某星载电子设备结构总体设计

程国辉

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，　浙江 嘉兴 314033)

引　言

在现代战争中，随着网络化技术的发展，侦察和干扰敌方通信设备的电子战日益重要，电子战卫星是掌握、夺取和控制空间电磁权的重要手段，其作用是其他侦查手段无法替代的，可实现对境外特定区域长期、连续的监视，为战略决策提供依据。

星载电子设备便是为实现各种既定战术目标而安装在卫星平台上的电子设备，其结构总体设计必须要对卫星平台和空间环境具有清晰的概念，充分了解其特殊性，并在系统结构总体设计过程中有针对性的开展相关设计工作。

与一般电子设备的结构设计不同，星载平台的特殊性直接影响着星载电子设备的结构总体设计，并在设计方法和设计内容上体现出不同。

本文结合某型号星载电子设备的结构总体设计，介绍了结构总体布局设计、电子设备结构构型设计、材料选用及环境适应性等方面内容，对类似项目具有参考价值。

1　平台及环境特点

1.1　真空环境

卫星在轨运行时，处于真空环境，除载人航天器外，一般卫星均为非气密结构。由于卫星内部的载荷舱为真空环境，所以在地面经常利用空气对流散热的各种措施不适用，即使在有空气的密封环境中，由于微重力的影响，空气的自然对流散热也已不存在，在地面上散热效果很差的辐射传热成为重要的散热方式[1]。

1.2　热环境

安装于卫星舱内的设备，由于受到星体的遮挡，不直接面对轨道热源和冷空间，其温度范围主要由卫星载荷舱热控确定，本系统舱内电子设备工作温度范围为-10 ℃～+55 ℃。

安装于舱外的设备，由于直接面对轨道热源和冷空间，其工作温度范围和轨道、热容量、表面热控涂层密切相关。本系统舱外电子设备工作温度范围为-70 ℃～+70 ℃。

1.3　空间辐射环境

近地空间的带电粒子辐射是对星载电子系统具有严重威胁的环境因素，主要包括地球辐射带、太阳宇宙线、银河宇宙线、等离子体等，并且与太阳活动密切相关。空间带电粒子与星载电子系统的电子元器件及材料发生相互作用，产生各种辐射效应，从而产生不良影响。就目前的认识而言，对星载电子设备影响较大的空间辐射效应主要为总剂量效应和单粒子效应。

1.4　卫星平台特性

卫星平台不同于飞机、舰船、车辆等平台，具有其特殊性：在卫星发射阶段的冲击、振动条件恶劣；对有效载荷的尺寸、功耗及重量要求非常严格；对设备的可靠性和安全性要求非常高，对维修性要求相对不高[2]。

2　结构设计

2.1　结构总体布局

该型号星载电子设备由接收处理机和天线阵组成。接收处理机安装于卫星载荷舱底板，天线阵安装与星体对地面，如图1所示。

图1　设备安装示意图

2.2　结构构型设计

接收处理机由多个模块直接拼接组成，模块之间设计嵌装导电橡胶衬垫，用来提高电磁屏蔽性能及结构可靠性[3]。设备固定支脚设计在模块底部，模块之间通过长螺杆组合，模块之间的电气连接通过安装于模块侧面的母板实现，如图2所示。

图2　接收处理机示意图

这种模块拼装结构取消了常规的机箱框架，重量较轻，而且模块可采用异型结构，减少了尺寸和重量的浪费。同时，模块直接与安装面接触，具有最短的散热路径。这些特性非常适应对重量、尺寸要求非常严格的星载设备，在很多航天项目上得到了应用。

2.3　结构接口设计

设备外形设计应适应卫星空间布局要求，接收处理机高度为220 mm(一般航天产品建造者规范要求不大于260 mm)，对外电连接器插头(座)应布局于设备顶部(平行于设备安装面)。

设备采用安装凸耳的形式进行安装，并且直接安装于卫星结构上，凸耳必须根据卫星的相关规定进行设计。连接点数应根据设备的质量和热控要求，以有利于设备的热环境及力学环境为目标。

2.4　表面处理

设备应根据所使用的材料、所处的空间环境条件进行表面处理，可选择本色、光亮或黑色阳极氧化、涂覆热控漆等。如无热控需要，不锈钢、铍合金、玻璃纤维不需要进行表面处理；除有特殊(如隔热)要求外，星载电子设备的接触面应做导电处理。

本系统中，安装于载荷舱接收处理机表面进行黑色阳极氧化处理；安装于星体外的天线，涂覆白色热控漆。

2.5　材料选用

星载电子设备必须谨慎选用材料，尽量选用目录内或经过飞行验证的材料，避免选用禁(限)用材料。若选用目录外或未经飞行验证的材料，应经过相关试验验证，并报卫星总体批准。

本系统的结构材料选用5A05铝合金，紧固件选用航天等级的不锈钢紧固件；导热填料优选T-flex系列导热衬垫及D-3导热脂等。

3　环境适应性设计

星载电子设备环境适应性包括热设计、抗力学环境设计、三防等多方面内容，本文主要从具有星载特点的几个方面进行论述。

3.1　热设计

卫星热控保障载荷安装板处于工作温度范围，数字接收处理机的热设计就是通过热传导和辐射将设备内部元器件的热量传输到安装板，保证元器件工作温度保持在安全的范围内，并满足元器件一级降额要求[4]。

