一种小型舰载相控阵天线热设计

孟庆鹏，陆 敏

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京 210003;2.海军指挥学院浦口分院，南京 211800)

0 引言

某小型舰载相控阵天线属于露天设备，主要由天线罩、上行组件、下行组件、子阵接收机、气液热交换器等组成，形成一个封闭系统，其结构示意图见图1。天线开机状态下，上行组件、下行组件、子阵接收机和太阳辐射等产生许多热量，使内部温度升高，影响天线工作。因此，需要对系统进行合理的热设计，选择合适的冷却方式进行冷却。

根据热量产生形式、热流密度和安装位置不同，选择液冷和风冷相结合的方式散热。子阵接收机、上行组件等发热量大，采取液冷方式散热，太阳辐射和下行组件发热通过系统内置气液热交换器提供的循环冷风带走，最终实现对整个天线的温度控制。液冷部分主要从冷却液选择、冷却液流量和系统压损计算等进行设计，并根据结果设计冷却机柜，本文不作详述。本文主要对天线内部需要通过风冷带走的热量进行计算、仿真和验证。

图1 天线结构示意图

1 热计算

天线内部需通过风冷带走的热量主要由太阳辐射和下行组件发热产生。根据电讯设计要求，整个天线要求提供进风温度不高于25℃、回风温度不高于35℃的循环冷风。

1.1 天线内外热量传递原理

天线工作时，外界环境的热量分3个过程传入天线内部，即外壁外界空气与天线罩外壁的自然对流换热、天线罩内外壁之间导热和内部空气与天线罩内壁的强迫对流换热，热量传递示意图见图2。根据热阻理论，3个过程热阻分别为R1、R2和R3，其中

图2 天线内外热量传递示意图

1.1.1 外界空气与天线罩外壁自然对流热阻计算

(1）外界环境综合温度计算

由于天线罩表面同时受到太阳辐射和外界环境温度的热作用，外表面得到的热量为

其中，hc1为外界环境与天线罩外壁的对流换热系数(W/m2·℃），t0为外界环境温度(℃），tw为天线罩外壁温度(℃），tz为外界环境综合温度(℃）。

考虑长波辐射后，外界环境综合温度为

(2）外界空气与天线罩外壁对流换热热阻计算外界空气与天线罩外壁对流换热系数按照图3 流程进行计算。

图3 对流换热系数计算流程图

计算中，当tz和tz1温度下空气导热系数λ 几乎一致时，即认为此时计算达到收敛，此时的温度tz为外界环境综合温度，根据hc1=(tz－t0+M）ξI 得出外界空气与天线罩外壁对流换热系数，最终计算出外界空气与天线罩外壁对流换热热阻R1。

1.1.2 天线罩内外壁之间导热热阻计算

天线罩自身导热热阻由天线罩材料和物理性能决定，与外界环境没有关系。天线罩结构采用蜂窝状、空气夹层结构，其有效实体传热面积η=0.4，导热系数0.314 W/(m2·℃），壁厚0.01 m，带入热阻计算公式计算出天线罩内外壁之间导热热阻R2。

1.1.3 内部空气与天线罩内壁强迫对流热阻计算

式中，Nu为努塞尔数，λ为定性温度下冷却流体的导热系数，D为特征尺寸。当Re＜105时，流体作层流流动，Nu=0.66Re0.5;当Re≥105时，流体作紊流流动，Nu=0.032Re0.8，其中，雷诺数:式中，v为冷却流体的流速，υ为定性温度下冷却流体的运动粘度。

1.2 外界环境传入天线内热量计算

当大气环境温度T0=65℃时，假设天线罩外壁空气与天线罩之间为自然对流，天线罩内壁空气与天线罩之间为强迫对流。在气液热交换器工作下天线罩内空气平均温度Ta=30℃，此时在不考虑外部热交换条件下，天线罩达热平衡状态。

根据1.1.1 计算方法得到天线罩外部空气的综合温度:

外界环境与天线罩外壁强迫对流换热热阻为

天线罩内外壁之间热传导热阻为

根据强迫对流热阻公式，内部空气与天线罩内壁强迫对流换热热阻为

由天线罩的综合导热系数公式:

得到天线罩的综合换热系数为K=7.455 W/(m2·℃）。

根据公式Q1=KA(tz－ta），A为天线罩散热面积，计算得到通过天线罩传入的热量为Q1=1315 W。

1.3 下行组件发热计算

单个下行组件工作时发热量3 W，总热量为Q2=64×5.5.=352 W。

1.4 气液热交换器风量计算

计算后得到天线罩内需要通过强迫空气对流带走的热量为Q=Q1+Q2=1667 W，因此选择气液热交换器制冷量需大于1667 W，经过论证选择制冷量为2000 W 气液换热器。气液热交换器需提供冷却空气流量为

式中，Q为气液热交换器制冷量，Q=2000 W;C为30℃时空气比热，查表为C=1005 J/ (kg·℃ ）;ρ为30℃时空气密度，查表为ρ=1.165 kg/m3;Qv为冷却空气流量;△t为冷却空气进、出口温差，根据经验取10℃。则气液热交换器需提供冷却空气流量:

2 热仿真和验证

根据计算结果，对天线创建模型，划分网格，运用工程热分析软件ESC 进行仿真，天线内部温度30℃，一个标准大气压，热源为64个下行组件，单个组件产生热量为5.5 W。天线内部通过气液热交换器提供风量673.2 m3/h 冷却循环冷风，送风风向见图1，气液热交换器两侧回风。仿真得到天线内部流场和组件温度场分布分别见图4和图5。结果显示，天线内部最大风速为7.5 m/s，最高温度为48.9℃，满足天线正常工作要求。

图4 天线内部流场分布

图5 组件温度分布

运用此方案进行样机研制，通过试验测试下行组件表面温度最高为45.2℃，位置与仿真结果一致。

3 结束语

本文对某小型舰载相控阵天线进行了热设计。选择气液混合冷却方式散热，运用空气综合温度理论进行了热量计算，利用工程软件ESC 进行了仿真，并采用该冷却方式进行了样机研制，通过试验验证各项指标均满足要求。

［1］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

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