載人飛船儀表板的熱仿真分析

王克成，馬 聰，孫 亮（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730000）

載人飛船儀表板的熱仿真分析

王克成，馬 聰，孫 亮
（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730000）

航天器產(chǎn)品熱設(shè)計的對象是電子產(chǎn)品整機(jī)，將宇宙空間作為熱沉，有效將熱量排放到外空間是航天器熱設(shè)計的主要任務(wù)。而對于艙內(nèi)電子產(chǎn)品熱設(shè)計任務(wù)主要是將元器件的熱功耗有效傳遞給底板、設(shè)備外殼及艙壁上，確保元器件在允許的工作溫度范圍內(nèi)可靠的工作。運(yùn)用有限元分析軟件FloTHERM，對航天電子產(chǎn)品設(shè)計階段進(jìn)行熱仿真，對其熱控方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電子元器件能夠安全、可靠的工作。

航天器產(chǎn)品；熱仿真；儀表板；電子設(shè)備；PCB板

0 引言

航天器熱設(shè)計的任務(wù)是使航天器及其電子設(shè)備或部件的熱參數(shù)（溫度、溫度差等），在發(fā)射前的準(zhǔn)備段、上升段、軌道運(yùn)行段和返回段等各階段，保持在規(guī)定的范圍內(nèi)［1］。良好的熱性能是保證電子設(shè)備安全可靠工作的重要條件，散熱是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的問題［2-3］。飛船儀表板不僅作為安裝在儀表板上各設(shè)備的結(jié)構(gòu)支撐，還是各設(shè)備的散熱通道。利用FloTHERM軟件對儀表板及其電子設(shè)備進(jìn)行熱仿真，并結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗(yàn)對仿真分析中應(yīng)注意的問題做了簡要說明，熱仿真分析結(jié)果對飛船儀表板及其所安裝電子設(shè)備的設(shè)計具有一定的參考意義［4］。

1 儀表板及電子設(shè)備

載人飛船儀表板是各儀表與手控設(shè)備的承載部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、強(qiáng)度、剛度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，為儀表與手控設(shè)備提供準(zhǔn)確、可靠的安裝接口和必要的工作環(huán)境。該儀表板通過4個專門研制的金屬減振器與艙壁安全、可靠的連接，同時保證安裝在儀表板上的各電子設(shè)備安全、可靠的工作。儀表板上共安裝9個具有熱耗的電子設(shè)備，布局如圖1所示。

儀表板由硬鋁合金2A12整體銑削加工而成，在保證足夠的強(qiáng)度、剛度的同時也是所安裝各儀表設(shè)備的散熱途徑。一方面所裝各電子設(shè)備工作產(chǎn)生的熱量通過安裝接觸面?zhèn)鲗?dǎo)到儀表板上，通過儀表板的外表面與艙內(nèi)空氣進(jìn)行微重力下的對流換熱；另一方面儀表板減振器與飛船大熱沉相連，將一部分熱量傳導(dǎo)到飛船整體；各電子設(shè)備自身外露表面與艙內(nèi)空氣進(jìn)行微重力下的對流換熱。這些散熱通道為飛船儀表板上安裝的電子設(shè)備提供安全、可靠的工作環(huán)境。

圖1 布局簡圖

2 熱仿真分析

2.1 分析軟件

FloTHERM軟件是運(yùn)用通用商業(yè)CFD軟件，可進(jìn)行元器件級、PCB板級、系統(tǒng)級及環(huán)境級的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱仿真分析工作，并可同時耦合計算傳導(dǎo)、對流及輻射換熱［5］。

2.2 模型簡化原則

載人飛船儀表板及其電子設(shè)備屬儀表與手控設(shè)備，各設(shè)備的按鍵、開關(guān)、接插件等非熱源元器件較多，原始結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要對其進(jìn)行必要的簡化，包括CAD模型和PCB板。目的是在不影響原始熱分布的情況下，降低熱仿真的復(fù)雜程度、減少模型網(wǎng)格數(shù)量。簡化原則有：

