双眼皮胶条刘兵;缪小冬;张建斌
70【摘 要】为分析低气压环境下,影响航天飞行器控制设备温升的因素,本文首先设计并搭建了低气压环境热测试实验平台,并利用该实验平台对控制设备的瞬时温度进行测试,以考察在不同影响因素下,例如热源分布、外界压强、热源时序工作等因素对设备温升的影响.应用ANSYS热分析软件对该设备进行热仿真模拟,通过对模拟结果与热测试数据进行比较,验证了热仿真模型的计算精度,为热设计提供数据支撑.%In order to analyze the factors which affect the temperature rise of spacecraft control equipment under low pressure environment,a thermal test platform of low pressure environment is built to test the instantaneous temperature of the control equipment in this paper.The differences of factors,such as heat source distribution,external pressure and time sequence of heat source,which effect the temperature rise of spacecraft control equipment are investigated.And then,a thermal simulation,using the thermal analysis software ANSYS,is performed on the control equipment.With the comparing of the simulation results and test data,the results show that t he thermal simulation model has great calculation precision,which provides reference data support for thermal design.
无缝内衣【期刊名称】《节能技术》
【年(卷),期】2017(035)003
【总页数】7页(P204-209,213)
【关键词】航天器控制设备;低压环境;热仿真;热测试
【作 者】刘兵;缪小冬;张建斌
【作者单位】北京航天自动控制研究所,北京100854;北京航天自动控制研究所,北京100854;北京航天自动控制研究所,北京100854
【正文语种】中 文
【中图分类】TH133;TP183
近两年，集成技术在航天系统的普及度越来越高，大功率、小型化、高集成度的电子设备被广泛应用[1]。随着功率器件热流密度急剧上升，元器件及整机散热成为影响设备稳定工作的重要因素。据相关资料统计，随着元器件温度的升高，其失效率将呈现指数增长趋势，甚至有的元器件在环境温度升高10℃时，失效率增大一倍以上，被称之为10℃法则[2]。根据统计数据显示，电子设备的失效有55%是温度超过规定的值所引起的[3]。
飞行器在大气层中飞行时，由于气动加热效应，飞行器内部温度较高，因大气密度变化而引起高空效应，导致接触热阻增大、对流换热系数减小等问题，容易造成在地面能够正常工作的设备，因过热而发生故障。同时轻量化、紧凑化及复杂的力学环境，使热设计考核非常严苛，这对于电子设备热设计人员来说是一个巨大挑战[4-5]。
目前，运用并验证热设计方案正确性的方法有两种：热分析和热试验[6]。航天系统一般使用热真空试验系统提供低气压、高温和低温的恒温及交变试验，以验证产品的可靠性[7]。本文针对航天器典型控制设备的特点和工作环境，设计搭建了低气压高温试验平台，对影响设备散热的因素进行测试、评估。在同工况下，应用ANSYS软件开展热仿真，模拟低气压高温测试环境，通过不断修正模型，得出准确的仿真模型，将试验结果转化数据模型，为后续产品设计与开发，提供数据支持与改进基础。
国内航空航天系统对低气压环境要求较高，早期真空箱材料选用紫铜，由于其耐腐蚀性差，容易产生真空泄漏。目前，多采用不锈钢材料代替紫铜，结构强度得到有效提高[8]。本文中低气压高温测试平台，采用不锈钢材料真空罐，内部布置紫铜均热板，采用均布热敏电阻的方案，实现密封罐内圆周方向均匀加热，模拟飞行器舱段内部温度场分布。为了减小紫铜焊缝对传热的影响，本文采用搅拌摩擦焊工艺，对紫铜板进行焊接。搅拌摩擦焊无需焊料，力学与传热性能优良，在航天、航空、船舶等行业应用广泛[9-10]。本试验方案结构简单，成本低，适合地面小规模试验。
本文研究对象为某航天器中的一个电子设备机箱，飞行器在大气层中飞行时，舱段内部属于低气压且温度较高的恶劣环境，要求对电子设备机箱进行热仿真分析与设计，使得机箱的工作温度在某时间段内不超过某特定温度，以确保控制设备正常工作。通过对机箱倒角、小弧度部位、小孔等细小部位进行适当的简化，采用自上而下的实体建模方法，生成完整的机箱模型(如图1)。由于机箱在热测试实验中位于恒温薄壁圆柱形桶(直径500 mm×高度500 mm×厚度2 mm)中，所以还要对圆柱形桶和桶内空气环境建立模型。 本文采用ANSYS FLOTRAN来进行热仿真计算，选择的网格单元为FLUID142，采用自由 化网格对模型进行网格划分。经过多次调整，寻合适的单元大小，对划分后的网格进行质量检查，检查结果显示没有畸形或异变等网格，电子设备机箱热分析模型网格划分结果如图2所示。并进行了网格无关性验证，最终确定网格数为170万左右，此网格数量在保证求解准确性的前提下节省了计算时间。
热量通过固体结构进行传递的方式称为热传导。热传导方程描述结构内部的温度分布规律，其一般形式是
式中 ρ——材料密度; c——材料的比热容; λx,λy,λz——材料在方向x,y,z的导热系数; qi——内部的热源强度; τ——时间。
流动与传热控制问题实际上是对流换热问题。对流传热控制方程组由连续性方程、动量方程(Navier-Stokes方程)和能量方程组成。
连续性方程
N-S方程
半导体模块
)
办公桌隔断
)
)
能量方程
式中 u,v,w——x,y,z方向的速度分量/m·s-1; p——压力/Pa； ρ,ν,a——流体的密度/kg·m-3、运动粘性系数/m2·s-1及热扩散率/m2·s-1; T,t——温度/℃及时间/s; S——能量方程热源项; V——速度矢量/m·s-1。
3.1 热测试实验平台设计及搭建
氢氧化钙生产
为了研究处于低压环境中的某航天飞行器中的电子设备机箱，本文利用真空罐(内径700 mm，高1 000 mm)实现低气压环境，内置一个圆柱形(直径500 mm，高度500 mm)的可封闭薄壁铜屏，铜屏上安装有多个电阻加热器和温度传感器，通过调整控制电阻加热器的功率大小来调整控制铜屏的温度，模拟出电子设备机箱在飞行器舱段内部工作所处环境温度。电子设备机箱低压环境热测试实验平台示意图和设备装置图见图3和图4。
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