设备热设计时，采用以下措施：

1)尽量选用导热系数较高的材料；

2)优化结构，尽可能减少传导热阻和接触热阻；

3)元器件热耗较大或热流密度较高时，选择导热性能较好的金属基底或陶瓷基底印制板；

4)优化印制板上元器件的布局，避免局部热耗集中；

5)热耗大的元器件安装于金属结构上或提供额外的传导路径；

6)合理使用导热填充材料，降低接触热阻；

7)提高设备安装面的平面度、粗糙度要求，保证与热控安装板的可靠接触；

8)依据热控要求，选择合适的表面处理。

处理模块中的大功率FPGA芯片是数字接收处理机性能的基础，一旦该芯片散热不畅，性能就会骤降。为提高芯片散热能力，在芯片顶部安装导热衬垫，让一部分热量通过芯片顶部传至腔体结构[5]。

为确定数字接收处理机内部元器件能否在工作温度下满足一级降额要求，采用Flotherm软件进行了热仿真计算，热分析模型见图3。热边界温度设定为55 ℃，数字接收处理机热耗较大的处理模块、射频模块温度云图见图4～图5所示。仿真结果显示FPGA芯片最高壳温77.7 ℃，所有元器件均满足结温一级降额要求。

图3　热仿真模型

图4　处理模块温度云图

图5　射频模块温度云图

天线为无源设备，其热设计主要考虑选用满足温度要求的材料，如选用耐低温的电缆、焊锡等。

3.2　抗力学环境设计

星载电子设备通过凸耳与星体直接刚性安装，必须经受运载火箭的剧烈冲击和振动考验，通常要求其基频高于100 Hz。

结构设计时主要考虑以下内容：

1)选择力学性能较好的结构构型；

2)优化布局，尽量降低重心高度；

3)尽可能采用结构加强筋的方式提高自身刚度；

4)设计合理的固定间距以保证印制板的刚度；在电性能允许的情况下，可采用D04硅胶进行整体或局部灌封；

5)元器件、紧固件等采取可靠的加固及防松措施；

6)电缆应采用线夹或点胶方式可靠固定；

7)印制板相邻两个固定点的距离一般不超过75 mm。

在设计过程中，需要进行强度方面的仿真计算以验证设计能否满足要求。我们用Ansys进行了接收处理机的随机振动仿真，其最恶劣方向的应力分析结果见图6、图7。

图6　整机振动应力图

图7　印制板振动应力图

根据仿真结果，整机一阶固有频率为240 Hz，满足基频高于100 Hz的要求，且数字接收处理机的结构件和印制板的强度满足设计要求。

3.3　抗空间辐射设计

由于空间辐射环境的特殊性，因此设备在结构设计时，必须考虑抗辐射加固设计，并遵循平衡加固的原则。结构设计上，主要针对总剂量辐射效应进行加固设计。依据总体提供的辐射剂量-屏蔽厚度对照表，结构设计时优先考虑合理布局、构件的屏蔽等措施，必要时增加抗辐射屏蔽罩，以满足元器件抗辐射要求[6]。

数字接收处理机的FPGA芯片为工业级，不满足系统抗辐射指标要求，需要进行抗辐射加固设计，具体加固方式如图8所示。

图8　抗辐射加固示意图

通过布局、屏蔽等加固等设计后，本系统元器件均满足辐射设计余量RDM不小于2.5的要求。

3.4　电磁兼容的结构设计

卫星平台集成了大量设备和电缆，要能够互不干扰的正常工作，必须对整个系统进行合理有效的电磁兼容管理和设计[7]。

结构设计时主要考虑以下内容：

1)总体布局考虑产品的电磁兼容性因素；

2)进行严格的屏蔽设计，保证设备壳体的导电连续性；

3)做好电缆的电磁兼容管理，穿舱电缆处理好接地和缝隙封堵；

4)做好设备与卫星之间的良好接地和搭接，设备一般通过底板或接地桩实现与卫星安装平台的接地，搭接电阻要求小于10 mΩ。

4　结束语

本文基于星载电子设备结构设计的特殊性，充分考虑了结构设计的“卫星化”工作，研究并应用了适应卫星平台的结构构型、大功率芯片散热、抗空间辐射加固等技术，很好地解决了设备体积、重量，散热及空间辐射等主要矛盾。

在结构设计过程中，应用Flotherm、Ansys等仿真软件，通过仿真计算和优化，确保了设计的有效性、合理性。产品满足了系统的指标要求，顺利通过了各种环境试验考验。

参考文献

[1]田文华, 过九镕. 卫星热控制技术[M]. 北京: 宇航出版社, 1991.

[2]曾斌. 航天电子设备的结构设计[J]. 电子机械工程, 2008, 24(5): 5-7, 10.

[3]邱成锑, 赵惇殳, 蒋全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京: 东南大学出版社, 2005.

[4]丁连芬, 译. 电子设备可靠性热设计手册[M]. 北京: 电子工业出版社, 1989.

[5]朱金飚. 一种星载电子设备散热结构的设计与优化[J]. 电子机械工程, 2008, 24(4): 11-13.

[6]程国辉. 星载通信电子侦查设备总剂量辐射效应及结构加固技术[J]. 通信对抗, 2004(4): 48-50.

[7]王志成. 星载电子设备试验的电磁干扰三要素分析[J]. 无线电工程, 2009, 39(6): 49-51.