彈載相控陣天線系留液冷散熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

楊科，郭威威

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471099）

精確制導(dǎo)武器已逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的殺手锏。面對(duì)復(fù)雜多樣的目標(biāo)，隱身性、強(qiáng)電磁干擾成為敵方突防的重要技術(shù)手段。相控陣天線能夠顯著地提升導(dǎo)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(shí)現(xiàn)多批次目標(biāo)跟蹤[1]。天線散熱設(shè)計(jì)是雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)天線系統(tǒng)的工作可靠性具有重要意義。此外，陣面散熱設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)方案，且一定程度上決定了產(chǎn)品的任務(wù)成功率[2]。

隨著航空電子設(shè)備的飛速發(fā)展，艙內(nèi)電子產(chǎn)品的體積功率密度越來越大。例如，某些雷達(dá)天線部件中使用的芯片的熱流密度已達(dá)到甚至超過300 W/cm2。美國(guó)GEC研究表明，隨著電子元器件及電子設(shè)備溫度的升高，其失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)。一般來說，環(huán)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(jù)美國(guó)空軍研究統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致電子設(shè)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(shè)備中元器件或組合部件的溫度，早已成為提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[6]。液體冷板作為一種高效成熟的冷卻設(shè)備，在民用和軍用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7]。

對(duì)于傳統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)方法，經(jīng)驗(yàn)性和繼承性的設(shè)計(jì)往往占較大比重。工程師大多通過類比或應(yīng)用簡(jiǎn)單有限的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行粗略的設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，相似型號(hào)提供的有效數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)的總體思路有很大影響。再者就是通過預(yù)留較大的設(shè)計(jì)余量來滿足實(shí)際的熱設(shè)計(jì)要求。由此，雖然在一定程度上滿足了熱設(shè)計(jì)要求，但造成了設(shè)計(jì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。整體來看，產(chǎn)品的功能性和可靠性并沒有達(dá)到最優(yōu)，甚至還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)總體方案的實(shí)施，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)反復(fù)迭代，研制周期過長(zhǎng)。因此，在雷達(dá)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)中，選取高效合理的散熱設(shè)計(jì)手段及方法顯得越來越重要[8]。

目前電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中較為流行的一種設(shè)計(jì)方法是借助CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真軟件，對(duì)總體方案進(jìn)行熱仿真分析，為設(shè)計(jì)者提供直接的設(shè)計(jì)參考。尤其針對(duì)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(dú)計(jì)算求解，也無法單獨(dú)描述流體運(yùn)動(dòng)和固體現(xiàn)象的變化。因此，合理利用CFD仿真分析工具能夠達(dá)到事半功倍的效果。文中針對(duì)某型導(dǎo)彈天線的系留狀態(tài)作為散熱設(shè)計(jì)和仿真分析的對(duì)象，分析確認(rèn)系留液冷方案能否滿足產(chǎn)品的系留測(cè)試要求；保證內(nèi)部發(fā)熱芯片最高溫度控制在允許的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；同時(shí)對(duì)制定的系留測(cè)試液冷方案進(jìn)一步地優(yōu)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(gè)部分組成。其中，TR模塊為主要發(fā)熱源，在末制導(dǎo)段滿載工作時(shí)往往能達(dá)到數(shù)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(huì)使整個(gè)天線的熱設(shè)計(jì)難度大大提高。系留飛行試驗(yàn)主要用于評(píng)估導(dǎo)彈目標(biāo)探測(cè)及跟蹤性能，其費(fèi)用昂貴、試驗(yàn)困難。因此，在單次飛行試驗(yàn)中，盡可能多地進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域并對(duì)目標(biāo)實(shí)施探測(cè)具有重要意義。面對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的性能測(cè)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(fā)生熱失效。

天線總體散熱結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，冷卻液從冷板底部流入，在冷板內(nèi)部完成對(duì)TR模塊的紊流散熱后，經(jīng)冷板底部流出；之后進(jìn)入天線電源內(nèi)部流道進(jìn)行散熱；最后經(jīng)電源側(cè)面出口流出。此散熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確保相控陣天線在40 ℃的環(huán)境條件下，在系留飛行測(cè)試試驗(yàn)中，依次進(jìn)行3個(gè)循環(huán)周期，每個(gè)周期滿功率發(fā)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(jié)構(gòu)布局 Fig.1 Layout of antenna cooling structure

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

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

圖2 發(fā)熱芯片位置 Fig.2 Position of heating chip

相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)試費(fèi)用昂貴、困難多，系留測(cè)試方案若滿足要求，是否存在進(jìn)一步完善的空間[9-10]？

2 液冷散熱設(shè)計(jì)

天線冷板內(nèi)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(shù)h1為[5]：

式中，A為換熱面積（將發(fā)熱面積定義為冷卻區(qū)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限性，無法將發(fā)熱芯片集成到液冷板內(nèi)部，只能通過熱傳導(dǎo)的方式，將模塊內(nèi)部熱量傳導(dǎo)至液冷板，通過對(duì)液冷板散熱來達(dá)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(guān)材料物理特性帶入式（1），經(jīng)過分析確定Q=2700 W，Δt=12 ℃，計(jì)算得到q=3.4 L/min。

