雷達(dá)導(dǎo)引頭散熱方法研究綜述

劉 揚(yáng), 劉偉平, 莊春躍, 朱 駿

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第六軍事代表室,上海201109;2.上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

近年來,雷達(dá)導(dǎo)引頭正快速向多模復(fù)合、成像制導(dǎo)、小型化等方向發(fā)展。隨著對制導(dǎo)系統(tǒng)性能需求的大幅提升,相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭逐步取代機(jī)械掃描雷達(dá)導(dǎo)引頭[1]。相控陣?yán)走_(dá)天線T/R(Transmitter and Receiver)組件發(fā)射效率不高,陣列布置密集,導(dǎo)致T/R組件熱流密度高,其散熱問題成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸。同時(shí)近年來隨著對導(dǎo)引頭實(shí)時(shí)成像、多模制導(dǎo)、抗干擾等需求增加,使得導(dǎo)引頭對信號運(yùn)算處理能力需求激增。為滿足算力需求,信號處理單元中一般設(shè)計(jì)多片高性能DSP芯片并行計(jì)算。同時(shí)導(dǎo)引頭也逐步往小型化輕量化方向發(fā)展,使得設(shè)備散熱成為需要重點(diǎn)考慮的問題。

雷達(dá)導(dǎo)引頭工作環(huán)境空間狹小、密閉、設(shè)備集中、整體工作時(shí)間有限等特點(diǎn),決定了其熱設(shè)計(jì)與地面設(shè)備不同。目前雷達(dá)導(dǎo)引頭的散熱方式根據(jù)散熱機(jī)理分為被動(dòng)散熱和主動(dòng)散熱,包括自然傳導(dǎo)散熱、相變材料溫度控制、能量疏導(dǎo)等被動(dòng)散熱方式以及強(qiáng)制散熱等主動(dòng)散熱方式。本文將論述目前彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭所常用的散熱方法以及未來面對更加嚴(yán)苛的需求時(shí)可能發(fā)展的方向。

1 被動(dòng)散熱

被動(dòng)散熱是電子設(shè)備通過熱傳導(dǎo)以及空氣自然對流的散熱方式。一般導(dǎo)彈飛行高度較高,艙體內(nèi)空氣稀薄,電子設(shè)備靠空氣對流散熱能力差,主要通過熱傳導(dǎo)散熱。

1.1 結(jié)構(gòu)件傳導(dǎo)散熱

對于工作時(shí)間較短,發(fā)熱量不高的器件,由于印制板導(dǎo)熱率低,一般采用殼體起凸臺(tái)的方式將器件熱量傳導(dǎo)至殼體或框架等結(jié)構(gòu)件,依靠結(jié)構(gòu)件的熱沉儲(chǔ)存熱量。圖1為某信號處理機(jī)盒體散熱結(jié)構(gòu)。導(dǎo)引頭為了輕量化、小型化,一般采用鋁合金材料。彈載電子設(shè)備常用結(jié)構(gòu)件材料的物理參數(shù)如表1所示。相比其他材料,鋁合金的導(dǎo)熱性較好,熱容值在金屬材料中也較高,在發(fā)熱量不高的條件下可以滿足使用需求,該方式實(shí)現(xiàn)容易、經(jīng)濟(jì)性好。

圖1 某信號處理機(jī)盒體

表1 彈載電子設(shè)備常用熱沉材料物性參數(shù)

對于箱體中多塊印制板并列安裝的結(jié)構(gòu),會(huì)有位于中間位置的印制板的器件無法直接與殼體接觸的情況。目前常見的散熱措施包括增加印制板覆銅量和提高印制板的導(dǎo)熱性。文獻(xiàn)[2]研究了覆銅層數(shù)及覆銅百分比對于印制板平行板面方向熱導(dǎo)率的影響,結(jié)果表明增加覆銅層數(shù)及覆銅百分比有利于提高印制板的導(dǎo)熱率。另一種方式為類似搭“熱橋”的方法,如圖2所示。通過選用鋁合金或紫銅等高導(dǎo)熱率材料制成的導(dǎo)熱片,將器件與殼體連接,將熱量傳導(dǎo)至殼體。文獻(xiàn)[3]對該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了該散熱方式的有效性。

