某星載相控陣陣面主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

靳含飛，王松松

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081）

引 言

隨著星載相控陣?yán)走_(dá)性能快速發(fā)展，天線陣面口徑越來越大，陣面集成化程度越來越高，熱流密度也越來越高[1-3]，如何設(shè)計(jì)相控陣陣面主支撐結(jié)構(gòu)，使其既滿足結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度要求，又滿足熱控需求是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[4-6]。

文中陣面主支撐結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)熱支撐板及框架兩部分，承載比高達(dá)1:10，輕量化設(shè)計(jì)難度大，散熱能力高達(dá)1 150 W，熱設(shè)計(jì)要求高。導(dǎo)熱支撐板采用蒙皮+鋁蜂窩+蒙皮夾芯的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部預(yù)埋槽道熱管。目前，一米見方大維度鋁蜂窩板雖已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星艙壁、隔板等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7]，但直接用作星載相控陣天線陣面的導(dǎo)熱與承載核心部件，還可作進(jìn)一步深入研究，尤其是陣面主支撐結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)、均熱/導(dǎo)熱一體化集成設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體布局與安裝

某星載相控陣天線外形尺寸為1 178 mm（長）×1 150 mm（寬）×150 mm（高），發(fā)熱量為1 141 W，總質(zhì)量指標(biāo)為100 kg。該星載相控陣天線主要由T/R組件、天線單元、處理單元、電源模塊、時(shí)鐘分路、光纖分路和轉(zhuǎn)接板組成，天線整體通過主支撐結(jié)構(gòu)安裝在衛(wèi)星平臺(tái)上。

星載相控陣陣面采用層疊式結(jié)構(gòu)，層次分明，維修便捷。導(dǎo)熱支撐板是整個(gè)星載相控陣陣面的安裝基礎(chǔ)，正面安裝12個(gè)T/R組件，120個(gè)天線單元安裝在T/R組件上。導(dǎo)熱支撐板背面中間區(qū)域安裝12個(gè)處理單元，兩側(cè)各安裝3個(gè)電源模塊，時(shí)鐘分路、光纖分路和轉(zhuǎn)接板安裝在背面的加強(qiáng)筋上。星載相控陣陣面分解結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 星載相控陣陣面分解結(jié)構(gòu)圖

星載相控陣陣面裝配的主要安裝步驟如下：1）首先將導(dǎo)熱支撐板正面向上平放在工作臺(tái)上，將T/R組件通過12個(gè)M3螺釘安裝在導(dǎo)熱支撐板上，依次安裝完12個(gè)T/R組件；2）將天線單元通過3個(gè)M3螺釘安裝在T/R組件上，依次安裝完120個(gè)天線單元；3）在導(dǎo)熱支撐板正面安裝工裝，確保工裝上面高于天線單元，再將導(dǎo)熱支撐板翻身后反面向上；4）將處理單元通過16個(gè)M3螺釘安裝在導(dǎo)熱支撐板背面，依次安裝完12個(gè)處理單元；5）將電源模塊通過6個(gè)M4螺釘安裝在導(dǎo)熱支撐板背面指定位置，依次安裝完6個(gè)電源模塊；6）將時(shí)鐘分路模塊通過6個(gè)M4螺釘安裝在導(dǎo)熱支撐板背面加強(qiáng)筋上；7）將光纖分路模塊通過6個(gè)M4螺釘安裝在導(dǎo)熱支撐板背面加強(qiáng)筋上；8）將轉(zhuǎn)接板通過4個(gè)M4螺釘安裝在導(dǎo)熱支撐板背面加強(qiáng)筋上；9）連接各模塊之間互聯(lián)的電纜。

陣面上各模塊質(zhì)量和熱耗如表1所示。

表1 星載相控陣陣面上模塊質(zhì)量及熱耗

1.2 陣面主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陣面主支撐結(jié)構(gòu)組成部分及其尺寸和質(zhì)量如圖2和表2所示。陣面主支撐結(jié)構(gòu)分框架和導(dǎo)熱支撐板兩部分，導(dǎo)熱支撐板采用鋁蜂窩加蒙皮的結(jié)構(gòu)方案，整體比剛度和比強(qiáng)度高，重量輕。

圖2 陣面主支撐結(jié)構(gòu)組成部分

表2 陣面主支撐結(jié)構(gòu)組成部分尺寸及質(zhì)量

由于支撐板上的器件安裝孔有近千個(gè)，為確保孔位的加工精度和最大程度的減重設(shè)計(jì)，上蒙皮與預(yù)埋件采用一體化設(shè)計(jì)，整體機(jī)加工成型，蒙皮主體厚度僅為0.5 mm。支撐板內(nèi)部預(yù)埋12根鋁制雙孔槽道熱管，熱管截面尺寸為25 mm×12 mm，內(nèi)部沖注氨工質(zhì)。芯材選用六邊形高強(qiáng)度有孔鋁蜂窩，尺寸為0.05 mm×4 mm，具有重量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，滿足真空放氣要求，適用于星載環(huán)境。膠膜選用J-78B材料，中溫固化，具有膠結(jié)強(qiáng)度高、壽命長、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，適用于星載產(chǎn)品。上蒙皮、下蒙皮、蜂窩及熱管整體熱壓成型，主要工藝工程包括裁切芯材、膠結(jié)、固化、脫模及修整等。導(dǎo)熱支撐板采取低溫一次模壓成型，保證平面度及安裝精度。