（1）對結(jié)構(gòu)上不影響穩(wěn)態(tài)分析的圓角、安裝孔、加強(qiáng)肋等細(xì)節(jié)特征不予考慮；

（2）對電子設(shè)備的按鍵、開關(guān)、接插件等元器件的模型進(jìn)行等熱容結(jié)構(gòu)處理；

（3）對發(fā)熱量小于0.1 W的元器件，不予詳細(xì)建模，熱耗均布于元器件所在的PCB板上；

（4）對增加熱通道的導(dǎo)熱墊進(jìn)行簡化處理，并設(shè)置相應(yīng)熱阻。

2.3 邊界條件的設(shè)置

按照惡劣的環(huán)境試驗(yàn)條件設(shè)置散熱分析的邊界條件。對輻射換熱，由于艙內(nèi)輻射環(huán)境復(fù)雜，無法確定環(huán)境輻射溫度，故按環(huán)境溫度值設(shè)置。減振器與艙壁連接處，由于艙壁散熱條件復(fù)雜，故按環(huán)境溫度設(shè)置。最終確定的散熱邊界條件如表1所列。

表1 散熱邊界條件表

2.4 設(shè)備建模

2.4.1 儀表板和減振器建模

依據(jù)載人飛船儀表板和減振器的CAD結(jié)構(gòu)模型，建立熱仿真模型。其CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 儀表板模型圖

減振器由安裝面、減振器本體、艙壁固定處三部分組成。其中安裝面簡化為30 mm×30 mm×4 mm的不銹鋼實(shí)體（導(dǎo)熱系數(shù)為163 W/m·K），簡化原則為保證安裝面與儀表板的接觸面積與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致以保證其傳熱特性，安裝面與儀表板接觸處設(shè)置0.005 05 K·m2/W的接觸熱阻。減振器簡化為10 mm×10 mm×50 mm的不銹鋼實(shí)體（導(dǎo)熱系數(shù)為163 W/m·K），簡化原則為保證減振器本體與安裝面的接觸面積盡量一致以保證其傳熱特征，長度方向按實(shí)際尺寸設(shè)置。減振器本體與艙壁連接處，設(shè)置40℃的熱沉。建立減振器的熱仿真計算模型如圖3所示。

根據(jù)熱仿真分析模型的簡化原則，飛船儀表板的安裝孔、托板螺母、圓角等細(xì)節(jié)特征，對穩(wěn)態(tài)熱分析的影響很小。在建立熱分析計算模型時，對其進(jìn)行相應(yīng)的簡化，刪除了安裝孔、托板螺母、圓角等細(xì)節(jié)特征。飛船儀表板的材料設(shè)置為硬鋁合金2A12，其導(dǎo)熱系數(shù)為121 W/m·K，表面發(fā)射率為0.7。飛船儀表板通過減振器與艙壁相連，熱分析模型簡化后計算模型如圖4所示。

圖3 減振器模型圖

圖4 儀表板與減振器連接結(jié)構(gòu)圖

2.4.2 各電子設(shè)備建模

載人飛船儀表板共安裝了9臺具有熱耗的電子設(shè)備。依據(jù)模型簡化原則將各電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)上的安裝孔、圓角、加強(qiáng)筋等細(xì)節(jié)特征，對穩(wěn)態(tài)熱分析的影響很小，在建模過程中不予考慮。同時，各電子設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)與殼體材料均為硬鋁合金2A12，導(dǎo)熱系數(shù)為121 W/m·K，殼體外表面均進(jìn)行黑色陽極化處理，表面發(fā)射率設(shè)置為0.85。各電子設(shè)備與儀表板通過安裝耳片連接，安裝耳片與儀表板之間的接觸熱阻設(shè)置為0.005 05 K·m2/W。各電子設(shè)備四周與儀表板之間有0.4 mm的間隙，設(shè)置為與0.4 mm厚空氣產(chǎn)生的熱阻相當(dāng)?shù)谋砻鏌嶙杼匦?，熱阻值?.015 4 K·m2/W。

（1）PCB板的材質(zhì)與厚度設(shè)置。各電子設(shè)備的PCB板的數(shù)量及熱耗均不同，但各個PCB板的材質(zhì)和厚度均相同，因此統(tǒng)一對各電子設(shè)備中的所有PCB板厚度和材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置。PCB板厚為2 mm，絕緣材料為FR4（導(dǎo)熱系數(shù)0.3 W/m·K），導(dǎo)電材料為銅（導(dǎo)熱系數(shù)385 W/m·K），4層板，每層厚度均為0.035 mm，4層導(dǎo)電層的鋪銅面積率分別為：10%、90%、90%、10%；

