姜峰 孔林 柏添 李強(qiáng)
(長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司,長(zhǎng)春 130000)
隨著航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,航天遙感相機(jī)得到快速發(fā)展,同時(shí)對(duì)圖像的清晰度有了更高的要求?;顒?dòng)焦面組件是遙感相機(jī)的關(guān)鍵部件,為了獲取更高質(zhì)量的圖像,熱控總體設(shè)計(jì)需要保證活動(dòng)焦面組件的溫度及溫度穩(wěn)定性[1]。
小功率活動(dòng)焦面組件,一般采用輻射換熱方式就可以實(shí)現(xiàn)散熱設(shè)計(jì)。隨著焦面組件上集成的電子元器件越來(lái)越密集,功耗也越來(lái)越高,輻射換熱方式的換熱效率低,導(dǎo)致焦面組件上集成的電子元器件工作溫度不能滿足要求?;顒?dòng)焦面組件都安裝移動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu),用于在軌修正離焦量,焦面電箱的活動(dòng)性使熱管無(wú)法直接安裝在焦平面組件上。另外,活動(dòng)焦面組件需要采用剛度較小的連接方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)解耦,連接組件質(zhì)量要足夠小,以避免焦面組件變形,影響成像質(zhì)量。為此,國(guó)內(nèi)外提出采用導(dǎo)熱帶(Thermal Strap)這種柔性高效熱傳遞方式實(shí)現(xiàn)焦面與散熱器高效熱耦合連接,降低冷、熱端溫度梯度,提升焦面組件溫控能力,實(shí)現(xiàn)功率較大活動(dòng)焦面組件與外界的高效換熱。
目前,國(guó)外采用一種名為K1100的柔性超強(qiáng)導(dǎo)熱碳纖維材料實(shí)現(xiàn)活動(dòng)焦面組件散熱設(shè)計(jì);國(guó)內(nèi)近幾年也開(kāi)展普通柔性石墨導(dǎo)熱帶相關(guān)研究,但是此類(lèi)導(dǎo)熱帶采用單向?qū)崧窂皆O(shè)計(jì),石墨層數(shù)設(shè)計(jì)超過(guò)50層,導(dǎo)熱帶質(zhì)量、振動(dòng)及剛度均較大。由于導(dǎo)熱帶截面方向?qū)嵝詷O差,石墨導(dǎo)熱帶超過(guò)20層,導(dǎo)熱帶的導(dǎo)熱性能隨層數(shù)增加極其緩慢,且剛度會(huì)隨石墨導(dǎo)熱帶層數(shù)設(shè)計(jì)增加快速增大,僅可用于小功率精度要求較低的活動(dòng)焦面組件。因此,國(guó)內(nèi)亟待開(kāi)發(fā)應(yīng)用于大功率(300 W以上)高精度活動(dòng)焦面組件的高性能導(dǎo)熱帶[2-4]。本文設(shè)計(jì)一種高性能柔性導(dǎo)熱帶,采用高效傳導(dǎo)換熱方式,具有高導(dǎo)熱性、低剛度等特點(diǎn),可解決活動(dòng)焦面組件散熱設(shè)計(jì)及溫度控制問(wèn)題,提高空間遙感相機(jī)成像質(zhì)量及成像時(shí)長(zhǎng)。
柔性導(dǎo)熱帶主要由剛性端子和主體段柔性導(dǎo)熱帶等組成。其工作原理為:熱剛性端子與活動(dòng)焦面組件連接,將焦面組件產(chǎn)生的熱量通過(guò)安裝接觸面?zhèn)鬟f到熱端剛性端子。熱剛性端子通過(guò)接觸面將熱量傳遞給主體段柔性導(dǎo)熱帶,主體段柔性導(dǎo)熱帶以同樣的方式將熱量傳遞到冷剛性端子,冷剛性端子與散熱器連接,通過(guò)這種高效熱耦合連接方式將傳遞的熱量通過(guò)散熱器排散到外界環(huán)境中?;顒?dòng)焦面組件需要調(diào)焦移動(dòng)時(shí),焦面連接導(dǎo)熱帶的熱端與冷端剛性端子通過(guò)柔性導(dǎo)熱帶產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[5]。