1.2 相變材料應(yīng)用

圖2 采用熱橋方式散熱

近年來隨著大功率微波器件以及高性能處理芯片的應(yīng)用,僅依靠結(jié)構(gòu)件熱沉無法滿足散熱需求。相變材料(Phase Change Materials,PCM)的應(yīng)用成為提高熱沉的重要手段。相變材料在特定溫度下從一種聚集態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種聚集態(tài),會(huì)伴隨著大量儲(chǔ)熱或放熱的現(xiàn)象,這些熱量即為相變材料的潛熱。以固-液相變?yōu)槔?在加熱到熔化溫度時(shí),會(huì)產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變,熔化過程中,相變材料吸收并存儲(chǔ)大量潛熱。常見的相變材料物理參數(shù)如表2所示,其中石蠟類相變材料具有潛熱大、無毒、無腐蝕性、相變溫度適宜、相變時(shí)體積變化率不大等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品上,國內(nèi)外均有大量關(guān)于其應(yīng)用研究的公開文獻(xiàn)[4-5]。

表2 常見相變材料物性參數(shù)

從表2中可以看出,相變材料雖然有較大的潛熱,但是其導(dǎo)熱系數(shù)較低,在應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)相變冷板導(dǎo)熱不均的情況。為解決上述問題國內(nèi)外已有多位學(xué)者開展了相關(guān)研究,解決措施主要分為兩大類:(1)增大冷熱源與相變材料的換熱面積,包括添加金屬翅片和使用泡沫金屬網(wǎng)格等;(2)在相變材料內(nèi)添加導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬顆粒來形成復(fù)合相變材料。文獻(xiàn)[6]采用雙溫度模型模擬了不同種泡沫金屬基復(fù)合相變材料的相變換熱過程。文獻(xiàn)[7]將相變儲(chǔ)能材料注入泡沫金屬材料孔隙中構(gòu)成復(fù)合相變材料,并對其進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明泡沫金屬對復(fù)合相變材料的傳熱特性有很大的改善。文獻(xiàn)[8]研究了在石蠟中添加膨脹石墨對復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。文獻(xiàn)[9]以石蠟為復(fù)合相變材料的基體,分別添加氧化銅、二氧化硅和氧化鋅的納米顆粒,通過兩步法制備多種石蠟基納米金屬復(fù)合相變材料。文獻(xiàn)[10]以乙二醇為相變基體,添加銀納米顆粒,結(jié)果表明添加納米金屬顆粒能夠明顯增強(qiáng)相變材料的導(dǎo)熱能力。

1.3 熱管技術(shù)應(yīng)用

熱管充分利用了熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速熱傳遞特性,具有極佳的導(dǎo)熱能力。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于宇航、軍工、民用電子設(shè)備等領(lǐng)域。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成,如圖3所示。熱管內(nèi)部一般被抽成負(fù)壓狀態(tài),充入適當(dāng)易揮發(fā)低沸點(diǎn)的液體,吸液芯一般由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一端為蒸發(fā)端,另一端為冷凝端。當(dāng)蒸發(fā)端受熱時(shí),毛細(xì)管中的液體迅速汽化,蒸汽在熱擴(kuò)散的動(dòng)力下流向另一端,并在冷端冷凝釋放出熱量;液體再沿多孔材料靠毛細(xì)作用流回蒸發(fā)端:如此循環(huán),直至熱管兩端溫度相等。熱管利用介質(zhì)在熱端蒸發(fā)后在冷端冷凝的相變過程,達(dá)到熱量快速傳遞的效果。

圖3 熱管結(jié)構(gòu)示意圖

相控陣?yán)走_(dá)T/R組件熱流密度高,發(fā)熱量集中,散熱是必須解決的問題。以往熱管技術(shù)主要應(yīng)用于艦載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)以及地面雷達(dá)[11,13],近年來在相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭中也得到了廣泛應(yīng)用。由于目前相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭工作時(shí)間較短,天線陣面散熱一般采用相變冷板儲(chǔ)熱的方式。隨著未來相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭功率的不斷增加以及工作時(shí)間增長,天線陣面的相變冷板厚度將越來越大,使得天線罩內(nèi)部空間緊張。特別是近幾年來發(fā)展的滑翔高超聲速武器,采用特殊氣動(dòng)外形的異形非軸對稱天線罩,罩內(nèi)可利用空間小,這對導(dǎo)引頭的布局及散熱都將是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在未來導(dǎo)引頭小型化的趨勢下,提高空間利用率是小型化的一個(gè)重要途徑。由于熱管具有極佳的導(dǎo)熱性,使得相變材料的布置不再局限于貼合天線陣面。文獻(xiàn)[14]采用熱管相變材料復(fù)合熱控裝置對相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線進(jìn)行散熱,其中相變材料布置在天線后端兩側(cè),充分利用了天線罩內(nèi)空間,減小了天線陣面的厚度。

