气动加热对空空导弹内部电路的温度影响分析

杨科��

摘要： 空空导弹弹体尾部组件所处位置特殊， 工作环境严酷， 本文基于FloTHERM建立该组件的热仿真模型并进行计算分析， 以明确气动加热对弹体内部电路的温度影响程度， 为保证元器件留有足够的温升余量提供数据支撑。 结果表明， 受试产品内部电路的温升相对滞后， 而壳体温度峰值时间为内部电路温升迅速变化的分界点， 且随自主飞时间的延长温升越为显著。

关键词： 热设计； 热仿真； 气动加热

中图分类号： TN784文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2017）01-0074-05[SQ0]

0引言

电子设备工作时， 设备和元器件的输出功率往往只占输入功率的一部分， 其功率损失一般都以热能形式散发出去， 因而元器件和设备会发热。 随着电子元器件及电子设备功率密度的不断增加， 温度已成为影响其可靠性的主要因素之一[1-2] 。

随着温度的升高， 电子元器件及电子设备的失效率呈指数增长趋势[2] ， 一般地， 环境温度每升

高10 ℃， 失效率增大1倍以上， 因此称为10 ℃法则[2-3]。 据统计， 超过55%的电子设备的失效是由温度过高引起的[3-7]， 即电子设备的主要失效形式是热失效。

在空空导弹使用过程中， 自主飞阶段的气动加热给弹体内部电路的正常工作带来恶劣影响， 这对气动加热的电路热设计提出更高要求。 因此实际工作中， 有效利用热分析软件进行热分析， 为复杂环境下产品的热设计提供手段支持， 可提高产品一次成功率， 缩短研制周期， 降低成本[2]。

针对空空导弹某组件进行热仿真分析， 明确气动加热对组件内部电路的温度影响程度， 以便进行内部电路热设计时保证足够的温升余量， 使元器件最高温度控制在允许的温度范围内， 从而达到设计要求。

1基本理论

热传递包括热传导、 对流换热、 辐射换热三种形式， 传热过程遵循能量守恒定律。 热传导基本定律是Fourier定律： 在纯导热中， 单位时间内通过给定面积的热流量， 正比于该地垂直于导热方向的截面面积及其温度变化率， 其计算公式如下：

杨科： 气动加热对空空导弹内部电路的温度影响分析

由于连续方程、 能量方程、 动量方程是相互耦合的， 以及热控制方程的非线性及复杂性， 在定解条件下很难求出其解析解， 数值计算便成为解决这一问题的有力工具。 利用数值计算方法对上述非线性方程进行离散化， 得到一组代数方程组。 微分方程的区域离散方法很多， 其中以控制容积法最为常用。 电子设备热仿真软件FloTHERM基于计算流体动力学（CFD）理论， 采用蒙特卡罗法， 可以解决三维流场及基于面积细分高精度的辐射计算问题[9-13]。

本文基于FloTHERM对某型空空导弹的某组件进行建模和仿真分析。

2分析对象及建模

对于正常布局的空空导弹而言， 弹体尾部的组件大都套装在发动机尾喷管之外。 如此可见， 此类组件通常会受到空中气动加热、 高温尾焰以及发动机尾喷管三个部位的温度影响， 因此对内部电路的热设计提出很高要求。 某型空空导弹弹体尾部组件的结构组成如图1所示， 其中将内部执行机构进行简化。

结合受试产品的CAD模型， 并根据热分析信息要求， 将受试产品CAD模型转化为CFD模型。

模型中默认结构材料为铝合金2A12； 其中电路板材料为FR4， 覆铜率按10%处理； 关键元器件按照SOIC封装设定； 尾喷管按照15-5PH设定； 前壳体为钛合金； 由于需要重点考虑气动加热对内部电路的影响， 必须设定各类材料的表面发射率， 详细的材料属性见表1。

3热仿真分析

3.1边界设定

本文主要分析空空导弹自主飞阶段气动加热

（1） 40 s末， 气动加热对内部电路影响很小， 壳体温升120 ℃， PCB板和自检模块分别仅有3.8 ℃和1.8 ℃温升， 可见温升相对滞后；

（2） 60 s末， 壳体内壁温升151 ℃， PCB板和自檢模块分别有11.3 ℃和6.3 ℃左右的温升。 当内壁温升提高至251 ℃， PCB板和自检模块温升分别再有4 ℃和2.3 ℃的提高。 根据热辐射理论可知， 物体的辐射力随温度的升高呈现非线性增长， 即60 s末内壁温升提高至351 ℃， PCB板和自检模块的温升至少达到19.3 ℃和10.9 ℃；

（3） 90 s末， PCB板和器件温升比较明显， 尤其峰值温度提高后， PCB板和器件分别会有20～30 ℃温升。

由此可见， 随着空空导弹自主飞行时间的增长， 气动加热对内部电路的温度影响程度更为显著， 而壳体温度的峰值时间为温升迅速增大的分界点。 为了保证内部电路关键元器件的温升余量， 提出如下建议：

（1） 在考虑壳体内外隔热的同时， 需要根据气动加热仿真得到温升结果， 对内部电路的热设计进行优化改进；

（2） 改进空空导弹动力系统， 可采用双脉冲发动机， 飞行速度达到最高马赫数后用小推力巡航， 从而减小壳体气动加热效应。

4结论

本文基于FloTHERM模拟某组件气动加热条件， 分析内部电路的温度场分布特性。 通过仿真计算， 受试产品内部电路的温升相对滞后， 40 s前气动加热对内部电路影响很小； 而壳体温度峰值时间为内部电路温升迅速变化的分界点， 即60 s末壳体内壁温升151 ℃， PCB板和自检模块分别有11.3 ℃和6.3 ℃左右的温升， 且随自主飞时间的延长温升越为显著。

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