高比功率微小衛(wèi)星電源控制器結構設計

解曉龍 何明珠

（中國電子科技集團公司第十八研究所 天津市 300384）

近年來，隨著我國商業(yè)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，低軌微小衛(wèi)星得到了廣泛的應用，電源分系統(tǒng)作為衛(wèi)星的“心臟”，為衛(wèi)星平臺和載荷提供能源，電源控制器作為電源分系統(tǒng)中重要的單機，起到能量管理、變換和分配的功能。比功率作為電源控制器的重要性能指標，是指整機功率與整機重量的比值，在整機功率不變的前提下，電源控制器的輕量化設計能夠提升比功率，有效的降低發(fā)射成本，符合商業(yè)航天領域低成本的需求。本文結合高比功率微小衛(wèi)星電源控制器項目的研制，在滿足可靠性要求的前提下，應用鎂鋁合金作為電源控制器的主體結構材料，通過結構優(yōu)化設計，并利用軟件仿真分析和環(huán)境試驗驗證其工程實用性，為高比功率微小衛(wèi)星電源控制器的結構設計提供參考。

1 電源控制器結構材料的選取

為有效降低衛(wèi)星的發(fā)射成本，密度小的輕金屬是目前航天領域主要采用的衛(wèi)星結構主體金屬材料。其中鋁合金密度低，具有較高的比強度和比模量，工藝性能良好，具有良好的導熱性和導電性，且價格低廉，是衛(wèi)星電源控制器主體結構應用最為廣泛的材料。相較于鋁合金，鎂鋁合金是目前輕金屬材料中密度最小的材料，其密度更小，比強度和比模量均比較高，減振性能好，可承受較大的沖擊載荷，同時具有良好的導熱性和導電性[1]。

鋁合金和鎂鋁合金物理性能對比見表1。

由表1 中數(shù)據(jù)可知，鎂鋁合金材料的密度約為鋁合金的2/3，可大大減輕電源控制器結構主體重量，有效提高電源控制器比功率，且其實際的剛度性能指數(shù)一般高于鋁合金。雖然鎂鋁合金抗拉強度、延伸率及熱導率低于鋁合金，但可通過電源控制器主體結構的優(yōu)化設計、合理布局和發(fā)熱量大的元器件的布置，滿足整機抗力學環(huán)境及熱設計，具備一定的設計裕度，滿足工程應用要求。

表1：鋁合金和鎂鋁合金物理性能對比

圖5：Y 向應力響應云圖

本電源控制器結構選取鎂鋁合金作為主體材料。

2 結構設計

電源控制器結構設計需在給定的各類載荷條件下通過選擇構型，確定印制板的結構尺寸、印制板上元器件布局、印制板的邊緣固定，調(diào)整電路板組件的安放位置以及通過改變結構阻尼等一系列措施達到滿足設備的強度和剛度的要求，并改善元器件的力學環(huán)境條件，保證電源控制器能正常工作。在設計中應對產(chǎn)品結構分級進行分析，除對整機結構進行分析外，還需對電路板內(nèi)部組件進行模態(tài)和動力響應分析，電路板上的元器件是電源控制器的關鍵部分，其性能直接影響整機的性能。另外，也需對產(chǎn)品熱環(huán)境進行分析，具體分析元器件的溫度滿足降額設計。

本項目電源控制器結構由4 類共6 個模塊組成，按功能分為分流模塊、充放電模塊、濾波模塊以及配電模塊，均采用鎂鋁合金材料作為主體材料，總體結構重量相較鋁合金結構減重1kg。根據(jù)各功能模塊內(nèi)部元器件種類及PCB 板的布置，綜合考慮力、熱和工藝性等設計要求，合理布局，優(yōu)化整機外形尺寸及單模塊壁厚，以減輕重量，提高機箱整體的結構強度與剛度，保證單機的熱特性。

采用鎂鋁合金優(yōu)化設計后的電源控制器三維結構外形圖如圖1所示。

圖1：電源控制器三維結構外形圖

3 結構抗力學環(huán)境仿真分析

電源控制器結構抗力學環(huán)境設計中的設計校核主要有兩部分工作，分別為強度校核和剛度校核。其中，結構強度主要是指結構抵抗破壞或者塑性變形的能力，強度分析主要包括電源控制器的結構在隨機振動載荷條件下的應力分析，使其應力安全裕度大于零。安全裕度是表示結構部件強度的剩余系數(shù)，其計算方法如下所示：

