轻小型、紧凑型机载光电吊舱散热技术

何 宴，郭 宇，曾 珠，刘志辉，付 强

轻小型、紧凑型机载光电吊舱散热技术

何 宴，郭 宇，曾 珠，刘志辉，付 强

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川 绵阳 621000）

为满足机载光电吊舱轻小型、紧凑型要求，解决光电吊舱散热问题，采用了热传导和风机内循环对流结合的散热方式，用金属结构件将发热元器件与壳体接触建立热传导通道，用风机内循环强化内部对流建立低热阻的对流换热通道，通过ICEPAK热仿真软件对该散热方式建模仿真计算表明：静止条件下吊舱核心处理芯片DSP、FPGA、SoC温升分别为：29.1℃、29.2℃、33.8℃，相比无风机时别降低：5.2℃、3.5℃、4.4℃；飞行条件下温升分别为：11.9℃、9.1℃、15.5℃；静止条件下，在风机内循环作用下，舱内最高环境温度较无风机内循环时降低约5.5℃。通过与同等条件下高温试验数据比较，仿真温度与测试温度相差3.1℃。该散热方式可有效降低舱内环境和器件的温升，满足吊舱使用要求，结构简单占用空间小，适用于轻小型、紧凑型机载光电吊舱。

光电探测系统；光电吊舱；散热技术；热仿真与试验

0 引言

光电吊舱是固定翼飞机、直升机、无人机等实现“广域搜索、远程探测、准确定位、快速摧毁、实时评估”的重要手段，近年来随着载机平台和作战模式的发展演化，对轻小型、紧凑型光电吊舱需求愈加迫切[1-5]。这就要求光电吊舱在轻量化、小型化的同时，还能集成多种光电传感器和电子处理组件。这必然导致舱内功率密度的显著增加，这些功率大多数是以热耗的形式扩散在光电吊舱内部，给光电吊舱的散热带来严峻的挑战。电子设备的可靠性与其温度密切相关，有统计表明其失效事件中有55%和温度有关[6]；同时研究表明：电子设备温度每上升10℃，则可靠性降低60%[7]。所以，光电吊舱的散热设计在产品研制中重要性越发凸显。

目前，常见的机载吊舱的散热措施有：①强迫空气对流散热：通过光电吊舱壳体内、外侧的设计散热翅片，在内侧翅片上安装离心风机，让内部热空气与内侧散热翅片强迫风冷，从而起到加强散热的效果。②冲压式散热：利用冲压空气直接对电子设备进行冷却，冲压空气在气流通道上经过简单过滤、除尘处理后直接进入电子设备，与电子设备进行热量交换后随即排出。该方式经济简单，但是在静止状态下无法使用；③逆冲压式散热：即冲压空气先进入涡轮降温，然后再与电子设备进行热交换，吸热后的空气进入压气机升压后排出。在逆冲压式散热基础上，为提高逆冲压式冷却空气的利用效率，有研究人员将吸热后的空气多次循环与电子设备进行热交换后再升压排出，英国的TIALD吊舱便采用了逆冲压式空气循环散热技术。④蒸汽循环散热：利用氟利昂在蒸发器内蒸发相变制冷，将该系统制冷剂所携带的热量带走，美国LANTIRN吊舱便配备了蒸汽压缩制冷系统。

措施①实际是一种强化的对流换热，单独作用时换热效果有限；措施②直接引入外界气流进行散热，而光电吊舱通常采用气密封设计，无法引入外界气流，而如果对电子组件和光电传感器进行分舱设计解决该问题，往往又会遇轻小型、紧凑型光电吊舱体积和重量上的限制，该类吊舱安装完光电传感器及电子组件后，内部往往没有足够空间进行复杂的散热系统设计；③④设计上较为复杂，同样面临体积重量上的限制[8-9]。

针对以上措施的局限性，本文以某型轻小型、紧凑型光电吊舱为研究对象，提出了一种热传导加风机内循环相结合的散热方案，即：对主要发热器件采用传导散热、同时舱内设计内循环风机，强化内部空气对流，利用光具座及电子组件安装结构件将热量传导至壳体。文章分析了光电吊舱内部热源，对光电吊舱进行了散热方案设计，利用ICEPAK热仿真软件仿真验证，得到光电吊舱的温度分布，同时利用实物样机进行了高温工作试验，

1 散热设计

1.1 结构设计

本文中光电吊舱直径200mm，重量为6kg，结构如图1，光电吊舱由伺服稳定更正平台、负载舱组成，其中，负载舱又包括光具座、传感器、电子组件、中框、前密封盖和后盖。传感器、电子组件安装至光具座上，再跟中框连接固定，前密封盖、后盖分别与安装至中框，负载舱通过前密封盖、中框及后盖实现气密封。光电吊舱的热源主要集中在负载舱内部，内部传热路径如图2所示，主要存在两条传热路径：热源与吊舱壳体之间的结构件热传导、舱内空气热对流，通过这两条传热路径将热量传递至壳体，在通过外界空气与壳体的对流换热传递至外界环境。所以，本文中热设计的关键是在传感器、电子组件和前密封盖、后盖以及中框之间通过结构件建立起低热阻的热传导路径，能够将热量迅速传导至外壳，以及增大舱内对流换热强度。