本文設(shè)計(jì)的高性能柔性導(dǎo)熱帶,主要應(yīng)用于活動(dòng)焦面組件散熱,既能夠滿足300 W以上導(dǎo)熱能力需求,又能滿足大功率高精度活動(dòng)焦面組件的質(zhì)量及剛度約束。首先設(shè)計(jì)超高導(dǎo)熱性、低剛度柔性主體段,通過(guò)一體化雙向?qū)崧窂皆O(shè)計(jì)思想,減小導(dǎo)熱帶層數(shù),降低導(dǎo)熱帶質(zhì)量,同時(shí)能大幅度提高柔性主體段的導(dǎo)熱性并降低剛度。然后,考慮活動(dòng)焦面組件的安裝方式,設(shè)計(jì)具有超小質(zhì)量與高導(dǎo)熱性的剛性端子,并對(duì)剛性端子進(jìn)行導(dǎo)熱與輕量化聯(lián)合設(shè)計(jì)。
主體段柔性導(dǎo)熱帶選用50 μm石墨導(dǎo)熱膜層疊粘貼的制作方法,導(dǎo)熱帶的長(zhǎng)度、寬度、粘貼層數(shù)是根據(jù)活動(dòng)焦面組件熱耗及溫度要求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。由于受導(dǎo)熱帶(多層石墨導(dǎo)熱膜)層間導(dǎo)熱率及剛度限制,與普通導(dǎo)熱帶不同的是,本文導(dǎo)熱帶的最大層數(shù)設(shè)計(jì)不超過(guò)10層。由于導(dǎo)熱膜層間導(dǎo)熱系數(shù)不確定,因此導(dǎo)熱帶(多層石墨導(dǎo)熱膜)等效導(dǎo)熱系數(shù)按導(dǎo)熱膜平面與層間導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行等效計(jì)算,再通過(guò)試驗(yàn)修正等效導(dǎo)熱系數(shù)。主體段柔性導(dǎo)熱帶采用回型設(shè)計(jì)(普通導(dǎo)熱帶均為條形帶狀),可使質(zhì)量減小、導(dǎo)熱性能增加1倍以上,剛度減小約50%。
圖1為剛性端子設(shè)計(jì),主要由上下剛性?shī)A具組成,夾具材料選用高導(dǎo)熱率的鋁。為減小主體段柔性導(dǎo)熱帶與活動(dòng)焦面組件之間的接觸熱阻,采用導(dǎo)熱墊安裝。剛性端子上下夾具設(shè)計(jì)M3螺釘安裝,保證主體段柔性導(dǎo)熱帶具有足夠的安裝壓力。剛性端子上設(shè)計(jì)有安裝槽和壓緊凸臺(tái),其尺寸和形狀根據(jù)活動(dòng)焦面組件及主體段柔性導(dǎo)熱帶安裝接口條件設(shè)計(jì),非安裝面上設(shè)計(jì)有減重槽,質(zhì)量設(shè)計(jì)不超過(guò)120 g。
圖1 剛性端子設(shè)計(jì)Fig.1 Rigid terminal design
剛性端子和主體段柔性導(dǎo)熱帶整體組裝如圖2所示,組裝后對(duì)主體段柔性導(dǎo)熱帶采用聚酰亞胺薄膜封裝處理,以保證導(dǎo)熱帶的高潔凈度。
圖2 柔性導(dǎo)熱帶Fig.2 Flexible thermal strap
導(dǎo)熱性能是指柔性導(dǎo)熱帶熱端剛性端子與冷端剛性端子之間的熱阻值,熱阻值越小,導(dǎo)熱性能越好。柔性導(dǎo)熱帶的熱傳導(dǎo)計(jì)算公式[5]為
(1)
式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù);A為主體段導(dǎo)熱帶截面積;δ為主體段柔性導(dǎo)熱帶長(zhǎng)度;ΔT為溫差;H為導(dǎo)熱率;R為熱阻。
柔性導(dǎo)熱帶兩端通過(guò)高效熱傳導(dǎo)方式傳遞的熱量Q與材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ、截面積A及溫差ΔT成正比,而與主體段柔性導(dǎo)熱帶長(zhǎng)度δ成反比。
