電子學(xué)設(shè)備熱真空/熱平衡試驗(yàn)一體化技術(shù)

陳維春

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

航天遙感相機(jī)作為衛(wèi)星的重要有效載荷，主要用于對(duì)地觀測(cè)以獲取地面圖像信息，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家社會(huì)發(fā)展等方方面面獲得了廣泛應(yīng)用。其中，電子學(xué)設(shè)備是遙感相機(jī)的重要組成部分[1]，用于實(shí)現(xiàn)管理控制功能以及信號(hào)處理等功能。與遙感相機(jī)光機(jī)主體一樣，電子學(xué)設(shè)備在軌道上運(yùn)行時(shí)要面臨著復(fù)雜的空間熱環(huán)境，同時(shí)電子學(xué)設(shè)備自身工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。上述惡劣的內(nèi)外部熱環(huán)境容易使電子學(xué)設(shè)備的元器件受到損害，從而會(huì)影響系統(tǒng)的成像性能和功能[1]。

為了保證電子學(xué)設(shè)備能夠在整個(gè)軌道運(yùn)行過程中經(jīng)受住各種熱環(huán)境的影響而正常工作，必須要在研制過程中進(jìn)行正確的熱設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要進(jìn)行熱試驗(yàn)來驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)設(shè)備的熱性能和功能[2-3]。

電子學(xué)設(shè)備真空狀態(tài)下的熱試驗(yàn)主要包括熱真空試驗(yàn)與熱平衡試驗(yàn)。其中，熱真空試驗(yàn)在初樣階段與正樣階段都需要進(jìn)行，熱平衡試驗(yàn)通常只在初樣階段進(jìn)行[4]。常規(guī)研制中，電子學(xué)設(shè)備熱真空試驗(yàn)與熱平衡試驗(yàn)是完全獨(dú)立的兩個(gè)試驗(yàn)，采用完全不同的兩套熱邊界模擬裝置及其他配套設(shè)備。

本文揭示了電子學(xué)設(shè)備熱真空試驗(yàn)與熱平衡試驗(yàn)的內(nèi)在聯(lián)系，提出了兩種熱試驗(yàn)一體化技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，最后通過仿真實(shí)例驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。

2 熱真空試驗(yàn)與熱平衡試驗(yàn)簡(jiǎn)介

電子學(xué)設(shè)備熱真空試驗(yàn)與熱平衡試驗(yàn)都是在地面模擬宇宙空間的熱環(huán)境，對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種工況下的試驗(yàn)。這兩種熱試驗(yàn)盡管在儀器設(shè)備、環(huán)境條件模擬等方面都有相同或相似的地方，但在試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)過程等方面有著本質(zhì)的不同。表1給出了兩者的主要區(qū)別[5-6]。

表1 兩種熱試驗(yàn)比較表Tab.1 Comparison between two thermal tests

2.1 熱真空試驗(yàn)

電子設(shè)備熱真空試驗(yàn)的熱邊界模擬通常采用紅外籠裝置，通過控制紅外籠的溫度來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高低溫要求。熱真空試驗(yàn)需要按規(guī)定完成若干次高低溫循環(huán)。

熱真空試驗(yàn)的基本步驟如下：溫度控制點(diǎn)開始于環(huán)境溫度升到規(guī)定的溫度并穩(wěn)定，斷電、熱啟動(dòng)做性能測(cè)試，停留規(guī)定的時(shí)間，并進(jìn)行相應(yīng)的性能和功能測(cè)試，完成后，開始降溫，溫度控制點(diǎn)的溫度降到規(guī)定溫度并穩(wěn)定后斷電，進(jìn)行冷啟動(dòng)，停留規(guī)定的時(shí)間，并進(jìn)行相應(yīng)的性能和功能測(cè)試，完成后開始升溫，溫度控制點(diǎn)的溫度達(dá)到環(huán)境溫度時(shí)構(gòu)成一個(gè)溫度循環(huán)。

2.2 熱平衡試驗(yàn)

熱平衡試驗(yàn)的熱邊界通常采用鋁板模擬在衛(wèi)星上的安裝熱環(huán)境。電子設(shè)備安裝在涂有導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱材料的底板上，其余艙板模擬輻射熱邊界，朝向電子設(shè)備的內(nèi)表面通常噴涂高發(fā)射率涂層。

