碳基复合相变装置及在大热耗单机温控中的应用

碳基复合相变装置以高导热碳基复合相变材料为主要储能和导热载体,利用高导热膨胀石墨强化导热,运用相变材料的潜热实现热量的削峰填谷,可有效抑制短时大热耗单机的温升,减少单机非工作时段所需的补偿功耗,节省卫星的重量资源和功耗资源。主要介绍了一种高导热碳基复合相变装置,结合复合相变装置与卫星结构板优化的综合散热系统,用于解决星载短时工作的大热耗单机温度控制问题。通过理论计算与热仿真分析相结合,对复合相变装置进行了优化设计;通过开展专项试验对复合相变装置的热性能和空间环境适应性进行了充分验证;并在整星真空热平衡试验中,验证了复合相变装置对大热耗单机的温度控制效果。     

高分七号卫星基于尺寸稳定的整星热设计

尺寸热稳定性是高分七号卫星热设计的重要组成部分,是保证卫星在轨期间相机光轴指向稳定的核心要素。为保证高分七号卫星高成像精度,结构件大量采用高强度、低热膨胀系数的氰酸酯基体碳纤维材料。将卫星设备散热与内部热设计进行一体化设计的支架是保证相机、测高仪指向精度的关键部件,通过布置合理热控措施,实现温度水平和稳定性的控制,保证一体化支架的尺寸稳定;大热耗短期工作的数据处理器外挂独立散热板、激光测高仪主体和散热板功率补偿一体化设计,避免了外舱板温度的剧烈波动,有效减小了热变形对一体化支架的影响,从整星层面保证了尺寸稳定性。     

基于高性能信息处理模块的相变散热技术研究

设计了一种高性能信息处理模块,并对高功耗元器件布局、功耗特性、结构特点及工作温度等要素进行分析,提出了一种基于相变储能散热技术的解决方案并进行工程实现。通过热仿真与散热性能测试试验,验证相变储能模块控温能力,满足模块散热要求。目前该方案已应用于新一代运载火箭产品中,为航天产品散热技术优化与发展提供了技术支撑。     

星载平板有源SAR天线热设计与验证

合成孔径雷达天线是微波遥感卫星的重要载荷之一,一般具有尺寸大、收发单元多、热耗大、工作模式多等特点。载荷热耗峰值可达7000W,同时为减小热变形对指向精度的影响,设备温度一致性需优于10℃。因此大功率组件散热和温度一致性保持是合成孔径雷达天线热控的主要难题。采用被动和主动相结合的热控手段,合理设计散热通道,解决设备的散热难题;采用等温化设计,布置热管网络,降低设备间温差;采用新型智能随动控温方法,解决不同工作模式切换、空间外热流变化、辐射耦合带来的温度梯度保持难题。采用Thermal Desktop软件对天线进行了热仿真分析,并进行了热平衡试验。分析、试验结果和在轨测试结果表明温度和温差均满足要求。该设计方法可为大功率有源合成孔径雷达天线热设计提供借鉴。     

一种复合相变热沉设计与散热性能分析

为解决弹载电子设备短时高功耗运行可能引起的元器件急剧温升进而导致失效问题,文章首先研究了几种相变热沉的设计方法和工艺路径,通过仿真对比证明碳基骨架-特种石蜡复合相变热沉质轻且散热性能优越。然后,针对新研高热耗模块,对膨胀石墨-特种石蜡复合相变热沉进行精细化设计,制作样件,并通过仿真对比验证其散热性能满足要求,同时分析了实验测试结果和仿真结果的差异及原因,研究结果可为严酷条件下应用相变材料进行热设计和热管理提供参考。     

反熔丝FPGA器件真空发热及散热措施

航天电子元器件工作于真空环境时,必须格外考虑其发热及散热问题.文章对某反熔丝FPGA器件工作于真空环境时温度与功耗的关系及散热措施进行研究.通过热真空试验得到该器件不同散热措施及PCB条件下的发热及散热情况数据,并依据数据分析给出其在真空环境下的散热措施建议.该器件采用了带热沉的陶瓷四侧扁平208引脚封装(CQFP20...     

