高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 爽,梁 芳

(中國電子科技集團(tuán)有限公司第十八研究所，天津 300384)

隨著空間資源開發(fā)的不斷深入，航天器的種類也越來越豐富多樣，電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式也越來越多樣化，其發(fā)展趨勢是通過模塊化設(shè)計來提高裝配效率，并使整機(jī)以系列化的設(shè)計形式實(shí)現(xiàn)可根據(jù)負(fù)載要求進(jìn)行擴(kuò)展的新模式，從而滿足多種衛(wèi)星平臺需求。受限于航天器的體積大小以及電子單機(jī)所處的艙內(nèi)位置等因素的限制，其結(jié)構(gòu)有時無法設(shè)計成模塊化形式，但為實(shí)現(xiàn)其功能又需要設(shè)置諸多需安裝在結(jié)構(gòu)上的體積較大的電子元器件(如繼電器、霍爾傳感器、變壓器、DC 等)，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式無法滿足布局要求[1]。本文結(jié)合新型航天電子設(shè)備的研制，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計攻關(guān)，在滿足產(chǎn)品功能、性能和工作可靠性要求的前提下，采用底部和側(cè)壁開窗的一種全新結(jié)構(gòu)形式，在緊湊的空間內(nèi)布置了大量器件，空間得到了有效利用，不僅大質(zhì)量器件得到了有效固定，提高了抗震動和抗沖擊性能，而且發(fā)熱量高的器件得到了有效散熱；電路板與元器件通過板間插件互聯(lián)，沒有通過導(dǎo)線直接連接，易于插拔和檢修。

1 傳統(tǒng)航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

目前航天電子設(shè)備廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式一般有箱體內(nèi)插板式、水平方向模塊化組合式、垂直方向模塊化組合式、支架式、盒體式以及支架式與盒體式的結(jié)合式，如圖1 所示。

上述結(jié)構(gòu)形式有以下特點(diǎn)：

(1) 插板式結(jié)構(gòu)的主要組成單元為單個功能印制板，各個功能印制板通過箱體上的軌道插入電子設(shè)備箱體從而實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的組裝。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上能用于安裝體積較大電子元器件的空間小、結(jié)構(gòu)抗力學(xué)性能差、散熱性能不佳。

(2) 模塊式結(jié)構(gòu)的主要組成單元為單個功能模塊，各功能模塊通過互聯(lián)耳片或穿桿串聯(lián)在一起從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的組裝。優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展能力強(qiáng)，抗力學(xué)性能好；缺點(diǎn)是空間利用率低。

(3)支架式結(jié)構(gòu)是以安裝底板為基礎(chǔ)，將質(zhì)量較大以及需要較好散熱環(huán)境的器件固定在底板上，然后將印制板通過支架固定，最后再安裝側(cè)壁結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的組裝。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高；缺點(diǎn)是剛度差，拆機(jī)維修繁瑣。

(4)盒體式結(jié)構(gòu)是直接在結(jié)構(gòu)凹腔內(nèi)固定安裝元器件、印制板、電連接器等，然后安裝蓋板從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的組裝。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高；缺點(diǎn)是拆機(jī)維修繁瑣，無擴(kuò)展能力。

(5)支架式與盒體式組合型結(jié)構(gòu)是直接在結(jié)構(gòu)框上固定安裝元器件、印制板、電連接器等，然后安裝側(cè)蓋板及頂蓋板從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的組裝。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，抗力學(xué)性能好；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上可安裝體積較大電子元器件的空間小，拆機(jī)維修繁瑣，無擴(kuò)展能力。

2 高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

高密布局開窗式新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)有顯著的區(qū)別，新型結(jié)構(gòu)包括底部框架、中部框架、左插件側(cè)板、右插件側(cè)板和蓋板，見圖2 所示。底部框架固定有部分元器件，可以翻開；中部框架為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，框架上固定有部分元器件以及印制板；中部框架的側(cè)壁開窗，左、右插件側(cè)板固定電連接器后安裝在側(cè)窗上，插件側(cè)板可以翻開；頂面由蓋板進(jìn)行封蓋。整機(jī)通過安裝耳片與外部連接。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