安裝框架采用7075高強(qiáng)度鋁合金設(shè)計(jì)和鉚接結(jié)構(gòu)，四周的邊框、中間的加強(qiáng)筋均為機(jī)加工成型，并在四周通過鉚接成為一個(gè)整體，中間加強(qiáng)筋連接區(qū)域采用螺接方式。

導(dǎo)熱支撐板與框架之間采用螺接互連，保證設(shè)備安裝精度，支撐板與框架整體為天線單元、T/R組件等提供安裝所需的剛強(qiáng)度。

1.3 陣面主支撐熱設(shè)計(jì)

衛(wèi)星平臺(tái)在支撐板兩側(cè)提供定溫面。導(dǎo)熱支撐板熱控設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是將正面T/R組件的熱量以及背面電源和處理單元的熱量高效傳導(dǎo)至兩側(cè)，以滿足設(shè)備器件的耐溫要求。同時(shí)為了提高天線陣面的幅相一致性，需要將T/R組件的功放芯片溫度一致性控制在±5°C范圍內(nèi)。

根據(jù)散熱能力不小于1 150 W的指標(biāo)要求，結(jié)合支撐板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用12根截面尺寸為25 mm×12 mm的鋁制航天槽道熱管。熱管長1 150 mm，單根熱管攜熱能力不小于120 W，總散熱能力為1 440 W，滿足指標(biāo)要求。T/R組件、陣面電源等有源設(shè)備的熱量依次通過器件殼體→支撐板蒙皮→熱管→冷邊。導(dǎo)熱支撐板頂部兩側(cè)為散熱冷邊，與衛(wèi)星平臺(tái)通過熱管相連，具體如圖3所示。

導(dǎo)熱支撐板采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，相比于純鋁合金機(jī)加結(jié)構(gòu)，定向熱傳導(dǎo)率可以提高2個(gè)量級(jí)，高達(dá)20 000 W/(m·K)，重量可降低50%。

2 力學(xué)仿真分析

2.1 建模簡化

在不影響仿真精度的前提下，為降低仿真模型規(guī)模，提高仿真效率，需對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化處理，模型簡化基于以下原則：1）保留單元真實(shí)的物理連接關(guān)系；2）保留單元受力、約束和連接關(guān)鍵細(xì)節(jié)；3）移除對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度無影響或影響很小的部分。

2.2 仿真工況

分析設(shè)備在正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊3種條件下的應(yīng)力和變形。其中，X向?yàn)樾l(wèi)星星體飛行方向，Z向?qū)Φ孛?，Y向?yàn)闄M向。所有仿真均按產(chǎn)品鑒定級(jí)量級(jí)執(zhí)行。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件：1）20～100 Hz下功率譜密度（Power Spectrum Density, PSD）斜率為+3 dB/oct；100～600 Hz下PSD為0.2g2/Hz；600～2 000 Hz下PSD斜率為-9 dB/oct。2）總均方根值為12.82。3）方向?yàn)閄,Y,Z三向。4）試驗(yàn)時(shí)間為2 min。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件：1）5～10 Hz下的振動(dòng)幅值為11.2 mm；10～ 15 Hz 下的振動(dòng)量級(jí)為4.5g；16～ 100 Hz 下的振動(dòng)量級(jí)為18g。2）掃描率為2 oct/min。3）加載方向?yàn)閄,Y,Z三向。

沖擊試驗(yàn)條件：1）100～800 Hz下沖擊譜斜率為+9.0 dB/oct；800～4 000 Hz下沖擊譜值為2 000g。2）加載方向?yàn)閄,Y,Z三向。3）試驗(yàn)次數(shù)為2次。

2.3 正弦振動(dòng)

對(duì)天線陣面進(jìn)行3個(gè)方向的正弦鑒定級(jí)振動(dòng)仿真。Z向載荷作用下的位移最大，為1.88 mm，位于陣面中心，滿足動(dòng)載荷作用下天線變形不超過10 mm的要求。Z向載荷作用下應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為258 MPa，小于框架Al7075的屈服強(qiáng)度，滿足安全系數(shù)大于1.5的使用要求。正弦振動(dòng)支撐板最大應(yīng)力如圖4所示。

2.4 隨機(jī)振動(dòng)

對(duì)天線陣面進(jìn)行3個(gè)方向的隨機(jī)鑒定級(jí)振動(dòng)仿真。垂向載荷作用下位移最大，為1.13 mm，位于陣面中心，滿足動(dòng)載荷作用下天線變形不超過5 mm的要求。橫向載荷作用下應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為116.4 MPa，小于冷板Al7075的屈服強(qiáng)度，滿足安全系數(shù)大于1.5的使用要求。隨機(jī)振動(dòng)支撐板最大變形如圖5所示。

