慣性平臺(tái)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法綜述

崔建鑫 楊孟興 楊朋軍

摘 要：慣性平臺(tái)系統(tǒng)作為慣性坐標(biāo)基準(zhǔn)和測(cè)量裝置，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭等飛行器中，其精度直接影響飛行器的工作效率。慣性平臺(tái)系統(tǒng)在工作過(guò)程中由于熱問(wèn)題造成較大精度損失，陀螺儀和加速度表在工作過(guò)程中會(huì)為系統(tǒng)帶來(lái)一定的熱問(wèn)題，有必要就其溫度場(chǎng)進(jìn)行研究并進(jìn)行相關(guān)熱設(shè)計(jì)，以提高工作精度。目前國(guó)內(nèi)外主要依靠經(jīng)典傳熱理論，利用有限元方法對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析；主要從溫控、熱平衡、熱穩(wěn)定等方面進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，相關(guān)熱設(shè)計(jì)方法有添加加熱片、隔熱片、設(shè)計(jì)風(fēng)扇、改善材料等。文章較為完整地整合慣性平臺(tái)溫度場(chǎng)研究狀況和熱設(shè)計(jì)方法，為今后同類(lèi)工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：慣性平臺(tái)；溫控；熱分析；熱設(shè)計(jì)

慣性平臺(tái)系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、武器等領(lǐng)域的慣性測(cè)量設(shè)備，它為相關(guān)產(chǎn)品的工作提供慣性基準(zhǔn)及導(dǎo)航服務(wù)，是三航及相關(guān)軍事領(lǐng)域不可或缺的部件單元。慣性平臺(tái)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上包括慣性器件、臺(tái)體、內(nèi)外框架、支架基座、減震器等，陀螺和加速度表安裝在臺(tái)體上面。當(dāng)平臺(tái)系統(tǒng)工作時(shí)，陀螺儀和加速度表會(huì)產(chǎn)生一定熱量，因此，平臺(tái)系統(tǒng)溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，液浮陀螺對(duì)溫度十分敏感，進(jìn)而會(huì)使得陀螺隨機(jī)漂移增大，影響工作精度，因此，需要對(duì)慣性器件進(jìn)行溫度控制。另一方面，平臺(tái)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布及平臺(tái)外溫度對(duì)其工作精度影響也非常大，需要對(duì)此進(jìn)行一定溫控工作[1]。

對(duì)于溫度場(chǎng)研究來(lái)說(shuō)，主要以經(jīng)典傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)，輔助以相關(guān)的分析工具及方法進(jìn)行分析。我們現(xiàn)在常用的是基于有限元方法的分析，相關(guān)工具有ANSYS和UG，通過(guò)對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行邊界界定，可以從一定程度上分析出它們的溫度場(chǎng)信息，為后續(xù)熱設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外已有利用此技術(shù)對(duì)諸如機(jī)床之類(lèi)的設(shè)備進(jìn)行完善熱分析研究的實(shí)例，目前在慣性平臺(tái)系統(tǒng)方面有所欠缺[2]。

就具體措施而言，國(guó)內(nèi)外有添加熱均衡罩、加熱片、設(shè)計(jì)風(fēng)道、改善材料等。相對(duì)來(lái)說(shuō)慣性平臺(tái)結(jié)構(gòu)本身不好做大的改動(dòng)，而使用加熱罩、加熱片等措施只能做宏觀的調(diào)控，照顧不到較為細(xì)致的熱問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)道來(lái)調(diào)節(jié)可以起到很好的效果，但是其原理復(fù)雜，難以操作；改善材料以減少溫度帶來(lái)的影響在效果上較為顯著，但是相關(guān)材料如鈹?shù)仁职嘿F，無(wú)法普及，因此，在慣性平臺(tái)熱設(shè)計(jì)方面仍有很大發(fā)展空間，需要有更好的方法來(lái)調(diào)整熱問(wèn)題[3]。