基于相变传热技术的空间瞬时大热耗载荷级联散热设计

针对空间千瓦级瞬时大热耗载荷的散热问题,提出了一种"平板蒸汽腔(Vapor Chamber,VC)+相变装置(Phase Changed Material,PCM)+环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)"的一体化通用级联散热设计方法。以被动控温为主,采用当量导热系数大于2000W/(m·K)的VC强化传热,进而通过3D打印的导热蜂窝结构PCM强化热量的储存和释放。以某瞬时热耗达3000W的空间载荷为例进行散热设计,通过热分析和热试验验证,结果表明:热源45s和60s工作时间内最大温升分别为12.5℃和19.6℃,温度控制在10～40℃的范围内;修正后的热分析模型与热试验结果对比,绝对误差为1℃左右,相对误差为4.85%。验证了设计方法的正确性,可为同类空间千瓦级瞬时大热耗载荷的热设计提供参考。     

基于VPX架构的高热耗星载数据处理机结构设计

通用化、模块化、互换性越来越成为星载数据处理电子设备结构设计的发展方向,VPX架构是一种较适合的形式.针对VPX架构高热耗星载数据处理机的散热难题,提出了优化结构布局、增加散热路径、提高散热效率等思路.采用了大热耗器件布局机箱底部,机壳设计散热凸台,机箱及子板结构件嵌入热管等方法,成功设计出可满足子板最大热耗41.5 ...     

高热耗波导组件的系统级热设计

载荷分系统为航天器实现功能的重要组成部分,随型号设计难度的提高,载荷分系统一般通过提高行波管放大器输出功率来实现性能达标,由此必然导致多工器后级公共端波导热耗过高,对系统级热设计提出更高要求。首先对系统级波导组件热设计方法进行介绍,在此基础上对高热耗波导组件的热分析方法、散热设计及试验验证情况等进行描述。结果表明,在系统热设计无法保证波导使用温度时,需在波导组件上实施散热措施,使用的通用化散热翅片设计简单,安装灵活,利于产品化,经试验验证,最高可将波导温度降低25℃左右。     

固-液相变装置传热性能数值计算研究

卫星内安装的某些设备在轨长期工作时要求维持较恒定的温度,特别是热容较小的设备受外热流影响温度波动会比较大,文章在传统热控设计的基础上增加了相变装置,利用焓法建立了设备、蜂窝板、相变装置统一的控制方程,研究了空间环境下相变装置的热性能。结果表明:采用相变装置有助于提高散热面的等温性,同时能够有效降低设备的温度波动范围,为航天器内设备的热控设计提供了一定依据。     

相变材料深空控温技术研究

随着航天电子产品向小型化、集成化方向发展,产品热流密度迅速增长,其抗热冲击散热问题成为制约产品设计的瓶颈问题之一.使用相变控温技术可以很好地解决该问题,且相变控温属于被动控温,可靠性很高,符合航天产品要求.以某VPX标准机箱扩热板结构为研究对象,提出相变材料与载荷产品结构复合一体化的相变控温装置设计方法.通过设计试验进...     

航天飞行器防热层与天线窗口热匹配行为研究

针对防热层与天线盖板的热匹配及烧蚀匹配开展研究,通过有限元方法,分析了尺寸效应对于天线盖板热匹配的影响,同时结合电弧风洞实验验证了防热层与天线盖板在高温下的烧蚀匹配行为。研究结果表明,按照实验件尺寸20 mm×20 mm,在实验环境条件下,防热层最大热应力为2.98 MPa,小于低密度石英酚醛复合材料在高温下的拉伸强度,不存在热匹配风险。当天线盖板尺寸大于60 mm时,防热层局部接触应力约为5.3 MPa,大于防热层在高温下的抗拉强度,天线盖板与周边防热层保证0.3 mm安装间隙,天线盖板在高温下的最大膨胀量为0.03~0.04 mm,远小于间隙值,因此不存在热匹配风险。天线盖板在与防热层烧蚀过程中,由于耐温较高,在高温下基本无烧蚀,低密度石英酚醛防热层烧蚀量约为 1.1 mm,因此在后续防热设计中可在天线盖板前缘处预留台阶,以减小高温下的烧蚀不匹配风险。     

某高码率通信终端处理机热设计与仿真分析*

处理机是飞行器高码率通信终端核心电子设备,处理机稳定性与可靠性的高低直接关系到整个终端系统设备的可靠性工作。介绍高码率通信终端处理机热设计的特点与方法,针对不同的功率器件和组件,与结构设计相结合,探索合理的散热途径,特别是许多热耗较大的功率器件的热设计。通过热仿真分析,优化热设计方案,控制每个器件的温升满足设计要求,并进行了热真空、热平衡试验验证。     