（2）熱耗小于0.2 W、元器件單片熱耗小于0.1 W 的PCB板熱特性設(shè)置，對于總熱耗小于0.2 W，單個元器件的熱耗小于0.1 W的PCB板，對溫度影響很小，均未對其進(jìn)行單獨(dú)建模，僅用實(shí)體結(jié)構(gòu)代替其位置，以考慮對其他元器件的影響；

（3）熱耗小于1 W、元器件單片熱耗小于0.1 W 的PCB板熱特性設(shè)置，對于總熱耗小于1 W，單個元器件的熱耗小于0.1 W的PCB板，未對元器件進(jìn)行詳細(xì)建模，利用同樣大小的簡化平板代替，同時在平板上均布熱耗；

（4）元器件單片熱耗大于0.1 W的PCB板熱特性參數(shù)設(shè)置，單片元器件熱耗大于0.1 W的PCB板，對其進(jìn)行詳細(xì)建模，其中一些元器件為DC-DC模塊，其熱耗較高，需要通過散熱凸臺進(jìn)行散熱，散熱凸臺與DC-DC模塊間加兩層導(dǎo)熱墊。DC-DC模塊的Rjc設(shè)定值比給定值大0.39 K/W，將導(dǎo)熱墊簡化為熱阻，將兩部分的熱阻疊加設(shè)置為Rjc，這樣簡化對分析結(jié)果無影響，同時可減少仿真計算量。對于無法獲得的Rjb值，參考已知同類型封裝的器件Rjb值設(shè)定。

載人飛船儀表板安裝的電子設(shè)備中，元器件單片熱耗不小于0.1 W的PCB板熱特性參數(shù)設(shè)置具體如表2所列。

2.4.3 完整的仿真模型

通過以上設(shè)置，完成載人飛船儀表板及所有設(shè)備的完整熱仿真計算模型，如圖5所示。

院校在進(jìn)行物流專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)的時候應(yīng)該積極的進(jìn)行校企合作的方式進(jìn)行校外實(shí)訓(xùn)基地的實(shí)踐操作，為學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新平臺。對于低年級的學(xué)生應(yīng)該開展近距離的觀摩機(jī)會，比如對設(shè)施設(shè)備的觀摩以及對物流中心的參觀等機(jī)會，能夠幫助學(xué)生熟悉企業(yè)物流操作的實(shí)際環(huán)境，建立學(xué)習(xí)的氛圍和信心。對于高年級的學(xué)生應(yīng)該積極的開展實(shí)習(xí)機(jī)會，在實(shí)際操作中不斷的提高自身的綜合素質(zhì)和專業(yè)技術(shù)水平，并且要做好實(shí)習(xí)報告的編寫工作，提出作業(yè)流程和操作方法的不科學(xué)之處，做好相應(yīng)的改進(jìn)方案，才能夠更好的幫助學(xué)生融入物流實(shí)踐中，感悟企業(yè)文化，了解物流行業(yè)的實(shí)際情況，進(jìn)而才能夠調(diào)動學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和解決實(shí)際問題的能力。

圖5 儀表板及所有設(shè)備的完整仿真模型圖

表2 各電子設(shè)備主要發(fā)熱元器件熱特性參數(shù)表

2.5 求解設(shè)置

2.5.1 網(wǎng)格設(shè)置

FloTHERM采用正交網(wǎng)格技術(shù)，為了保證求解精度，網(wǎng)格長寬比應(yīng)控制在20以內(nèi)，最小網(wǎng)格尺寸大于求解區(qū)域尺寸的106。載人飛船儀表板及其設(shè)備的熱仿真計算模型建模完成后，按四種方法設(shè)置計算網(wǎng)格。

（1）系統(tǒng)網(wǎng)格設(shè)置。通過系統(tǒng)網(wǎng)格的設(shè)置，保證所有仿真模型的邊界和幾何體均有網(wǎng)格線存在；