1 慣性平臺(tái)溫度場(chǎng)進(jìn)行研究

對(duì)于慣性平臺(tái)溫度場(chǎng)的研究，主要使用的方法是有限元軟件分析，有限元分析法現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用在相關(guān)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析、熱學(xué)分析、電磁分析等方面，成為工程常用的工具之一[5]。ANSYS有兩種施加載荷的方式，即在有限元模型和實(shí)體模型上施加載荷，有限元模型是指單元和節(jié)點(diǎn)，實(shí)體模型包括關(guān)鍵點(diǎn)、線段、面和體，在實(shí)體模型上施加的載荷可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢拊Ｐ洼d荷。對(duì)于慣性平臺(tái)熱分析而言，其具體步驟主要有以下幾點(diǎn)[4]。

首先，應(yīng)該建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)的三維模型，主要是通過(guò)相關(guān)軟件如UG和PROE等來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槠脚_(tái)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，例如忽略某些小孔，改善某些曲面等，這樣是為了在有限元軟件如ANSYS中可以更容易地進(jìn)行分析求解。將模型導(dǎo)入后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后得出固體熱節(jié)點(diǎn)和熱單元的數(shù)目。繼而應(yīng)該確定邊界條件，確定邊界條件一般有3種方法：解析法、實(shí)驗(yàn)法、試算法。解析法方便準(zhǔn)確，常用于確定運(yùn)動(dòng)體的工作狀態(tài)，如發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)解析計(jì)算；實(shí)驗(yàn)法主要是針對(duì)于難以解析確定的邊界條件，例如，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)出零件表面的溫度作為第一類(lèi)邊界條件，它通常比解析法更能反映出零件實(shí)際工作狀況，但由于試驗(yàn)成本較高，所以使用不是很廣泛。有些情況下，邊界條件難以解析計(jì)算，又不好進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，可以先假設(shè)再通過(guò)某一值進(jìn)行試算，使其與結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值吻合，繼而確定邊界條件[5]。

2 慣性平臺(tái)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法

要進(jìn)行慣性平臺(tái)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)，首先需要明確存在的問(wèn)題以及設(shè)計(jì)目標(biāo)?，F(xiàn)階段慣性平臺(tái)存在的問(wèn)題是陀螺儀溫度過(guò)高難以控制，平臺(tái)臺(tái)體溫度梯度過(guò)大。設(shè)計(jì)目標(biāo)是使得平臺(tái)內(nèi)部溫度較為均衡。平臺(tái)熱設(shè)計(jì)一般包括溫控、熱平衡和熱均勻穩(wěn)定等。溫控設(shè)計(jì)為熱設(shè)計(jì)提出基本的技術(shù)要求，例如我們上面說(shuō)到的溫度場(chǎng)分析邊界條件的確定等。溫控設(shè)計(jì)主要是慣性器件的溫控和平臺(tái)系統(tǒng)的溫控，前者主要是陀螺的溫控，因?yàn)橐焊⊥勇輰?duì)溫度十分敏感，所以需要對(duì)其進(jìn)行一定的研究和熱設(shè)計(jì)。平臺(tái)系統(tǒng)的溫控主要是針對(duì)于環(huán)境溫度，它的溫控精度要求是使得慣性器件周?chē)臏囟仁芡饨鐪囟鹊挠绊憸p少，同時(shí)使得平臺(tái)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布更均勻。具體熱設(shè)計(jì)是針對(duì)于慣性器件和平臺(tái)熱設(shè)計(jì)，一般包括以下幾個(gè)方面：控制發(fā)熱源、在結(jié)構(gòu)上做改進(jìn)、采取隔熱、改善材料等，示意圖如圖1所示。下面較為完整地介紹常見(jiàn)的熱設(shè)計(jì)方法[6]。

圖1 熱設(shè)計(jì)方法示意

2.1 添加熱均衡罩，加熱片，采取隔熱等

直接添加熱均衡罩、加熱片、隔熱片等部件是常見(jiàn)的熱設(shè)計(jì)方法，由于這些方法簡(jiǎn)單易操作，且成本較低，因此廣受歡迎。但是相對(duì)來(lái)說(shuō)其效果不夠突出，而且有可能影響到平臺(tái)本身的結(jié)構(gòu)。

