某星載波控單機結(jié)構(gòu)設(shè)計

李正琦 任海林

摘 要：由于空間服役環(huán)境的特殊性，波控單機應(yīng)當結(jié)構(gòu)形式簡單，強度好且便于加工，且具備壽命長、可靠性高、重量輕及體積小等特點。針對其服役要求，本文開展某星載波控單機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析驗證研究，設(shè)計結(jié)果滿足相關(guān)技術(shù)指標。

關(guān)鍵詞：星載；結(jié)構(gòu)設(shè)計；波控單機

Structure Design of a Device for Spaceborne Waveform Control

LI Zheng-qi，REN Hai-lin

（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute，Anhui，Hefei，230031，China）

Abstract：In recent years，with the development of satellite technology，the structure design and verification technology of the device for sapceborne waveform control have attracted wide attention and research.Due to the particularity of the service environment of the space，structure of the device should be high strength and easy to process，as well as long service life，high reliability and miniaturization.This paper studies the structure design of the device，includes the dimension，reliability，thermal analysis and mechanical analysis，etc..

Key words：Spaceborne；structure design；waveform control device

引言

近年來，隨著衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，星載波控單機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和相關(guān)分析驗證技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究。由于空間服役環(huán)境的特殊性，波控單機應(yīng)當結(jié)構(gòu)形式簡單，強度好且便于加工，同時要求星載單機具備壽命長、可靠性高、重量輕及體積小等特點。為了滿足服役要求，本文開展該星載波控單機的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，主要內(nèi)容包括單機結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、穩(wěn)定可靠性、熱分析和力學分析等。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1單機構(gòu)成

通過對多種構(gòu)型進行比較，本單機選擇采用插件式構(gòu)型，即插件與母板結(jié)合的方式，內(nèi)部互連的線纜可在母板上實現(xiàn)，從而達到減少走線節(jié)省空間的目的。單機由CPU功能模塊插件、接口功能模塊插件、背板、機箱、電源模塊組成。電源模塊安裝在右側(cè)板上，其余4塊印制板模塊按照從左到右的順序依次固定到盒體上，印制板先通過楔形鎖緊裝置固定在側(cè)板的導(dǎo)軌上，再通過底板螺釘緊固在盒體上。電源自帶的導(dǎo)線引出到插頭后與背板上的插座相連，見圖 1所示。

圖 1 波控單機外形示意圖（去面板）

1.2單機模塊化設(shè)計

單機模塊化設(shè)計主要包括電路功能模塊、背板模塊和機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計過程中，必須考慮輻照、散熱、力學等結(jié)構(gòu)性能要求。

電路功能模塊包括CPU功能模塊插件和接口功能模塊插件，采用印制板插件結(jié)構(gòu)，把關(guān)鍵器件布局在抗輻照強、易散熱的區(qū)域，同時避開了中間力學敏感區(qū)域。將敏感的CPU功能模塊插件放在單機的中間，電源和接口功能模塊插件放在兩邊，從而減輕輻照對CPU模塊的影響。同時，在器件封裝上增加鉭片來增加抗輻照能力。由于電路板的面積比較大，設(shè)計中增加帶面板的圍框來進行加固設(shè)計來提高電路板的剛度。圍框示意圖如圖 2所示。印制板通過鎖緊裝置與側(cè)板上導(dǎo)軌緊密接觸確保熱傳導(dǎo)道路通暢，最終通過蓋板固定到機箱。在印制板與托框及鎖緊裝置之間涂抹導(dǎo)熱填料或硅脂，減少接觸熱阻，提高導(dǎo)熱效率。

圖 2 圍框示意圖

波控單機的CPU功能模塊和接口功能模塊都是通過連接器與背板相連，實現(xiàn)總線信號交互的。為了便于連接器的插針焊后檢測，使用金屬襯套將其墊高，再利用螺釘螺母固定在印制背板上，同時為了在印制背板中間預(yù)留四個加強孔，來加固印制板。