熱平衡試驗(yàn)的基本做法如下：控制熱邊界為規(guī)定的低溫限或高溫限，待溫度穩(wěn)定后，電子設(shè)備連續(xù)加電至規(guī)定時(shí)間后斷電，測(cè)試設(shè)備內(nèi)部元器件在加電過程中的溫度。

3 熱真空/熱平衡試驗(yàn)一體化技術(shù)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

電子設(shè)備熱真空試驗(yàn)與熱平衡試驗(yàn)在熱控措施方面主要有兩點(diǎn)差異：一是溫度控制點(diǎn)的位置不同；二是熱邊界的具體實(shí)現(xiàn)方法不同。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面主要考慮如何統(tǒng)一兩方面的不同需求。

3.1.1溫度控制點(diǎn)的選取

熱真空試驗(yàn)的溫度控制點(diǎn)是在設(shè)備上，通過控制熱邊界使設(shè)備殼體上的溫度控制點(diǎn)在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)并進(jìn)行相關(guān)的性能和功能測(cè)試。

熱平衡試驗(yàn)的溫度控制點(diǎn)在熱邊界上（即通常的艙板上），通過控制熱邊界達(dá)到規(guī)定的溫度要求來監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)的元器件是否滿足熱設(shè)計(jì)要求。

電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的最主要目的就是把設(shè)備內(nèi)部元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量有效的傳至設(shè)備的殼體上，而設(shè)備殼體向周圍環(huán)境（如衛(wèi)星艙板上）的散熱則由衛(wèi)星平臺(tái)熱設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)[7]，與電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)關(guān)系不大。因此，完全可以把熱平衡試驗(yàn)的溫度控制點(diǎn)由熱邊界轉(zhuǎn)移到設(shè)備殼體上。這樣一來就統(tǒng)一了兩種熱試驗(yàn)的溫度控制點(diǎn)，便于試驗(yàn)的操作和控制。

3.1.2熱邊界的實(shí)現(xiàn)方法

一方面，紅外籠裝置能夠滿足較快的升降溫速率，而鋁板在升降溫速率方面可能會(huì)存在一定的問題。另一方面，熱真空試驗(yàn)的規(guī)定溫度范圍要寬于熱平衡試驗(yàn)，既然紅外籠裝置能夠滿足熱真空試驗(yàn)的溫度上下限，當(dāng)然也能夠滿足熱平衡試驗(yàn)的溫度上下限。

綜合以上分析，本文兩種熱試驗(yàn)的熱邊界模擬均采用紅外籠裝置。

3.2 仿真實(shí)例

由于熱真空試驗(yàn)方法是成熟的技術(shù)，因此，本文重點(diǎn)在于熱平衡試驗(yàn)的仿真研究。以某可見光相機(jī)的信號(hào)處理器與管理控制器為例，通過艙板與紅外籠兩種熱邊界條件下的不同設(shè)置分別進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.2.1輸入條件

在軌階段，信號(hào)處理器與管理控制器的載荷艙溫度為-15℃～+50℃。信號(hào)處理器與管理控制器的各個(gè)工作模式下的元器件溫度應(yīng)該滿足元器件一級(jí)降額要求的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）信號(hào)處理器

信號(hào)處理器采用了分層式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。信號(hào)處理及數(shù)據(jù)合成電路板、積分時(shí)間控制電路板的安裝結(jié)構(gòu)一致。設(shè)備采取上部螺接、側(cè)面用頂絲固定的方式。最底部為二次電源組件安裝盒，它通過母板安裝板與上面的結(jié)構(gòu)螺接，底部6個(gè)耳角與衛(wèi)星安裝板連接。圖1給出了信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of signal processor structure