中國(guó)航天九院第16研究所曾做過(guò)加裝加熱片的熱設(shè)計(jì)，為了降低陀螺附近的溫度值，提高最低溫度處的溫度值，在臺(tái)體陀螺一側(cè)的肋板上加裝加熱片，通過(guò)熱分析，發(fā)現(xiàn)添加加熱片有以下功用：首先提高了臺(tái)體的溫度值，減少了臺(tái)體與器件的溫度梯度；加熱片改善了臺(tái)體上的溫度分布，在減少陀螺溫度梯度的同時(shí)，也引起了各陀螺的溫度差。在經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，臺(tái)體上的溫度分布變得更加均勻，雖然溫度稍微提高，但熱位移和熱應(yīng)力并沒(méi)有增加多少，因此，該方法是可行的[7]。

美國(guó)無(wú)人駕駛飛機(jī)“321”的平臺(tái)臺(tái)體外面包了一個(gè)導(dǎo)熱良好、熱容量大的紫銅均熱罩，它可以被視為臺(tái)體的等溫體，可以改善器件周?chē)鷾囟葓?chǎng)的分布，同時(shí)又可以避免風(fēng)扇氣流等對(duì)器件的熱擾動(dòng)。LTN-51平臺(tái)上，上下陀螺裝在臺(tái)體兩端，上面分別用鑄鋁均熱罩罩上，也可以起到一定的效果。采取均熱罩措施，既能保證慣性器件的工作溫度，使其較小受對(duì)流、輻射等因素的影響，又可以對(duì)溫度場(chǎng)分布有一定改善作用[8]。

通過(guò)一定的材料進(jìn)行隔熱也是常用的熱設(shè)計(jì)方法，通常會(huì)在結(jié)構(gòu)壁上涂抹隔熱材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。熱填充材料應(yīng)當(dāng)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，目前，使用最多的是空心玻璃或陶瓷微珠。熱控涂層方法通常應(yīng)用于衛(wèi)星等航天器上，最初目的是平衡或隔離由于太陽(yáng)光或飛行器摩擦引起的熱問(wèn)題。有單位將其應(yīng)用至慣性平臺(tái)系統(tǒng)中來(lái)調(diào)控?zé)釂?wèn)題，也取得了一定效果[9]。

2.2 設(shè)計(jì)風(fēng)道及散熱片

根據(jù)臺(tái)體的發(fā)熱功率以及環(huán)境溫度的要求，設(shè)計(jì)風(fēng)道或加裝散熱片來(lái)調(diào)整溫度也是常用的方法，需要確定風(fēng)道的風(fēng)量、風(fēng)速、壓力損失以及風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)以確定對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)風(fēng)道的特性分析主要是要分析計(jì)算風(fēng)道的阻力損失。它包括沿程阻力損失和局部阻力損失兩部分，前者是氣流與管道的摩擦所致，后者是氣流遇到彎道時(shí)產(chǎn)生的損失，在計(jì)算阻力時(shí)首先需要確定風(fēng)速，風(fēng)速可用風(fēng)量比橫截面得到，風(fēng)機(jī)可根據(jù)風(fēng)量與全壓進(jìn)行選擇。

中船重工707所曾做過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)，首先對(duì)風(fēng)量進(jìn)行估算，根據(jù)風(fēng)道形狀確定局部阻力系數(shù)，計(jì)算出內(nèi)外出風(fēng)口阻力損失，主要有沿程阻力損失和局部阻力損失。沿程阻力損失用下式計(jì)算：

Δ （1）

其中：λ為沿程阻力系數(shù)，l為風(fēng)道長(zhǎng)度，γ為空氣重度。局部阻力損失用下式計(jì)算：

Δ （2）

然后將計(jì)算值與風(fēng)壓對(duì)比，用逐次逼近的方法計(jì)算直到風(fēng)機(jī)風(fēng)壓滿足風(fēng)道阻力損失的要求為止，從而確定風(fēng)量。706所的具體方法是采用兩組流風(fēng)機(jī)串聯(lián)的方式增大風(fēng)壓。通過(guò)計(jì)算陀螺儀與臺(tái)體、臺(tái)體與臺(tái)體罩、臺(tái)體罩與空氣之間的換熱，最后經(jīng)過(guò)溫度實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論。實(shí)驗(yàn)表明，該風(fēng)道對(duì)溫控系統(tǒng)起到了很好的指導(dǎo)作用。為了提高50 ℃以下的適應(yīng)性，可以加大冷風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，以克服外風(fēng)道較大的風(fēng)阻，同時(shí)應(yīng)該適當(dāng)加大攪拌風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓風(fēng)量[10]。

