一种弹载电子设备的热控方式设计及仿真分析

刘景阳

（1.西南电子技术研究所，成都 610000； 2. 四川省空天电子装备环境适应性技术工程实验室，成都 610000）

引言

弹载电子设备能够保证导弹在运行过程中稳定运行并精确命中目标，而随着导弹性能提升，高温、长时间、高热耗等对弹载电子设备热控提出了更为严苛的要求。由于弹载电子设备难以获得外部冷源支撑，在对电子设备进行热控设计时，通常不会选用液冷以及风机强迫风冷散热这两种散热方式，更多地是选择利用设备自身结构做热沉的被动方式以延缓设备内部各电子器件在任务剖面条件下的温升速率，从而达到设备在全工作周期内稳定工作的目的，而随着工作时长的增加，电子设备热耗累积，外部高温环境持续输入热量，使得电子设备通过结构自身做热沉已难以满足设备的热控需求。

目前，已有大量学者进行了弹载电子设备热控技术研究。其中，候煦、尹本浩、杨乔森等[1-3]就相变材料在弹载电子设备中的应用进行了研究，证明了相变材料对弹载电子设备热控起到了重要作用，郑雪晓、王磊等[4-6]就相变材料强化导热结构进行了研究，证明了通过设计增强导热的结构可提升相变材料利用效率，强化电子设备散热能力，YARAN W、刘振宇等[7-9]论证了高导热材料作为热沉可减少固体传导热阻提升散热能力。

由于部分弹载电子设备内部结构紧凑，无法在设备内部增加热沉对芯片进行热控，为了能够使满足弹载电子设备更长时间的稳定运行要求，可通过外挂热沉模块的形式，对电子设备整体进行热控。外挂热沉结构可通过外挂实心结构模块或外挂相变模块的形式实现。

本文以一种典型砖式相控阵天线作为研究对象。分别研究了设备原结构、外挂结构热沉以及外挂相变热沉三种形式对设备在不同时间内的升温速率，并对比外挂结构材料热沉以及外挂相变材料热沉对于电子设备升温速率的影响。再通过进一步对比外挂结构材料热沉以及外挂相变材料热沉得尺寸、质量等相关收益，找出在任务剖面条件下，实现弹载电子设备热控的有效措施。

1 理论基础

1.1 基础理论分析

根据能量守恒定律，电子设备升温所需热量等于外界流入热量与内部热源产热之和。且本论文采用有限体积法进行仿真分析，NS 方程为：

1.2 外挂热沉的估算

设备随时间变化的升温方程为：

式中：

φ—输入热量；

m—物体质量；

cp—物体定压比热容；

Δt—温度变化量；

Δτ—时间变化量。

当通过采用增加结构材料的形式来达到热控目的时，在传热方程中物体质量m增加，相同温升Δt下的温升时间τΔ 增加，设备达到热控目的。

当通过采用增加相变材料的形式达到热控目的时，一方面设备整体质量m增加，温升时间得到延缓，另一方面，当设备温升到相变材料相变温度点时，相变材料开始进行相变并在一定温度区间内吸收大量热量，该过程在仿真中可等效为相变材料在相变温度区间内比热容cp突然增加，进而大幅延长温升时间Δτ。

2 模型及边界条件

2.1 模型介绍

某型砖式相控阵天线结构形式如图1 所示。由于该相控阵天线内部结构紧凑，在相控阵天线内部增加相变材料或增加结构材料作为热沉难度较高，所以在相控阵天线两侧外挂两个热沉模块的形式延缓设备温升，具体表现形式如图2 所示。

图1 典型相控阵天线结构示意图

图2 外挂热沉结构形式

图3 设备内部芯片温升曲线对比

图4 设备外壳温升对比

图5 1 000 s 设备外壳温度

图6 2 000 s 设备外壳温度

图7 3 000 s 设备外壳温度

图8 3 000 s 外挂热沉中心截面温度

该相控阵天线的发热部分由图1 中的多个氮化镓发热芯片构成，将热量传导至结构件上进行散热。图2 中的外挂热沉作为相控阵天线的安装附件安装于设备两侧以延缓设备整体温升。

2.2 边界条件介绍

该相控阵天线总热耗为20 W，在该设备工作过程中外界热量通过图1 中的安装支耳以及通过辐射的形式进入电子设备。相控阵天线结构件材料选用6063 铝合金，发热芯片为氮化镓芯片，结构热沉材料选用黄铜，相变材料选用一种70 ℃复合石蜡相变材料，相变潜热为220 J/g，相变材料熔程为（70～74）℃。各材料属性如表 1 所示。

表1 复合相变材料属性表

3 结果分析

本论文以3 000 s 作为任务剖面条件，对比分析了相控阵天线在无外挂热沉模块、外挂结构热沉以及外挂相变热沉三种情况下的设备温升情况在1 000 s、2 000 s 以及3 000 s 设备的工作状态，并得到如下结果。

根据以上结果可知，在3 000 s 工作时间内，相控阵天线在无外挂热沉的情况下温升最高，天线内部电子器件有效工作时长最短，相控阵天线外挂结构热沉或相变热沉后温升速率明显降低，温度降低达到50 ℃，其中相控阵天线外挂相变热沉的温升速率最低，相比相控阵天线外挂结构热沉降低（8～10）℃。此外，同体积结构热沉是同体积相变热沉质量的9～10 倍，外挂相变热沉对设备整体质量负荷更低，所以外挂相变模块对于降低设备升温速率，提升任务剖面条件下的电子设备工作性能最为有效。

同时，由图 7、图 8 可知，在3 000 s 工作时间内，弹载电子设备外挂相变热沉的外壳温度最高不超过100 ℃，而相变材料熔程为（70～74）℃，说明相变材料并未完全融化，所以本论文中的相变热沉设计仍有进一步优化的空间。

4 结论

本文针对弹载电子设备热控要求设计了一种外挂热沉作为电子设备的安装附件以降低电子设备升温速率，提升电子设备在任务剖面条件下的热控性能。对比了同一电子设备在不外挂热沉、外挂结构热沉、外挂相变热沉三种情况下的温升情况，结论如下：

1）电子设备外挂结构热沉以及外挂相变热沉相较于无外挂热沉，均能提升设备的散热性能，延长弹载电子设备的工作时间（1 000～1 500）s，满足设备在任务剖面条件下的长时间工作要求；

2）通过外挂热沉模块的形式，可以在不改动电子设备内部结构的情况下，延长弹载电子设备的工作时间，且外挂热沉模块作为设备的安装附件，可根据设备实际安装空间进行灵活调整，具有安装方便、加工难度低等优点；

3）同体积的相变材料比结构材料能达到更好的热控效果，并且结构热沉质量是相变热沉的9～10 倍，所以相变材料更适合用作弹载电子设备热沉材料，而且随着材料科学技术的不断进步，相变材料的导热系数、相变焓值不断增加，这将为相变热控技术的应用提供更大的可能。