根據(jù)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，初步確定A=180 cm2，Tmax≤90 ℃，Tout≤70 ℃，計(jì)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(shù)不低于0.5 W/(cm2?℃)，傳統(tǒng)的液冷散熱器考慮增加順排或叉排散熱柱（當(dāng)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(tài)分析的問題，冷板內(nèi)部有非均勻分布的散熱柱，且結(jié)構(gòu)本身非常復(fù)雜，難以通過 解析法進(jìn)行預(yù)估。因此，通過數(shù)值仿真計(jì)算，可以得到對(duì)冷板內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的變化情況。在數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，需要作如下簡(jiǎn)化和假設(shè)。

1）采用瞬態(tài)計(jì)算模式，認(rèn)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(jì)。

4）外邊界為自然對(duì)流。

基于FloEFD軟件進(jìn)行CFD建模，然后對(duì)相控陣天線進(jìn)行數(shù)值仿真分析。由于天線模型比較復(fù)雜，為了減小數(shù)值仿真的計(jì)算量，提高計(jì)算效率，對(duì)三維模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化：1）刪減或修補(bǔ)安裝螺紋孔和倒角等細(xì)節(jié)部分；2）對(duì)熱分析結(jié)果影響較小或者無影響的部位進(jìn)行修改簡(jiǎn)化。

3.1 基本參數(shù)設(shè)定

仿真計(jì)算前，F(xiàn)loEFD軟件按照如下邊界條件進(jìn)行設(shè)定。

1）輻射。選擇OFF，即忽略輻射。

2）流動(dòng)特性。選擇層流和湍流。

3）瞬態(tài)分析。選擇ON，即進(jìn)行瞬態(tài)分析。時(shí)間設(shè)定為三個(gè)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(rèn)外壁面熱交換系數(shù)為5 W/(m2·℃)。

6）環(huán)境溫度設(shè)置為40 ℃，固體初始溫度設(shè)置為40 ℃。

相控陣天線的主要結(jié)構(gòu)材料為3A21鋁合金。TR模塊發(fā)熱芯片為簡(jiǎn)化模型，其物理參數(shù)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(dǎo)系數(shù)及比熱容。材料的詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料熱物性參數(shù) Tab.2 Thermophsical parameters of structural materials

3.2 運(yùn)行仿真計(jì)算

在芯片部位設(shè)定體積目標(biāo)，以監(jiān)測(cè)芯片的溫度響應(yīng)情況；為了監(jiān)測(cè)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(shè)定表面目標(biāo)，以監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的溫度響應(yīng)情況。

根據(jù)邊界條件的要求，設(shè)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(fā)工作90 s后，斷電冷卻10 min。共進(jìn)行3個(gè)周期的仿真計(jì)算，每個(gè)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(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化如圖3所示。

表3 每個(gè)周期加電90 s末關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，每個(gè)周期加電90 s后，16通道底板（中間）的溫度均低于110 ℃。因此，導(dǎo)引頭的液冷散熱設(shè)計(jì)滿足40%占空比，工作90 s，斷電10 min的邊界條件。經(jīng)過3個(gè)周期的測(cè)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(gè)周期約400 s時(shí)，天線模塊的殼體溫度已經(jīng)降至45 ℃左右的較低水平，在后續(xù)斷電冷卻將近300 s的時(shí)間內(nèi)，溫度無明顯變化。因此，若每個(gè)測(cè)試周期節(jié)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(shí)間內(nèi)，至少完成5個(gè)周期的測(cè)試；可以在成本不變的情況下，顯著提高系留測(cè)試的效率。

采用FloEFD軟件自帶的后處理工具，處理整個(gè)天線系留流體系統(tǒng)的流動(dòng)跡線圖，模擬天線系留過程中流體的運(yùn)行狀態(tài)。液冷板內(nèi)部流體流速分布情況如圖4所示。

由圖4可以看出，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體速度減弱明顯甚至停滯。如線框區(qū)域的液冷板流道內(nèi)存在流體運(yùn)動(dòng)死區(qū)，會(huì)降低液冷散熱效率。因此，需要考慮液冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)論

1）基于有限元數(shù)值仿真計(jì)算，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì) 早期得到產(chǎn)品的內(nèi)部溫度場(chǎng)分布以及關(guān)鍵元器件的溫度，并快速分析出產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)存在的短板，針對(duì)問題及時(shí)予以修改，通過較少的設(shè)計(jì)迭代，滿足產(chǎn)品的技術(shù)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(fā)射、工作90 s、斷電10 min、三個(gè)周期內(nèi)的溫度響應(yīng)情況。仿真結(jié)果表明，流體出口處水溫線性升高，天線模塊殼體在每個(gè)周期內(nèi)的溫度最高點(diǎn)均低于110 ℃的溫度極限，熱設(shè)計(jì)能夠滿足空中系留測(cè)試試驗(yàn)的要求。

3）對(duì)比原測(cè)試方案，在系留總時(shí)間不變的情況下，可將測(cè)試周期提升至5個(gè)。