信號(hào)處理器所選用的主要功率元器件見表2，電路板及其主要功耗分配如表3所示。

表2 信號(hào)處理器主要元器件表Tab.2 Primary elements of signal processor

表3 信號(hào)處理器功耗分配表Tab.3 Power distribution of signal processor

（2）管理控制器

管理控制器采用層摞式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)每塊電路板做一段機(jī)箱，電路板安裝在機(jī)箱段的托框內(nèi)，對(duì)外接插件安裝在機(jī)箱壁，將所有的機(jī)箱段組合起來加上蓋板，用貫穿螺釘緊固，就形成了一個(gè)完整的機(jī)箱。圖2給出了管理控制器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 管理控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of management controller structure

管理控制器所選用的主要功率元器件見表4，電路板及其器件主要功耗分配如表5所示。

表4 管理控制器主要元器件表Tab.4 Primary elements of management controller

表5 管理控制器功耗分配表Tab.5 Power distribution of management controller

3.2.2熱設(shè)計(jì)措施簡(jiǎn)介

信號(hào)處理器殼體與管理控制器的殼體為鋁材質(zhì)，全金屬材質(zhì)的殼體有利于散熱。其中，信號(hào)處理器殼體的結(jié)構(gòu)形式選用箱體分層式，管理控制器殼體的結(jié)構(gòu)形式選用箱體層摞式。

熱設(shè)計(jì)的基本措施首先是通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)降低電路的熱功耗，對(duì)于熱功率較大的器件采取特定的散熱措施，增強(qiáng)有效散熱路徑，從元器件、印制板、設(shè)備殼體這幾方面考慮建立低熱阻的散熱通道[7-8]，將元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳給機(jī)箱殼體并最終通過傳導(dǎo)和輻射方式傳遞到周圍環(huán)境中，從而將設(shè)備中所有元器件的工作溫度控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，保證設(shè)備在軌工作設(shè)計(jì)壽命內(nèi)安全穩(wěn)定工作。

3.2.3仿真結(jié)果評(píng)價(jià)

衛(wèi)星載荷艙提供信號(hào)處理器與管理控制器工作的環(huán)境溫度為-15℃～+50℃。結(jié)合設(shè)備電子器件處在不同環(huán)境下的溫度情況，信號(hào)處理器與管理控制器工作在50℃環(huán)境溫度下以及設(shè)備每軌加電15min為分析的極端高溫工況。表6列出了信號(hào)處理器主要元器件的熱分析結(jié)果，表7列出了管理控制器主要元器件的熱分析結(jié)果。

表6 相機(jī)信號(hào)處理器熱分析結(jié)果列表Tab.6 Thermal analysis results of signal processor

表7 管理控制器熱分析結(jié)果列表Tab.7 Thermal analysis results of management controller

從表中數(shù)據(jù)可知，兩種熱邊界模擬方法的計(jì)算數(shù)據(jù)偏差不大，均在2℃以內(nèi)。并且信號(hào)處理器與管理控制器在極端高溫工況下，在現(xiàn)有熱設(shè)計(jì)措施下，能達(dá)到的最高溫度能夠滿足器件降額使用的要求，熱設(shè)計(jì)措施合理有效。上述分析結(jié)果表明了采用紅外籠模擬電子學(xué)設(shè)備的熱邊界進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)是合理可行的。

3.3 試驗(yàn)建議

（1）測(cè)溫點(diǎn)的布置

布置盡可能多的測(cè)溫點(diǎn)在所關(guān)注的元器件上，不但可用于熱平衡試驗(yàn)測(cè)溫，還可用于熱真空試驗(yàn)測(cè)溫。

（2）試驗(yàn)順序

建議先進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，再進(jìn)行熱真空試驗(yàn)。這樣可以根據(jù)熱平衡試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度預(yù)示，避免先進(jìn)行熱真空試驗(yàn)有可能帶來元器件溫度過高造成產(chǎn)品損傷以至于試驗(yàn)中斷的情況。

4 結(jié)束語

電子設(shè)備熱真空試驗(yàn)與熱平衡試驗(yàn)一體化技術(shù)的意義在于揭示了兩種熱試驗(yàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系性，統(tǒng)一了兩者的不同需求。先進(jìn)行的試驗(yàn)可以為后進(jìn)行的試驗(yàn)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步判斷試驗(yàn)可靠安全的進(jìn)行。除此之外，還能夠節(jié)約試驗(yàn)成本、縮短研制進(jìn)度。

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