2 主動(dòng)散熱

主動(dòng)散熱是采用低于散熱對象溫度的冷源進(jìn)行的主動(dòng)換熱方式。常見的方式有風(fēng)冷、液冷、壓縮氣體膨脹制冷、噴霧冷卻等。

由于雷達(dá)導(dǎo)引頭制導(dǎo)艙為狹小封閉空間,風(fēng)冷、液冷一般常用于導(dǎo)引頭地面連續(xù)工作調(diào)試[15]。風(fēng)冷散熱也應(yīng)用于雷達(dá)導(dǎo)引頭。對于長航時(shí)的巡航導(dǎo)彈,雷達(dá)導(dǎo)引頭需長時(shí)間開機(jī)搜索,國內(nèi)已有雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)采用相變冷板儲(chǔ)熱,信號處理機(jī)采用小型風(fēng)扇主動(dòng)散熱的方案。由于信號處理機(jī)發(fā)熱功率不大,利用風(fēng)扇散熱可以有效避免積熱,通過空氣對流充分利用艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件儲(chǔ)熱。另外由于該巡航導(dǎo)彈巡航段速度為亞音速,氣動(dòng)加熱不嚴(yán)重,艙外壁溫度較低,強(qiáng)迫風(fēng)冷也有利于艙內(nèi)設(shè)備通過艙壁進(jìn)行散熱。

壓縮氣體膨脹制冷主要用于紅外導(dǎo)引頭。紅外導(dǎo)引頭探測器需要工作在較低溫度,由于其本身發(fā)熱量較小,制冷系統(tǒng)只需將環(huán)境溫度降低至工作溫度。一般利用高壓氣瓶釋放氣體通過節(jié)流孔,利用膨脹吸熱達(dá)到快速制冷目的[16]。由于高壓氣體膨脹無相變過程,其潛熱較小,而采用液氮、液氬等介質(zhì)汽化散熱則需面臨無法長時(shí)間存儲(chǔ)、容器體積較大、使用時(shí)需要臨時(shí)加注制冷介質(zhì)等問題,將其應(yīng)用于雷達(dá)導(dǎo)引頭散熱,經(jīng)濟(jì)性和可靠性也是需要重點(diǎn)考慮的問題。

噴霧冷卻是將冷卻介質(zhì)通過霧化分解為無數(shù)的離散型小液滴,噴淋到加熱表面通過單相換熱和兩相換熱帶走熱量的一種冷卻方式。噴霧冷卻具有散熱功率高、冷卻均勻、無沸騰滯后效應(yīng)、介質(zhì)需求量小等特點(diǎn),在電子電器、冶金制造、航空航天及醫(yī)療等高熱流密度領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景。國內(nèi)外已有學(xué)者開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[17]研究了噴霧冷卻在功率電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。文獻(xiàn)[18]對比了噴霧冷卻和微噴射冷卻對電子器件的冷卻效果。文獻(xiàn)[19]進(jìn)行了閉式噴霧冷卻試驗(yàn),分析對比了不同噴嘴類型和噴霧高度下傳熱性能的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[20]以水為冷卻介質(zhì),采用半實(shí)心旋流式機(jī)械霧化噴嘴和實(shí)心機(jī)械霧化噴嘴,對影響無沸騰換熱特性的因素、強(qiáng)化換熱方法等進(jìn)行了研究。噴霧冷卻實(shí)質(zhì)是一種強(qiáng)化換熱,可以有效解決大熱流密度情況下的熱量導(dǎo)出問題,對于雷達(dá)導(dǎo)引頭封閉的工作環(huán)境,噴霧冷卻系統(tǒng)還需要配備相應(yīng)的循環(huán)收集裝置和介質(zhì)容器,同時(shí)根據(jù)需求設(shè)置儲(chǔ)熱裝置。

3 結(jié)束語

未來的導(dǎo)彈將向超聲速和高超聲速方向發(fā)展,有源相控陣?yán)走_(dá)、合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)等將廣泛應(yīng)用,雷達(dá)導(dǎo)引頭工作時(shí)長將顯著增加,巨大的發(fā)熱量將對散熱設(shè)計(jì)提出更高的要求。相變材料的應(yīng)用是目前雷達(dá)導(dǎo)引頭散熱儲(chǔ)熱的常用技術(shù),成熟度較高。未來制導(dǎo)艙空間越來越緊湊,熱管加相變材料復(fù)合散熱的應(yīng)用有利于提高空間利用率、增大相變材料的填充量。噴霧冷卻在高熱流密度領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景。