惯性平台系统热设计方法综述

崔建鑫 杨孟兴 杨朋军

摘 要：惯性平台系统作为惯性坐标基准和测量装置，广泛应用于导弹、火箭等飞行器中，其精度直接影响飞行器的工作效率。惯性平台系统在工作过程中由于热问题造成较大精度损失，陀螺仪和加速度表在工作过程中会为系统带来一定的热问题，有必要就其温度场进行研究并进行相关热设计，以提高工作精度。目前国内外主要依靠经典传热理论，利用有限元方法对温度场进行分析；主要从温控、热平衡、热稳定等方面进行热设计，相关热设计方法有添加加热片、隔热片、设计风扇、改善材料等。文章较为完整地整合惯性平台温度场研究状况和热设计方法，为今后同类工作提供依据。

关键词：惯性平台；温控；热分析；热设计

惯性平台系统是广泛应用于航天、航空、航海、武器等领域的惯性测量设备，它为相关產品的工作提供惯性基准及导航服务，是三航及相关军事领域不可或缺的部件单元。惯性平台系统在结构上包括惯性器件、台体、内外框架、支架基座、减震器等，陀螺和加速度表安装在台体上面。当平台系统工作时，陀螺仪和加速度表会产生一定热量，因此，平台系统温度场会发生变化，液浮陀螺对温度十分敏感，进而会使得陀螺随机漂移增大，影响工作精度，因此，需要对惯性器件进行温度控制。另一方面，平台内部温度场分布及平台外温度对其工作精度影响也非常大，需要对此进行一定温控工作[1]。

对于温度场研究来说，主要以经典传热学理论为基础，辅助以相关的分析工具及方法进行分析。我们现在常用的是基于有限元方法的分析，相关工具有ANSYS和UG，通过对相关结构设备进行边界界定，可以从一定程度上分析出它们的温度场信息，为后续热设计提供基础。国内外已有利用此技术对诸如机床之类的设备进行完善热分析研究的实例，目前在惯性平台系统方面有所欠缺[2]。

就具体措施而言，国内外有添加热均衡罩、加热片、设计风道、改善材料等。相对来说惯性平台结构本身不好做大的改动，而使用加热罩、加热片等措施只能做宏观的调控，照顾不到较为细致的热问题，通过设计风道来调节可以起到很好的效果，但是其原理复杂，难以操作；改善材料以减少温度带来的影响在效果上较为显著，但是相关材料如铍等十分昂贵，无法普及，因此，在惯性平台热设计方面仍有很大发展空间，需要有更好的方法来调整热问题[3]。

1 惯性平台温度场进行研究

对于惯性平台温度场的研究，主要使用的方法是有限元软件分析，有限元分析法现在已经广泛使用在相关结构的力学分析、热学分析、电磁分析等方面，成为工程常用的工具之一[5]。ANSYS有两种施加载荷的方式，即在有限元模型和实体模型上施加载荷，有限元模型是指单元和节点，实体模型包括关键点、线段、面和体，在实体模型上施加的载荷可以转变为有限元模型载荷。对于惯性平台热分析而言，其具体步骤主要有以下几点[4]。

首先，应该建立平台结构的三维模型，主要是通过相关软件如UG和PROE等来实现。因为平台结构较为复杂，所以需要进行一定的简化，例如忽略某些小孔，改善某些曲面等，这样是为了在有限元软件如ANSYS中可以更容易地进行分析求解。将模型导入后对其进行网格划分，最后得出固体热节点和热单元的数目。继而应该确定边界条件，确定边界条件一般有3种方法：解析法、实验法、试算法。解析法方便准确，常用于确定运动体的工作状态，如发动机零部件的运动学解析计算；实验法主要是针对于难以解析确定的边界条件，例如，进行试验测出零件表面的温度作为第一类边界条件，它通常比解析法更能反映出零件实际工作状况，但由于试验成本较高，所以使用不是很广泛。有些情况下，边界条件难以解析计算，又不好进行试验检测，可以先假设再通过某一值进行试算，使其与结果标准值吻合，继而确定边界条件[5]。

2 惯性平台系统热设计方法

要进行惯性平台系统热设计，首先需要明确存在的问题以及设计目标。现阶段惯性平台存在的问题是陀螺仪温度过高难以控制，平台台体温度梯度过大。设计目标是使得平台内部温度较为均衡。平台热设计一般包括温控、热平衡和热均匀稳定等。温控设计为热设计提出基本的技术要求，例如我们上面说到的温度场分析边界条件的确定等。温控设计主要是惯性器件的温控和平台系统的温控，前者主要是陀螺的温控，因为液浮陀螺对温度十分敏感，所以需要对其进行一定的研究和热设计。平台系统的温控主要是针对于环境温度，它的温控精度要求是使得惯性器件周围的温度受外界温度的影响减少，同时使得平台内部温度场分布更均匀。具体热设计是针对于惯性器件和平台热设计，一般包括以下几个方面：控制发热源、在结构上做改进、采取隔热、改善材料等，示意图如图1所示。下面较为完整地介绍常见的热设计方法[6]。

图1 热设计方法示意

2.1 添加热均衡罩，加热片，采取隔热等

直接添加热均衡罩、加热片、隔热片等部件是常见的热设计方法，由于这些方法简单易操作，且成本较低，因此广受欢迎。但是相对来说其效果不够突出，而且有可能影响到平台本身的结构。

中国航天九院第16研究所曾做过加装加热片的热设计，为了降低陀螺附近的温度值，提高最低温度处的温度值，在台体陀螺一侧的肋板上加装加热片，通过热分析，发现添加加热片有以下功用：首先提高了台体的温度值，减少了台体与器件的温度梯度；加热片改善了台体上的温度分布，在减少陀螺温度梯度的同时，也引起了各陀螺的温度差。在经过优化后，台体上的温度分布变得更加均匀，虽然温度稍微提高，但热位移和热应力并没有增加多少，因此，该方法是可行的[7]。