圖5 隨機(jī)振動(dòng)支撐板最大變形

2.5 沖擊仿真

對(duì)天線陣面進(jìn)行3個(gè)方向的沖擊鑒定級(jí)仿真。Z向沖擊載荷作用下的位移最大，為4.58 mm，位于陣面中心。Z向沖擊載荷作用下的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為222.4 MPa，小于框架Al7075的屈服強(qiáng)度，滿足安全系數(shù)大于1.5的使用要求。

2.6 仿真結(jié)論

分析上述仿真結(jié)果可知，導(dǎo)熱支撐板在正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境條件下的安全系數(shù)均大于1.5，滿足安全設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)熱性能仿真

3.1 仿真模型

利用熱仿真分析軟件對(duì)整機(jī)進(jìn)行熱分析，按照整機(jī)結(jié)構(gòu)建立仿真模型。根據(jù)導(dǎo)熱特性，簡化了如下對(duì)熱性能影響可以忽略的模型細(xì)節(jié)：1）刪除倒角、圓角、圓孔等；2）忽略螺釘和連接器零件；3）發(fā)熱芯片按照實(shí)際尺寸建模，但簡化印制板，刪除其他元器件。

3.2 參數(shù)設(shè)置

熱仿真的主要參數(shù)設(shè)置如下：1）失重環(huán)境，無地球重力影響；2）天線陣面散熱區(qū)域?yàn)?5°C定溫面；3）天線陣面器件（T/R組件、預(yù)處理、電源等）熱源均按照實(shí)際熱源設(shè)置；4）槽道熱管導(dǎo)熱系統(tǒng)按20 000 W/(m·K)等效。

3.3 仿真結(jié)果

對(duì)簡化后的模型劃分網(wǎng)格，設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行求解。天線陣面整體溫度分布如圖6所示。

圖6 天線陣面整體溫度分布云圖

提取導(dǎo)熱支撐板上T/R組件、信號(hào)處理、電源等芯片位置的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：T/R組件功放芯片殼體溫度最高為68.6°C，滿足不大于80°C的指標(biāo)要求；電源模塊殼體溫度最高為63.64°C，滿足不大于80°C的指標(biāo)要求；其余各模塊的仿真結(jié)果均滿足器件一級(jí)降額設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 力學(xué)性能驗(yàn)證

力學(xué)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證導(dǎo)熱支撐板基頻及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等力學(xué)性能，釋放結(jié)構(gòu)潛在風(fēng)險(xiǎn)。為此，力學(xué)試驗(yàn)中導(dǎo)熱支撐板結(jié)構(gòu)狀態(tài)與鑒定件狀態(tài)需保持一致，其他單機(jī)如處理單元、T/R組件、電源等均采用結(jié)構(gòu)模擬件進(jìn)行等效，模擬件的安裝接口、質(zhì)量、重心分布等參數(shù)與實(shí)物完全一致,并經(jīng)檢驗(yàn)合格。

垂向振動(dòng)試驗(yàn)如圖7所示。試驗(yàn)采用兩點(diǎn)平均控制方式，控制點(diǎn)選在導(dǎo)熱支撐板與夾具的連接處。選取T/R組件4處典型位置作為振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖7 垂向振動(dòng)試驗(yàn)

按星載鑒定級(jí)條件完成正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊所有方向的振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)后，主支撐結(jié)構(gòu)外觀良好，未發(fā)現(xiàn)開裂、撕裂、螺釘拉脫等異?，F(xiàn)象。

4.2 熱性能驗(yàn)證

系統(tǒng)熱測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。測(cè)試過程采用兩條液冷板來模擬衛(wèi)星星體的冷邊溫度，通過調(diào)節(jié)液冷源供液溫度來模擬冷邊工作溫度。測(cè)試時(shí)所有器件的熱源采用相同大小、相同功耗的加熱片來模擬。在熱源內(nèi)部及均熱板相應(yīng)位置布置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)冷板整體溫度變化。導(dǎo)熱支撐板導(dǎo)熱性能測(cè)試結(jié)果見表3。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合不同芯片的結(jié)殼熱阻可以得出不同芯片的結(jié)溫，詳細(xì)結(jié)果見表3。計(jì)算結(jié)果表明，各模塊芯片的結(jié)溫均滿足芯片最高工作溫度要求，熱測(cè)試性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖8 系統(tǒng)熱測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

表3 各芯片仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

仿真計(jì)算與測(cè)試結(jié)果表明，陣面主支撐結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度、重量和導(dǎo)熱性能均滿足指標(biāo)要求。與純鋁合金安裝基板結(jié)構(gòu)相比，蜂窩預(yù)埋熱管的方案減重50%以上，在滿足1 kW/m2的散熱條件下，T/R組件功放芯片的溫度一致性提升200%以上。文中采用的設(shè)計(jì)方案對(duì)后續(xù)星載高功率熱流密度陣面的熱設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。