（2）網(wǎng)格區(qū)域化處理。由于各設(shè)備由多個模塊組裝而成，各模塊間沒有干涉。針對各模塊做網(wǎng)格局域化處理，把各模塊本身的網(wǎng)格局限于模塊內(nèi)部，以減少由于各模塊內(nèi)部網(wǎng)格延伸至計算域邊界造成的網(wǎng)格數(shù)量過多。保證模塊內(nèi)部網(wǎng)格尺度的前提下，大大減少計算量；

（3）調(diào)整網(wǎng)格。調(diào)整X，Y，Z三個方向上網(wǎng)格的最小尺寸和最大尺寸以進(jìn)一步細(xì)化控制網(wǎng)格尺度，以保證計算準(zhǔn)確度；

2.5.2 求解器設(shè)置

載人飛船儀表板及設(shè)備實(shí)際工況設(shè)置熱仿真模型的求解器，求解問題類型為考慮輻射散熱的穩(wěn)態(tài)三維流動和傳熱耦合分析，并設(shè)置求解器參數(shù)。

2.6 求解過程

按照熱仿真模型和求解設(shè)置，經(jīng)過2 544步的迭代計算。壓力、速度及溫度殘差均小于5，各監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線趨于平直，滿足收斂要求。

2.7 熱仿真結(jié)果

由熱仿真計算結(jié)果可得到：飛船儀表板上所安裝電子設(shè)備的主要發(fā)熱元器件的結(jié)溫值，如表3所示。整體表面溫度云圖如圖7所示，其中1臺設(shè)備的PCB板溫度云圖如圖8所示。

圖6 網(wǎng)格總數(shù)及質(zhì)量圖

圖7 總模型正面溫度云圖

表3 主要發(fā)熱元器件結(jié)溫表

圖8 其中1臺設(shè)備的PCB板溫度云圖

3 結(jié)論

通過對熱仿真結(jié)果的分析，載人飛船儀表板所有設(shè)備元器件在給定工作環(huán)境條件下的結(jié)溫都滿足I級降額的要求，分析結(jié)果趨勢合理。同時熱控材料和部件選用正確，具有良好的繼承性，熱控措施合理、可行。運(yùn)用FloTHERM進(jìn)行航天電子產(chǎn)品熱仿真，能夠有效地驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計的合理性，能在設(shè)計初期將可能遇到的一系列問題考慮充分，并體現(xiàn)在具體的產(chǎn)品設(shè)計中，在一定程度上避免試驗(yàn)驗(yàn)證，降低人力物力成本，縮短設(shè)計周期，值得在航天產(chǎn)品設(shè)計及可靠性設(shè)計中推廣。

［1］閔桂榮，郭舜.航天器熱控制［M］.第2版.北京：科學(xué)出版社，1998.

［2］范含林.空間環(huán)境對航天器熱設(shè)計影響分析［J］.航天器環(huán)境工程，2008，25（3）：220-223.

［3］Swanson T D，Birur G C.NASA thermal control technologies forrobticspacecraft［C］//Paperfor12thIHPC，2002.

［4］尉海霞，朱建炳，潘雁頻，等.有限元法在輻射制冷器熱分析中的應(yīng)用［J］.真空與低溫，2006，12（2）：91-94.

［5］鈕冬科，金曉怡，張向偉，等.基于Flotherm的電子電路熱仿真分析與研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（6）：16-24.

THERMAL ANALYSIS FOR A SPACEFLIGHT INSTRUMENT PANEL

WANG Ke-cheng，MACong，SUN Liang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Spacecraft is a complete machine of electronic products，astrospace is used as heat sink.Discharging heat out to external space effectively is the primary mission of spacecraft thermal design.But for electronic products inboard，the mission is mainly transmitting thermal power dissipation to baseplate，enclosure and bulkhead，make sure that components work reliably in the range of allowable working temperature.Apply finite element analysis software FloTHERM to conduct thermal analysis during spacecraft electronic products design period，adjust and optimize the thermal control scheme to make electronic components work safely and reliably.

spacecraft products；thermal analysis；instrument panel；electronic equipment；PCB panel

V441

A

1006-7086（2016）02-0090-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.006

2015-12-23

王克成（1975-），男，甘肅民勤縣人，高級工程師，主要從事航天產(chǎn)品及可靠性設(shè)計。E-mail：wkc_200@sina.com。