美国无人驾驶飞机“321”的平台台体外面包了一个导热良好、热容量大的紫铜均热罩，它可以被视为台体的等温体，可以改善器件周围温度场的分布，同时又可以避免风扇气流等对器件的热扰动。LTN-51平台上，上下陀螺装在台体两端，上面分别用铸铝均热罩罩上，也可以起到一定的效果。采取均热罩措施，既能保证惯性器件的工作温度，使其较小受对流、辐射等因素的影响，又可以对温度场分布有一定改善作用[8]。

通过一定的材料进行隔热也是常用的热设计方法，通常会在结构壁上涂抹隔热材料来实现。热填充材料应当具有较低的导热系数，目前，使用最多的是空心玻璃或陶瓷微珠。热控涂层方法通常应用于卫星等航天器上，最初目的是平衡或隔离由于太阳光或飞行器摩擦引起的热问题。有单位将其应用至惯性平台系统中来调控热问题，也取得了一定效果[9]。

2.2 设计风道及散热片

根据台体的发热功率以及环境温度的要求，设计风道或加装散热片来调整温度也是常用的方法，需要确定风道的风量、风速、压力损失以及风机的工作点以确定对流换热系数。对风道的特性分析主要是要分析计算风道的阻力损失。它包括沿程阻力损失和局部阻力损失两部分，前者是气流与管道的摩擦所致，后者是气流遇到弯道时产生的损失，在计算阻力时首先需要确定风速，风速可用风量比横截面得到，风机可根据风量与全压进行选择。

中船重工707所曾做过相关设计，首先对风量进行估算，根据风道形状确定局部阻力系数，计算出内外出风口阻力损失，主要有沿程阻力损失和局部阻力损失。沿程阻力损失用下式计算：

Δ （1）

其中：λ为沿程阻力系数，l为风道长度，γ为空气重度。局部阻力损失用下式计算：

Δ （2）

然后将计算值与风压对比，用逐次逼近的方法计算直到风机风压满足风道阻力损失的要求为止，从而确定风量。706所的具体方法是采用两组流风机串联的方式增大风压。通过计算陀螺仪与台体、台体与台体罩、台体罩与空气之间的换热，最后经过温度实验得出结论。实验表明，该风道对温控系统起到了很好的指导作用。为了提高50 ℃以下的适应性，可以加大冷风风机的风压，以克服外风道较大的风阻，同时应该适当加大搅拌风机的风压风量[10]。

天津航海仪器研究所也曾就风道进行过相关设计。在平台工作过程中发现内外风道的风机都不能达到良好的工作状态，其原因是由于局部压力损失和沿程压力损失过大，针对这种情况他们对风道进行了改进：合理设计风道，以避免局部换热；风道横截面面积增大，以增加换热面积；同时截面突变尽量小，对于散热翅片也进行了一定的改进。一般情况下管壁上的翅片不仅可以增加对流换热有效面积，减少传热热阻，而且可以改变流体的流动形式和阻力分布。翅片可以间接降低热阻从而使得换热系数增大，美国斯坦福大学对横向粗糙肋的圆管做了空气流动实验，实验表明，最佳的节距翅高比为7左右。

2.3 改善材料

对于惯性平台系统来说，其结构材料常用的是铝合金，相对来说，它性能较好而且价格便宜，但是其热性能在精度要求很高的惯性平台系统中仍然不能满足要求，主要体现在比热、导热系数、热稳定性等上面。陀螺仪和加速度表在工作时，产生的热量使得相关材料变形，从而影响整体系统的工作精度，对此有部分情况下采用了铍材料，例如60年代研制的ST-124型稳定平台结构部件采用了铍材，它不仅可以减轻重量，改善导热性和结构稳定性，而且可以使平台内部框架固有频率高于结构共振点，因此，可以考虑去掉减震器，从而还可以缩小体积。但是铍材价格昂贵，很难普及使用。

北京自动化控制设备研究所曾研究过金属基复合材料（MMCS）在惯性仪表中的应用，主要是考察到其力学性能、热学性能、质量要求等。许多时候相关铝基材料可以作为铍材的替代材料，这极大地减少了成本，MMCS具有很高的比强度、比模量，耐高温且热膨胀系数小，而且從工艺上来说较为容易制备，因此，很适合用于惯性平台系统中，该单位曾做过相关研究，研究结果表明，MMCS可以很好地提高温度控制精度[11]。

3 结语

本文对惯性平台系统的温度场分析及热设计做了较为全面的介绍，主要涉及常用热分析的方法流程，重点介绍了国内外出现的一些热设计方法。热问题对于惯性平台系统来说非常重要，直接影响到其工作精度，因此需要加以重视。目前惯用的方法还比较传统，主要是从温控和隔热等结构改进来改善热问题。在结构上，通过改善材料来减轻热问题影响具有较好前景，但是相对来说材料研究较为缓慢而且难度较大。但是有研究单位使用热涂层技术来进行热控制，也具有一定的效果，未来应该有一定前景。而增加加热片、风道等温控措施将会越来越规范化，配合其他方式来共同提高惯性平台的热稳定性。另外，多场耦合的问题也需要引起关注，有必要在热分析时保证力、磁等性能满足要求。预计未来的惯性平台热分析及热设计将会借助计算机和相关软件实现多场耦合直接分析和设计，例如基于参数化优化设计的实现等，届时平台系统的热稳定性将会有质的提高。

[参考文献]

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[11]杨盛林，刘昱，刘玉峰.惯性平台热场分析及热设计的改进[J].中国惯性技术学报，2005（1）：5-9.