新一代地球同步轨道气象卫星结构热变形分析

根据用MSC.PATRAN软件建立的整星有限元模型,对某地球同步轨道(GEO)气象卫星的结构热变形进行了计算。分析建模中铝蜂窝夹芯板线膨胀系数和未考虑板厚时热载荷场的影响。给出了高/低温、铝合金/碳纤维蒙皮四种不同工况的整星最大变形和有效载荷安装板对地变形角,并由此得到了整星和有效载荷板Y向的热变形图。分析结果表明,结合相关型号热真空试验数据,该法可有效地准确获得整星的热变形,对工程设计具有一定的参考价值。     

脉冲热负荷下相变蓄热对蒸发循环制冷性能的影响

针对激光器等短时大功率器件的温度控制问题,提出了基于相变蓄热与蒸发循环制冷的热控制方法.以峰值热流密度为106 W/m2的激光器为控温对象,建立相变蓄热与蒸发循环制冷耦合的仿真模型,通过数值仿真对比研究了有无相变蓄热器及不同相变蓄热器耦合位置、压缩机转速及热负荷占空比情况下热源的温度波动幅度与制冷系统的制冷效率.结果表...     

推力室多孔面板氢发汗冷却传热分析

为了研究氢氧火箭发动机推力室喷注器多孔面板的发汗冷却特性,采用一维非热平衡能量方程模型对其进行了数值传热计算,计算模型考虑了冷却剂氢的变物性和多孔结构内固体与流体之间的对流换特征。分析总结了多孔结构固体导热率、孔隙率、颗粒特征直径和燃烧室热流密度等因素对多孔面板发汗冷却的影响。研究结果表明,选择较高导热率的多孔面板制造材料能够降低燃气侧面板温度和减小面板温度梯度;孔隙率一般在0.1～0.2为宜;随着颗粒特征直径增大冷却剂与多孔结构固体之间的换热能力明显下降,燃气侧面板温度呈先降低后升高的趋势。     

航天器真空热试验用加热板的数值仿真

文章针对加热板在航天器热试验中的传热特点,利用Thermal Desktop软件建立了加热板和空间模拟器热沉的热数学模型,分析了电热丝数量、加热板材料和液氮管路布置方式对加热板升、降温时间和温度分布的影响;建立了模拟星、加热板和热沉的热模型,分析了加热板和星表间距对模拟星表面温度的影响。根据分析研究结果,提出了加热板设计及其在航天器热试验中的应用方法建议。     

超声速燃烧地面试验的蓄热式加热器及其关键技术

为了模拟飞行状态下进入超燃冲压发动机燃烧室的高焓空气,在地面模拟试验中需要对空气加热,可再生蓄热式加热器是一种能提供相对纯净高焓空气的试验设备。介绍了蓄热式加热器的工作原理与特点,分析了关键技术。结果表明,蓄热式加热器具有加热空气总温高、流量大和相对纯净的优点,是我国超燃冲压发动机地面试验的发展趋势,但蓄热阵材料、加热器结构、超高温阀和大范围调节预热燃烧器等是关键技术,有待进一步研究和攻关。     

星上大功率电缆发热对热设计的影响分析

在目前的整星热设计中,通常不考虑电缆发热的影响,但随着设计实践的深入,发现在一些特定场合下,电缆发热对设计结果的影响十分明显,有时甚至是决定性的。文章以“海洋二号”卫星某大功率电缆为例,通过电缆所在舱段内设备温度计算结果与在轨实测数据的对比,分析了电缆发热对其所在舱段热设计结果的影响。并以此为基础,研究了电缆发热量与其带来的设计偏差之间的关系,提出了热设计中估算电缆发热对设备温度影响的方法,以及热设计中能否忽略电缆发热影响的判据。     

复合相变热沉在电子设备热管理中的应用

某些特殊电子设备的短时高功耗运行往往会引起急剧温升,进而导致设备失效。文章采用膨胀石墨/高碳醇复合相变材料(PCM)作为热沉,针对某高功耗模块进行了散热仿真,并与传统铝热沉进行了对比,结果表明无主动散热平台下PCM热沉显著优于铝热沉。同工况温箱实验进一步验证相变热沉散热特性,并与仿真结果进行对比,结果表明实验结果与仿真结果具有一致的温度变化趋势,但由于相变温度范围的差异导致不同时间段温升速率不同。分析了二者的差异及原因,为严酷条件下应用相变材料进行热设计和热管理提供参考。