柔性導(dǎo)熱帶熱阻為主體段柔性導(dǎo)熱帶與兩剛性端子串聯(lián)熱阻之和,即
RZ=RS+RJ+RL
(2)
式中:RZ為柔性導(dǎo)熱帶熱阻;RS為主體段柔性導(dǎo)熱帶熱阻;RJ和RL分別為熱端剛性端子和冷端剛性端子與主體段柔性導(dǎo)熱帶之間的熱阻,熱端與冷端剛性端子與主體段柔性導(dǎo)熱帶安裝方式設(shè)計(jì)一致,熱阻RJ與RL相等,只需要計(jì)算其中一個(gè)熱阻值。
熱端和冷端設(shè)計(jì)為鋁剛性端子,厚度設(shè)計(jì)為1.5 mm,剛性端子自身傳導(dǎo)熱阻忽略不計(jì),主要熱阻為剛性端子與主體段柔性導(dǎo)熱帶間的接觸熱阻。接觸熱阻計(jì)算[5]如下。
(3)
式中:rc為接觸導(dǎo)熱系數(shù),與剛性端子與主體段柔性導(dǎo)熱帶安裝方式有關(guān),本文采用填充導(dǎo)熱脂安裝,根據(jù)導(dǎo)熱接觸導(dǎo)熱系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)rc為0.001 m2·℃/W;A1為主體段柔性導(dǎo)熱帶與剛性端子安裝接觸面積。
柔性導(dǎo)熱帶熱阻是按設(shè)計(jì)的主體段柔性導(dǎo)熱帶尺寸和層數(shù),根據(jù)式(4)計(jì)算。
(4)
式中:λ1為導(dǎo)熱帶等效導(dǎo)熱系數(shù),與導(dǎo)熱膜平面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱膜截面導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān),根據(jù)參考選取等效導(dǎo)熱系數(shù)為900 W/(m·℃),并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果修正;主體段柔性導(dǎo)熱帶長(zhǎng)度δ按照熱端和冷端剛性端子中間位置之間的距離計(jì)算。
整理可得柔性導(dǎo)熱帶熱阻計(jì)算公式為
(5)
為了避免剛性端子接觸熱阻限制主體段柔性導(dǎo)熱帶的導(dǎo)熱性能,剛性端子設(shè)計(jì)足夠大的接觸面積,端子接觸熱阻設(shè)計(jì)小于主體段柔性導(dǎo)熱帶熱阻的1/5。柔性導(dǎo)熱帶熱阻根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì),整體導(dǎo)熱性能主要由主體段柔性導(dǎo)熱帶決定。
某衛(wèi)星活動(dòng)焦面組件要求柔性導(dǎo)熱帶安裝后活動(dòng)焦面組件與散熱器之間的等效導(dǎo)熱率(熱阻倒數(shù))大于0.4 W/℃,3個(gè)方向的剛度小于20 N/m,振動(dòng)響應(yīng)放大倍數(shù)小于1/10。表1為根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)的柔性導(dǎo)熱帶組件尺寸參數(shù),其等效導(dǎo)熱率為0.518 W/℃。
表1 柔性導(dǎo)熱帶尺寸參數(shù)
導(dǎo)熱性能仿真分析計(jì)算。首先,根據(jù)柔性導(dǎo)熱帶的設(shè)計(jì)幾何尺寸,采用殼單元建立簡(jiǎn)化剛性端子及主體段柔性導(dǎo)熱帶模型。柔性導(dǎo)熱帶等效導(dǎo)熱系數(shù)為900 W/(m·℃);導(dǎo)熱系數(shù)的取值通過(guò)試驗(yàn)修正。剛性端子與主動(dòng)段柔性導(dǎo)熱帶之間建立面與面接觸熱阻,熱阻大小為設(shè)計(jì)值。