底部框架固定發(fā)熱量較大的元器件，根據(jù)空間大小盡可能多布置一些質(zhì)量較大的元器件，以提高機(jī)殼抗震性能，底部框架獨(dú)立，可以打開，便于維修更換底部器件，如圖3 所示。中部框架的底板固定繼電器等大質(zhì)量器件，中部框架側(cè)壁可繼續(xù)安裝繼電器和二次電源等發(fā)熱量大的大質(zhì)量器件，以提高單機(jī)抗震性能和滿足散熱要求，如圖4 所示。中部框架的側(cè)壁開窗，左、右插件側(cè)板固定外部接插件，固定插件的側(cè)板可以翻開，便于插件更換和焊點(diǎn)維護(hù)以及為內(nèi)部層疊的電路板插拔操作提供更多空間，如圖5 所示。內(nèi)部電路板采用疊層式結(jié)構(gòu)，印制板間采用板間插件互聯(lián)；內(nèi)部元器件經(jīng)由導(dǎo)線匯總到最底部的一組板間插件上而后與印制板實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，薄弱部位用板間支撐柱加以支撐，如圖6 所示。頂面由蓋板進(jìn)行封蓋。

圖3 底部框架及相關(guān)元器件

圖4 中部框架及相關(guān)元器件

圖5 插件側(cè)板及電連接器

圖6 印制板的互聯(lián)及板間支撐柱

4 結(jié)構(gòu)抗力學(xué)仿真分析

利用三維建模軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體模型簡化，導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH 軟件進(jìn)行有限元建模分析，并在給定條件下對其進(jìn)行了模態(tài)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析[2]計算，為結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計提供理論依據(jù)。

通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗力學(xué)分析，從模態(tài)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析可以看出：

(1)新型高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的頻率特性滿足總體對星上儀器提出的設(shè)計要求，其基頻大于140 Hz。新型結(jié)構(gòu)的基頻為704.57 Hz，第一階模態(tài)振型如圖7所示。

圖7 新型高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)振型

(2)在動態(tài)載荷方面，由于正弦響應(yīng)計算響應(yīng)增益很小，因此新型高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的正弦載荷不會對其產(chǎn)生破壞，從而影響其正常使用。

(3)從隨機(jī)響應(yīng)分析可以看出，各個關(guān)鍵點(diǎn)的均方根加速度響應(yīng)量級都為新型高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)所能承受，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足衛(wèi)星星上儀器的力學(xué)性能要求，可以在星上安全可靠的使用。

4.1 結(jié)構(gòu)熱分析

利用三維建模軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體模型簡化，導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH 軟件進(jìn)行有限元建模分析，依據(jù)以下條件進(jìn)行熱分析。

(1)邊界條件：為了計算高溫工況下內(nèi)部各個元器件的溫度，將艙板設(shè)為定溫邊界65 ℃。

(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。

在高溫工況下高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)上安裝的主要元器件的溫度分布圖見圖8～11 所示。

圖8 側(cè)板上DCDC 溫度分布

圖9 底板上DCDC溫度分布

圖10 印制板溫度分布

圖11 二極管及其安裝板溫度分布圖

通過分析，新型高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，元器件布局妥當(dāng)，所有元器件在軌運(yùn)行期間溫度指標(biāo)滿足降額設(shè)計要求。

4.2 環(huán)境試驗

在有限元仿真分析的基礎(chǔ)上對高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鑒定級力、熱等環(huán)境試驗驗證，見圖12～圖13 所示。力學(xué)振動試驗包括加速度試驗、正弦試驗、隨機(jī)試驗、沖擊試驗，其他試驗包括熱真空試驗、熱循環(huán)試驗、EMC 試驗等。試驗結(jié)果顯示產(chǎn)品均滿足技術(shù)要求，證明本次采用的高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式滿足工程應(yīng)用要求。

圖12 力學(xué)環(huán)境試驗

圖13 熱環(huán)境試驗

5 結(jié)論

新型高密布局開窗式新型航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)方案合理，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計攻關(guān)，在滿足產(chǎn)品功能、性能和工作可靠性要求的前提下，采用底部和側(cè)壁開窗的一種全新結(jié)構(gòu)形式，在緊湊的空間內(nèi)布置了大量器件，空間得到了有效利用。大質(zhì)量器件得到了有效固定，避免共振損壞元器件；各發(fā)熱量高的器件位置布局合理，得到了有效散熱；電路板與元器件沒有通過導(dǎo)線直接連接，易于插拔檢修。該結(jié)構(gòu)形式歷經(jīng)工程化分析和驗證，可以直接面向空間工程應(yīng)用。