）.