剛性端子和主動(dòng)段柔性導(dǎo)熱帶兩側(cè)多層隔熱材料等效發(fā)射率按0.03計(jì)算。冷端剛性端子與冷板之間建立面接觸熱阻,根據(jù)設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱安裝方式計(jì)算熱阻值為0.2 ℃/W,仿真分析計(jì)算邊界條件模擬盡可能與實(shí)際情況保持一致,冷端剛性端子(冷板安裝面)仿真計(jì)算設(shè)定為不產(chǎn)生輻射換熱。冷板水平安裝在散熱板上,冷板與散熱板存在溫差,散熱板溫度在-60~+90 ℃范圍內(nèi)可調(diào)節(jié),通過(guò)接觸換熱方式間接控制冷板溫度。
熱端剛性端子加載4 W功率,散熱板溫度約束為-31.2 ℃、-23.5 ℃、4.5 ℃恒定溫度,分析計(jì)算柔性導(dǎo)熱帶不同溫度下的導(dǎo)熱性能,其溫度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。加熱端功率為4 W,熱端剛性端子與冷端剛性端子平均溫差為4.5 ℃。結(jié)合式(5)計(jì)算柔性導(dǎo)熱帶熱阻,得出其等效導(dǎo)熱率為0.57 W/℃,且柔性導(dǎo)熱帶的導(dǎo)熱性能不隨加載功率及溫度的變化而變化。仿真計(jì)算與設(shè)計(jì)的等效導(dǎo)熱率最大誤差為10%,導(dǎo)致誤差的主要原因是仿真計(jì)算柔性導(dǎo)熱帶層間的導(dǎo)熱系數(shù)參考資料選取存在偏差。
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)和仿真分析計(jì)算的導(dǎo)熱性能,進(jìn)行導(dǎo)熱性能測(cè)試。如圖4所示,柔性導(dǎo)熱帶共計(jì)粘貼12個(gè)T型熱電偶,熱電偶分布在柔性導(dǎo)熱帶的不同位置,以測(cè)量整個(gè)柔性導(dǎo)熱帶的溫度梯度。熱端剛性端子中間粘貼薄膜電加熱片,以提供恒定功率熱負(fù)載。
冷端剛性端子與冷板之間填充導(dǎo)熱脂,冷板用于提供恒定的溫度邊界。如圖5所示,為了準(zhǔn)確測(cè)量柔性導(dǎo)熱帶一維導(dǎo)熱能力,減小真空容器熱沉與柔性導(dǎo)熱帶之間的輻射換熱,柔性導(dǎo)熱帶內(nèi)外表面包覆20單元多層隔熱組件,多層隔熱組件外表面為25 μm聚酰亞胺薄膜。
在壓力小于1.33×10-3Pa的真空容器內(nèi)測(cè)量導(dǎo)熱性能,柔性導(dǎo)熱帶中間采用隔熱材料聚酰亞胺塊支撐,其冷板與真空容器載物平臺(tái)接觸,載物平臺(tái)底部安裝有液氮管路(溫度在-60~+90 ℃,可調(diào)節(jié)),通過(guò)載物平臺(tái)間接控制冷板溫度。試驗(yàn)過(guò)程中,冷板溫度與仿真分析冷板設(shè)定溫度保持一致。試驗(yàn)需要柔性導(dǎo)熱帶的熱端與冷端溫度達(dá)到平衡,根據(jù)試驗(yàn)平衡后的溫度計(jì)算導(dǎo)熱性能[6-10]。
圖5 熱試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)Fig.5 Technical state of thermal test
試驗(yàn)載物平臺(tái)的溫度為-31.2 ℃,-21.3 ℃,+4.5 ℃,柔性導(dǎo)熱帶的等效導(dǎo)熱率試驗(yàn)與設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果如圖6所示。等效導(dǎo)熱率的試驗(yàn)值介于設(shè)計(jì)與仿真值之間,最大誤差4%,在合理范圍內(nèi)。
不同加熱功率條件下仿真計(jì)算與試驗(yàn)溫度結(jié)果,如圖7所示。柔性導(dǎo)熱帶的導(dǎo)熱性能不隨溫度及加熱功率的變化而變化,其熱端與冷端的溫度與加熱功率成正比。由于層間導(dǎo)熱性差,導(dǎo)熱帶的剛性端子正反面存在溫差,溫差隨加熱功率增大。
圖6 柔性導(dǎo)熱帶等效導(dǎo)熱率結(jié)果
圖7 柔性導(dǎo)熱帶溫度結(jié)果Fig.7 Temperature results of flexible thermal strap