天津航海儀器研究所也曾就風(fēng)道進(jìn)行過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)。在平臺(tái)工作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)外風(fēng)道的風(fēng)機(jī)都不能達(dá)到良好的工作狀態(tài)，其原因是由于局部壓力損失和沿程壓力損失過(guò)大，針對(duì)這種情況他們對(duì)風(fēng)道進(jìn)行了改進(jìn)：合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，以避免局部換熱；風(fēng)道橫截面面積增大，以增加換熱面積；同時(shí)截面突變盡量小，對(duì)于散熱翅片也進(jìn)行了一定的改進(jìn)。一般情況下管壁上的翅片不僅可以增加對(duì)流換熱有效面積，減少傳熱熱阻，而且可以改變流體的流動(dòng)形式和阻力分布。翅片可以間接降低熱阻從而使得換熱系數(shù)增大，美國(guó)斯坦福大學(xué)對(duì)橫向粗糙肋的圓管做了空氣流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，最佳的節(jié)距翅高比為7左右。

2.3 改善材料

對(duì)于慣性平臺(tái)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)材料常用的是鋁合金，相對(duì)來(lái)說(shuō)，它性能較好而且價(jià)格便宜，但是其熱性能在精度要求很高的慣性平臺(tái)系統(tǒng)中仍然不能滿足要求，主要體現(xiàn)在比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱穩(wěn)定性等上面。陀螺儀和加速度表在工作時(shí)，產(chǎn)生的熱量使得相關(guān)材料變形，從而影響整體系統(tǒng)的工作精度，對(duì)此有部分情況下采用了鈹材料，例如60年代研制的ST-124型穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)部件采用了鈹材，它不僅可以減輕重量，改善導(dǎo)熱性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且可以使平臺(tái)內(nèi)部框架固有頻率高于結(jié)構(gòu)共振點(diǎn)，因此，可以考慮去掉減震器，從而還可以縮小體積。但是鈹材價(jià)格昂貴，很難普及使用。

北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所曾研究過(guò)金屬基復(fù)合材料（MMCS）在慣性?xún)x表中的應(yīng)用，主要是考察到其力學(xué)性能、熱學(xué)性能、質(zhì)量要求等。許多時(shí)候相關(guān)鋁基材料可以作為鈹材的替代材料，這極大地減少了成本，MMCS具有很高的比強(qiáng)度、比模量，耐高溫且熱膨脹系數(shù)小，而且從工藝上來(lái)說(shuō)較為容易制備，因此，很適合用于慣性平臺(tái)系統(tǒng)中，該單位曾做過(guò)相關(guān)研究，研究結(jié)果表明，MMCS可以很好地提高溫度控制精度[11]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)慣性平臺(tái)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分析及熱設(shè)計(jì)做了較為全面的介紹，主要涉及常用熱分析的方法流程，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的一些熱設(shè)計(jì)方法。熱問(wèn)題對(duì)于慣性平臺(tái)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要，直接影響到其工作精度，因此需要加以重視。目前慣用的方法還比較傳統(tǒng)，主要是從溫控和隔熱等結(jié)構(gòu)改進(jìn)來(lái)改善熱問(wèn)題。在結(jié)構(gòu)上，通過(guò)改善材料來(lái)減輕熱問(wèn)題影響具有較好前景，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)材料研究較為緩慢而且難度較大。但是有研究單位使用熱涂層技術(shù)來(lái)進(jìn)行熱控制，也具有一定的效果，未來(lái)應(yīng)該有一定前景。而增加加熱片、風(fēng)道等溫控措施將會(huì)越來(lái)越規(guī)范化，配合其他方式來(lái)共同提高慣性平臺(tái)的熱穩(wěn)定性。另外，多場(chǎng)耦合的問(wèn)題也需要引起關(guān)注，有必要在熱分析時(shí)保證力、磁等性能滿足要求。預(yù)計(jì)未來(lái)的慣性平臺(tái)熱分析及熱設(shè)計(jì)將會(huì)借助計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合直接分析和設(shè)計(jì)，例如基于參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)等，屆時(shí)平臺(tái)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性將會(huì)有質(zhì)的提高。

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