宇航电子单机热力协同设计
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摘要：本文介绍了宇航电子单机在实际工程设计中所遇到的，因力学、热学环境严酷，导致的结构设计的冲突问题，并对此提出了一系列可行的解决方案。
关键词：电子单机;热设计;力学设计;宇航
中图分类号：TN915.05;V416 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0201-02
0 引言
宇航电子单机需要承受发射时的振动、冲击并且需要真空环境下长期使用。为了保证产品能够承受入轨前的严酷力学环境，要求产品的结构设计能够保证产品的优良的抗振动及冲击的能力;为了保证产品能够在真空环境下长时间工作，要求产品具有优良的传导散热能力。[1]
1 加固原则
电子单机一般为多个平行排列的印制板，由母板或内总线接插件连接，如图1所示。
宇航电子单机在发射过程中会经历长时间、高量级、宽频段的随机振动，并在星箭分离时受到冲击。
经过分析可知，电子器件在振动和冲击过程中的失效模式多为由于加速度超过器件所能承受范围或者由于印制板的较大变形量导致器件引脚断裂。
因此，宇航电子单机的加固设计时首先就是通过给印制板增加支撑使其刚度提升，如图2所示，进而使振动时的变形量下降，从而降低器件引脚受力。与此同时，需要通过降低安装面至模块的连接刚度从而降低外界加速度从单机安装面至模块的传递效率。
综上所述，为了满足宇航产品的力学要求，设计时一般会对印制板通过支架加固，与此同时，模块与整机之间的连接通过摩擦力限制。单机在振动冲击过程中允许模块存在微量位移如图3所示。
2 传热设计原则
由于宇航电子单机需要在真空环境下长时间使用，无法对器件采用风冷散热，因此一般都通过高导热材料或热管、均热板等依靠热传导方式量器件热量传递至单机安装面，再经由整星热控散热。其中影响单机散热能力的主要因素为各个零件间接触面的接触热阻。为了降低接触热阻，通常需要提高接触面的有效接触面积，降低接触面的粗糙度，以及在接触面之间填入导热脂或易变形金属以增加实际接触面积。
为了提高接触面的传热系数，零件接触面之间一般都需要刚性连接。
3 实际工程问题分析
从上述分析可知，要降低外界加速度从单机安装接口至模块的传递效率就无法做到所有零件间的刚性连接。这就和传热需要的零件间通过较大预紧力的刚性连接相违背。因此实际工程设计中，需承受严酷力学环境与单机具有较大热耗是难以同时满足的应用条件。但随着卫星的小型化，电子单机的功能越发集成，导致单机的热耗不断增加。另外，整星的尺寸减小导致单机与激励源的距离更近，导致单机需承受的冲击载荷也更大。越来越多的单机面临着需同时满足具有较大散热压力和较严酷的力学使用环境的两难需求。
4 设计优化措施
要解决上述问题，当从以下几个方面着手：
（1）选用非刚性连接前提下的低接触热阻的零件连接方式。传统的传热面连接方式都是依靠螺钉施加预紧力，使界面间的间隙被抹消，因此界面间的传热能力在预紧力较低时与预紧力呈现正相关关系。当螺钉影响区域充分接触，预紧力的提升则对传热能力不再有明显影响。而预紧力的提升则会造成零件间的刚性连接。为了使零件间为非刚性连接，需要通过降低界面间的预紧力使得界面在大加速度作用时呈现滑动摩擦。而要在低预紧力的前提下获得高导热能力，有以下几个方式：1）通过提高表面的光洁度，使得在较低的预紧力作用下界面间的导热能力;2）界面间填入具有导热润滑效果且在真空中不挥发的材料;3）在界面间填入润滑物质，真空中此物质挥发后界面间发生真空冷焊，从而获得更高的导热性能。
（2）使用柔性且具有高导热性能的零件作为导热零件。在设计时采用额外的导热零件将热量传导至整机热接口，导热零件不起到结构支撑作用。为了使零件具有柔性，可以将高导热材料做成膜材料，如铝箔、铜箔、石墨烯薄膜等。但由传热学可知，传热能力等于材料的传热系数×截面积。为了增加导热面积，势必要增加材料厚度，这又会增加零件刚度，与需求不符，因此可以采用多层薄膜复合制作导热零件的方式，如图4所示。对于零件与热源、散热端的接触位置将多层膜通过焊接或胶接使零件在这两个位置保证较高的层间传热能力。在零件需要保持柔性的部分则仍旧保持为松散的所层膜形式。此方案的核心在于多层膜之间的连接方式，需保证层间具有极好的导热能力。现阶段较为可靠的连接方式为通过钎焊或扩散焊[2]焊接。
（3）采用高導热率低刚度高阻尼的材料制作机壳。从理论上分析，能量从安装接口传入单机内部的过程中能量主要消耗在材料本身阻尼以及各个零件之间的动摩擦引起的力热转换。材料刚性与其高阻尼频率成负相关关系。高阻尼材料多为在弹性基材中填充颗粒的复合材料。为提高材料导热性能，且有机材料多无法承受空间辐照，无法满足使用年限要求，因此多采用金属基复合材料，这类材料只有在较高的频率下显示出其阻尼性能。为降低金属材料的刚度，常采用将材料制备为泡沫金属或编织为3D金属网的方式，而这种方式大大降低了材料内部的传热路径，造成材料传热系数急剧降低，但不可否认，寻找一种能同时满足两方面需要的性能适中的材料是可行的方向。
5 结语
宇航电子单机结构设计时需要兼顾散热和抗振抗冲击。在众多可能的方案中选择更合理且经济的设计方案，还要保证产品具有较低的质量，同时还能够满足宇航产品所要求的电搭接、抗辐照等其他要求。从前文分析可以看出，随着热、力要求的提高，迫切的需要：（1）具有导热润滑效果且在真空中不挥发的材料;（2）柔性且具有高导热性能的零件;（3）高导热率底刚度高阻尼的材料。
参考文献
[1] 韩增尧，邹元杰，朱卫红，等.航天器力学环境分析与试验技术研究进展[J].中国科学：物理学 力学 天文学，2019，49（02）：6-22.
[2] 李琪，刘凤美，侯斌，等.6061铝合金水冷板扩散焊工艺及其焊接性能[J].材料研究与应用，2018，12（04）：303-307.
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