振動(dòng)試驗(yàn)是為了在振動(dòng)環(huán)境中暴露柔性導(dǎo)熱帶組件材料和工藝制造質(zhì)量方面的潛在缺陷,驗(yàn)證組件承受振動(dòng)環(huán)境的能力。柔性導(dǎo)熱帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件根據(jù)衛(wèi)星焦面電箱振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果制定,其3個(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件如表2所示。
在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi),柔性導(dǎo)熱帶夾具盡可能具有平坦的傳遞特性和較大的阻尼,以避免產(chǎn)生過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。柔性導(dǎo)熱帶冷端剛性端子固定在振動(dòng)臺(tái)上,熱端剛性端子與冷剛性端子之間通過(guò)制作的柔性支撐安裝。振動(dòng)加載控制點(diǎn)的確定,取決于柔性導(dǎo)熱帶在系統(tǒng)上的安裝形式。該導(dǎo)熱帶的控制是在振動(dòng)臺(tái)側(cè)面,采用單點(diǎn)控制,振動(dòng)響應(yīng)加速度傳感器粘貼剛性端子中間,如圖8所示。
表2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件
隨機(jī)振動(dòng)的預(yù)振,按正式試驗(yàn)加速度功率譜密度降低6 dB量級(jí)加載,試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)加載譜進(jìn)行記錄。試驗(yàn)前后導(dǎo)熱性能及剛度均未發(fā)生變化,在試驗(yàn)后未在柔性導(dǎo)熱帶上發(fā)現(xiàn)任何損壞痕跡。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,3個(gè)方向(X,Y,Z)的振動(dòng)響應(yīng)分別為0.3gn,0.5gn,0.4gn,振動(dòng)衰減在90%以上,說(shuō)明柔性導(dǎo)熱帶的隔振性能較好,振動(dòng)響應(yīng)極小。
圖8 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)安裝圖Fig.8 Installation diagram of random vibration test
圖9 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Results of random vibration test
柔性導(dǎo)熱帶剛度試驗(yàn)的安裝方案與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)一致,不同的是振動(dòng)條件。測(cè)量柔性導(dǎo)熱帶的固有頻率與剛性端子的質(zhì)量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果反推導(dǎo)熱帶剛度,計(jì)算公式為
(6)
式中:ω為固有頻率;K為柔性導(dǎo)熱帶剛度;M為剛性端子質(zhì)量。
柔性導(dǎo)熱帶固有頻率測(cè)量采用正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)或模態(tài)試驗(yàn)測(cè)量,正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件如表3所示。
表3 掃頻試驗(yàn)振動(dòng)