图1 光电吊舱结构

图2 传热路径

本文热设计方案如图3所示。受制于空间限制，电子组件物理上被拆分为3个处理模块，三者间用柔性印制板实现电气互联，处理模块I、II、III采用金属结构件安装至光具座，金属结构件上有凸台与发热器件接触，接触面用柔性导热垫减小接触热阻。光具座与中框的连接面设计在靠近处理模块I、III的地方，以减小热传导路径，降低热传导热阻；处理模块II紧贴后盖内侧的凸台，同样贴合面也采用柔性导热垫，靠近贴合面，后盖外侧设计了散热翅片；负载舱内部采用风机内循环，搅动内部空气流动，增强内部空气与壳体内侧的对流换热。

1.2 热源

光电吊舱内的热源主要来源于舱内传感器和电子组件，其中传感器包括：制冷红外传感器、可见光传感器、激光测距机，其功率除极少部分通过调焦、变倍机构转换为机械能以及激光测距机发射出去的电磁能外，其功率主要以热耗的形式散发到舱内。电子组件实物及主要发热器件分布如图4，其中DDR9、DDR10位于处理模块III背面，发热器件功耗分布详见表1。

图3 光电吊舱内部散热设计

光电吊舱内传感器的功耗：

红外热功耗ir＝15W；可见光热功耗tv＝3.5W；激光测距机热功耗laser＝0.06W；传感器总功率：

o＝ir＋tv＋laser＝18.56W (1)

由表1可知电子组件e＝44W，光电吊舱负载舱总功耗total＝o＋e＝62.56W。

图4 电子组件及发热器件分布

表1 发热器件功耗统计

在热稳态下，吊舱表面的热流密度：

式中：为吊舱散热表面积。选用器件允许的最高环境温度为95℃，当外界环境温度为55℃时，允许的舱内环境温升最大为40℃。按照《GJB/Z27-92电子设备可靠性热设计手册》[10]给出的电子设备表面温升与表面热流密度关系可知，采用自然冷却方式可以满足最大温升＜40℃要求。但是，值得注意的是《GJB/Z27-92电子设备可靠性设计手册》是采用集中参数法估算的，一般用于设计初始阶段进行散热方法的选择，无法精确得到设备内部温度场分布，具有一定局限性。譬如，如果设备内部发热器件到表面热阻过大，热量无法很好传导至壳体，导致出现局部热集中点，也会导致器件温度超出许用温度范围，从而导致设备可靠性下降。为此，必须利用有限元法对热设计方案进行建模计算，得到内部温度场的分布，以此对热设计方案的可行性进行准确评估。

2 热仿真

为验证散热方案的可行性，同时对比光电吊舱风机内循环对舱内温度分布的影响，本文对以下3种工况进行了建模仿真：

①静止无风机：55℃环境温度，光电吊舱静止，无内部风机循环；②静止有风机：55℃环境温度，光电吊舱静止，有内部风机循环；③飞行条件：55℃环境温度，载机以30m/s典型速度飞行，有内部风机循环；同时对光电吊舱实物样机进行了高温工作试验，用以和工况②的仿真结果进行对比，以验证仿真模型的准确性。

2.1 仿真模型

本文选用ICEPAK电子散热分析软件对光电吊舱进行建模求解，ICEPAK基于FLUENT计算流体力学求解器，采用有限体积法，可对三维流体、固体模型进行耦合求解。

计算域模型及求解边界条件设置如图5所示，整个计算域尺寸设置为：1600mm×600mm×600mm，4个侧面采用滑移壁面边界条件，消除边界层的影响，模拟周围计算域边界；前、后面均采用速度边界条件，通过设置气流速度为：0m/s、30m/s以模拟光电吊舱静止、典型飞行状态。计算域采用六面体占优网格生成算法，对固体域采用非连续性网格加密，共得到272.9万个单元、301.5万个计算节点。

2.2 计算结果

将计算结果进行后处理得到负载舱内的温度分布，如图6～图8。由图可知：静止条件下采用风机内循环时，光电吊舱内部温度最高温由106.2℃降低至100.7℃，降低了5.5℃，可见风机内循环对内部温度的降低有一定效果；载机飞行条件下，采用风机内循环时，由于光电吊舱外界空气的强迫对流换热得到极大加强，舱内热源通过热传导和内部热对流传递至壳体上的热量被迅速散发到外界空气中，舱内最高温仅为71.5℃，相比静止状态降低了29.2℃，舱内环境温度明显下降。