表 3：高溫工況整機主要功率元器件溫度

其中：MS——安全裕度；

fs——安全系數(shù)，一般取為1.35；

σf——許用破壞應力，MPa，脆性材料取強度極限σb，其它材料取彈性極限 σ0.2；

σmax——計算應力，在各種載荷作用下計算得到結構上最大應力值，MPa，在各種載荷（各種振動，最大準靜態(tài)載荷）作用下計算得到結構上的最大應力值。

結構剛度在靜態(tài)時是指結構抵抗變形的能力，在動態(tài)時指結構的固有頻率高低，結構需具備足夠的剛度，以便在經(jīng)受環(huán)境載荷作用下不回產(chǎn)生超額的彈、塑變形，并具有足夠高的結構固有頻率，不致產(chǎn)生動力耦合現(xiàn)象和過大的動力響應載荷。一般情況下，往往用固有頻率值作為剛度的設計要求，設計應確保結構基頻大于規(guī)定的值，按要求電源控制器結構基頻應大于100Hz。

本項目中，利用CATIA 軟件對應用鎂鋁合金材料的結構三維實體進行建模，并進行仿真分析前的模型簡化。后將簡化后的模型轉換格式，導入ANSYS WORKBENCH 軟件中進行有限元分析，通過模型預處理、網(wǎng)格劃分等設置，在給定的抗力學環(huán)境輸入條件下進行模態(tài)分析及隨機響應分析[2]計算，以進行電源控制器結構的剛度和強度校核，為結構的整體設計提供理論依據(jù)。

利用ANSYS WORKBENCH 軟件中特定功能模塊在給定的輸入條件下分別對簡化的電源控制器模型進行模態(tài)分析和隨機響應分析。

3.1 模態(tài)分析

利用Modal 模塊對前處理后的模型進行分析，結果如下：

電源控制器結構基頻為221.63Hz，大于100Hz，其頻率特性滿足總體對電源控制器提出的設計要求。其第一階模態(tài)振型和第二階模態(tài)振型如圖2 和圖3所示。

圖2：結構第一階模態(tài)振型

圖3：結構第二階模態(tài)振型

3.2 隨機振動分析

利用Response Vibration 模塊對電源控制器結構進行隨機振動響應分析，以進行強度校核，給定的隨機振動輸入條件如表2所示。

表2：隨機振動條件

隨機響應分析可以得出結構在X、Y、Z 三方向輸入條件下的應力響應，如圖4-圖6所示，選取安全系數(shù)f=1.35，計算可得各方向安全裕度Ms>0，滿足強度要求，可以在星上安全可靠的使用。

圖4：X 向應力響應云圖

圖6：Z 向應力響應云圖

通過以上抗力學環(huán)境分析仿真分析可知，在衛(wèi)星總體給定的輸入條件下，采用鋁鎂合金的電源控制器結構剛度和強度符合設計要求，滿足星上使用要求。

4 結構熱分析

結合電源控制器所處艙內(nèi)熱環(huán)境和本身的結構布局，合理組織元器件散熱通道以及整機的散熱途徑，使元器件溫度（結溫）滿足國軍標規(guī)定的I 級降額溫度指標要求。

利用I-DEAS 軟件對結構實體進行建模及模型簡化進行有限元分析，依據(jù)以下條件進行熱分析。

（1）邊界條件：為了計算高溫工況下電源控制器內(nèi)部各個元器件的溫度，將艙板設為定溫邊界50℃。

（2）熱耦合條件：根據(jù)元器件的安裝方式計算元器件與安裝板之間的熱阻 ，將其作為元器件與安裝板的熱阻耦合值。

在高溫工況下計算出電源控制器整機溫度分布如圖7所示。

圖7：高溫工況整機溫度分布

高溫工況下各主要功率元器件的溫度如表3所示。

通過表3 分析可知，采用鎂鋁合金材料的電源控制器結構熱設計合理，在設定的邊界條件下各元器件均工作在正常溫度范圍內(nèi)，溫度指標滿足降額設計要求。

5 環(huán)境試驗

結合仿真分析的結果，對本項目電源控制器依照總體提供的試驗大綱進行驗收級力、熱環(huán)境試驗驗證，如圖8所示。試驗過程中電性能穩(wěn)定正常，結構完整性良好，溫度在要求范圍內(nèi)，均滿足設計要求，證明采用鎂鋁合金材料的電源控制器結構設計滿足工程應用要求。

圖8：環(huán)境試驗

6 結論

采用鎂鋁合金作為主體材料的電源控制器結構，通過結構優(yōu)化設計結構重量相較鋁合金主體材料減重1kg，在整機功率不變的情況下，比功率提高約40W/kg，且通過仿真分析及環(huán)境試驗驗證，合理可行，可以直接面向商業(yè)航天空間工程進行應用。