柔性導(dǎo)熱帶掃頻振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。分析試驗(yàn)結(jié)果得知:3個(gè)方向(X,Y,Z)的固有頻率分別約為5 Hz,12 Hz,7 Hz。根據(jù)振動(dòng)頻率,通過(guò)式(6)計(jì)算柔性導(dǎo)熱帶剛度,剛性端子質(zhì)量為0.12 kg,3個(gè)方向(X,Y,Z)的剛度分別為2.5 N/m,14.4 N/m,4.9 N/m。可見(jiàn),本文設(shè)計(jì)的柔性導(dǎo)熱帶剛度極小,約為普通帶狀導(dǎo)熱帶剛度的1/3,可滿足焦面組件安裝剛度要求[11]。
圖10 掃頻振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Results of sweep vibration test
在柔性導(dǎo)熱帶疲勞試驗(yàn)中,柔性導(dǎo)熱帶移動(dòng)端與振動(dòng)臺(tái)連接,另一端與支撐工裝連接,工裝與地面固定連接。疲勞試驗(yàn)采用振動(dòng)臺(tái)對(duì)柔性導(dǎo)熱帶進(jìn)行定頻試驗(yàn),試驗(yàn)條件見(jiàn)表4。柔性導(dǎo)熱帶疲勞試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)任何損壞,導(dǎo)熱性能、剛度均未發(fā)生變化。
表4 定頻試驗(yàn)條件
某衛(wèi)星焦面電箱(310 W)采用本文設(shè)計(jì)的柔性導(dǎo)熱帶散熱,試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果分別見(jiàn)圖11和圖12。由圖12結(jié)果可知:焦面電箱外殼熱控設(shè)計(jì)一般保證在10~30 ℃范圍內(nèi),未采用和采用柔性導(dǎo)熱帶散熱設(shè)計(jì),其外殼最高溫度分別為31 ℃和21 ℃。因?yàn)榻姑骐娤錅囟炔▌?dòng)與焦面電箱功率、焦面工作時(shí)間及柔性導(dǎo)熱帶的導(dǎo)熱性能相關(guān),采用柔性導(dǎo)熱帶設(shè)計(jì),焦面電箱殼溫度降低,焦面工作時(shí)溫度波動(dòng)減小,驗(yàn)證柔性導(dǎo)熱帶可以用于焦面組件散熱設(shè)計(jì),能實(shí)現(xiàn)焦面組件處于最佳成像溫度20 ℃左右,控制焦面組件溫度波動(dòng)在5 ℃內(nèi),大大提高焦面組件成像溫度穩(wěn)定性。
圖11 焦面組件熱試驗(yàn)Fig.11 Thermal test of focal plane assembly
圖12 焦面組件溫度結(jié)果
本文根據(jù)焦面組件散熱設(shè)計(jì)的高導(dǎo)熱性、低剛度、高精度等要求,設(shè)計(jì)了一種高性能柔性導(dǎo)熱帶。柔性導(dǎo)熱帶的熱仿真分析計(jì)算與導(dǎo)熱性能試驗(yàn)結(jié)果表明:試驗(yàn)與仿真結(jié)果誤差在4%以內(nèi),驗(yàn)證了導(dǎo)熱性能設(shè)計(jì)的正確性。柔性導(dǎo)熱帶的質(zhì)量可降低為300 g,等效導(dǎo)熱率為0.53 W/℃,具有超強(qiáng)的導(dǎo)熱能力。對(duì)導(dǎo)熱帶的振動(dòng)、剛度、疲勞等性能進(jìn)行試驗(yàn)研究結(jié)果表明:柔性導(dǎo)熱帶具有良好的隔振效果和超強(qiáng)柔性,其導(dǎo)熱性、剛度、隔振等性能均能滿足活動(dòng)焦面組件散熱設(shè)計(jì)要求。其在焦面電箱上的應(yīng)用結(jié)果表明:本文設(shè)計(jì)的柔性導(dǎo)熱帶可以滿足焦面組件(310 W)的散熱設(shè)計(jì)要求,焦面組件具有極好的成像溫度,能大大提高焦面成像的時(shí)間及質(zhì)量。