电子组件及光具座温度分布如图9～11。同时，用高低温试验箱对光电吊舱进行了高温工作试验，测试得到吊舱静止时在内部风机循环作用下各器件的温升，用以验证仿真模型的准确性，高温工作试验如图12所示。

图5 光电吊舱散热仿真模型

图6 静止状态，无风机内循环时的内部温度场（最高温度：106.2℃，温差：33.7℃）

图7 静止状态，风机内循环时的内部温度场（最高温度：100.7℃，温差：29.9℃）

电子组件各器件温升见表2，可以看出：利用ICEPAK热仿真软件得到的光电吊舱发热器件温升与实测数据最大绝对误差为3.1℃，与实测温升较为符合，说明仿真模型建立合理，能准确模拟光电吊舱温度场分布；内部风机循环作用下，电子组件的核心处理芯片DSP、FPGA、SoC温升相比无风机时别降低：5.2℃、3.5℃、4.4℃，说明内部风机循环对于加强内部对流换热具有一定效果，有利于器件温度下降；在载机飞行条件下DSP、FPGA、SoC温度进一步分别下降：17.2℃、20.1℃、18.3℃，说明光电吊舱外部流场对散热作用显著。

图8 飞行状态的内部温度场（最高温度：71.5℃，温差：11.4℃）

图9 静止状态电子组件温度分布（无风机内循环）

图10 静止状态电子组件温度分布（有风机内循环）

图11 飞行状态电子组件温度分布

图12 高温工作试验（环境温度：55℃）

3 结论

载机平台的发展对光电吊舱提出了轻小型、紧凑型的要求，增加了光电吊舱的散热设计的难度，本文针对轻小型、紧凑型光电吊舱采用了一种热传导和内部对流换热的散热方案：将电子组件物理上分割为3个处理模块，并用柔性印制板连接，布置在靠近吊舱壳体的位置，以减低热传导路径降低热阻；在吊舱内部安装风机实现内部空气的内循环，加强内部对流换热强度；后盖外侧靠近发热器件部位设计散热翅片。利用ICEPAK热仿真软件对方案进行了建模仿真，并用高低温试验箱对光电吊舱进行了高温工作试验。对仿真计结果和试验结果进行分析表明：采用的散热方案满足允许温升要求，风机内循环的方式将光电吊舱内部环境最高温度降低5.5℃，内部温度分布得到均匀化；由于热源和吊舱壳体间建立了热传导、热对流两条散热路径，并通过结构设计和内部风机降低两条路径上的热阻，使得光电吊舱在飞行条件下，在外部空气强迫对流作用下，内部环境温度及器件的温度大幅降低，说明了散热方案的可行性。同时，在高低温试验箱内进行了实测，对比仿真与实测结构发现差异较小，最大偏差3.1℃，表明仿真模型的合理性，本文建立的仿真计算能对光电吊舱散热方案进行较为准确的仿真评估。

表2 电子组件器件温升

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Thermal Management Technology of Light, Small, and Compact Airborne Photo-Electric Pod

HE Yan，GUO Yu，ZENG Zhu，LIU Zhihui，FU Qiang

(.,.,621000,)

To meet the development trend of light, small, and compact airborne photoelectric pods and solve the heat dissipation problem of photoelectric pods, a combination of cooling and fan circulation convection heat dissipation was used. The contact heat components with the cabin using a metal structure were employed to establish a heat conduction channel. The internal air was circulated by a fan to strengthen the internal convection and establish a low-thermal-resistance convection heat-transfer channel. Modeling simulation was performed by ICEPAK thermal simulation software, and a high-temperature working test was also conducted. The results show that the maximum temperature rise of the key processors DSP, FPGA, SoC is respectively29.1℃, 29.2℃, 33.8℃under static conditions and 5.2℃, 3.5℃, 4.4℃ lower than the case without fans. And the maximum temperature rise is respectively11.9℃, 9.1℃, 15.5℃ under flight conditions. At the same time, under the action of internal air circulation by the fan, the maximum ambient temperature in the cabin was reduced by approximately 5.5℃. The maximum temperature deviation between test and simulation at the same conditions is 3.1℃. The thermal management method can effectively reduce the temperature increase in the internal environment and devices inside the cabin, satisfy the requirements of pod usewith a simple structure, and occupy a small space. Thus, it is suitable for light, small, and compact airborne photo-electric pods.

photoelectric detection, airborne photo-electric pod, thermal management technology, thermal simulation and test

0439；TH74

A

1001-8891(2023)08-0837-08

2022-11-16；

2023-02-28.

何宴（1987-），男，四川南充人，硕士，工程师，主要研究方向：光电探测系统设计。E-mail:heyan2010@foxmail.com。

四川省自然科学基金（2022NSFSC0884）。