機箱模塊由前后側(cè)板，左右側(cè)板，下底板，蓋板等六塊板用螺釘拼合組成。左側(cè)板裝有接地螺釘。在保證電性能和結(jié)構(gòu)強度的前提下對結(jié)構(gòu)采取了減重措施，采用薄壁結(jié)構(gòu)，同時局部為了抗輻照的需要，局部采取了加厚措施。此外，由于單機腔體設(shè)計為密封狀態(tài)，為了保證衛(wèi)星在進入真空環(huán)境過程中內(nèi)部氣壓能迅速與外界氣壓平衡，不產(chǎn)生低氣壓放電現(xiàn)象，在機殼左右側(cè)板上設(shè)計2個放氣孔。為提高抗輻射效果，盒體內(nèi)外表面噴涂黑色溫控漆，同時側(cè)板與蓋板及底板接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂，減少接觸熱阻。結(jié)構(gòu)基材選用的是鋁合金2A12，該種基材具有質(zhì)輕、極限強度高、易加工等特點。

2熱分析

機箱的熱設(shè)計主要考慮元器件、印制板、機箱等模塊。印制板上的熱功耗以傳導(dǎo)和輻射的方式傳到機箱殼體上，最終設(shè)備的熱量一方面通過導(dǎo)熱傳導(dǎo)到艙板上，一方面通過輻射的方式向周圍環(huán)境散熱。根據(jù)設(shè)計輸入條件，波控單機必須保證設(shè)備內(nèi)所有元器件工作滿足溫度I級降額。

2.1散熱措施

波控單機內(nèi)大功率器件、增強印制板和機箱殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計都需要考慮散熱措施。具體措施如下：

1）電源模塊通過螺釘固定在殼體上，安裝面涂導(dǎo)熱硅脂。電源模塊內(nèi)大熱耗的器件主要布置在功率印制板上，功率MOS管和肖特基二極管布置在功率印制板上，通過導(dǎo)熱墊與殼體凸臺接觸導(dǎo)熱；集成電路安裝在殼體上，安裝導(dǎo)熱墊減小熱阻。

2）較大功率的器件與印制板大面積焊接，插裝器件引腳與印制板焊接，底面填充硅橡膠減小接觸熱阻；PCB為多層覆銅印制板，其內(nèi)電層專用的電源層和地層大面積覆銅，電源層和地線層為主散熱通道；器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到印制板，印制板上熱量通過印制板金屬框架、鎖緊條等金屬部件傳遞到殼體上。

3）CPU電路板、接口電路板邊緣增加了鋁制金屬框架，有利于其熱量及時向機箱殼體的傳遞；盡量加大電路印制板插件與機殼的接觸面，接觸面涂導(dǎo)熱填料；

4）盡量使元器件在印制板上分布均勻，避免出現(xiàn)熱量集中現(xiàn)象，大熱耗元器件盡量靠近電路板邊緣、底部和金屬框架，使大功率器件的散熱途徑最短。

2.2仿真模型和邊界條件

采用FLOTHRERM作為有限元分析工具，單機在軌階段工作溫度范圍-15～50℃，根據(jù)單機中元器件的特點，選取波控單機在軌工作高溫50℃連續(xù)工作作為熱分析工況。分機內(nèi)部元器件結(jié)溫應(yīng)滿足Ⅰ級降額要求的標準。

2.3分析結(jié)果

1）在軌工作高溫50℃，各主要元器件的溫度見表 1，由表可得，元器件結(jié)溫均滿足Ⅰ級降額要求。

受電源內(nèi)部元器件及波控單機內(nèi)CPU電路板及接口電路板上元器件的熱耦合影響，波控電源殼溫最高55.7℃。波控電源內(nèi)部元器件按工作溫度60℃進行了熱設(shè)計和熱分析，分析結(jié)果表明其內(nèi)部元器件滿足Ⅰ級降額要求，溫度場如圖 5所示，主要元器件的溫度見表 2。

2.4分析結(jié)論

波控單機所使用元器件均采取了有效散熱措施，熱分析結(jié)果表明，在軌工作溫度條件下所有元器件的溫度均滿足Ⅰ級降額要求，在鑒定試驗工作溫度條件下，所有元器件的溫度均沒有超過額定允許值，熱控設(shè)計符合設(shè)計要求。

3力學分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計方案確定后，應(yīng)根據(jù)力學環(huán)境進行力學分析，并根據(jù)其結(jié)果對設(shè)計進行初步的分析評價，改進設(shè)計。目前使用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行力學分析，得到其固有特性參數(shù)，并通過試驗驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以滿足型號安全性和可靠性的使用要求。

3.1力學環(huán)境輸入條件

根據(jù)實際的服役工作條件，波控單機力學試驗條件如下：

1）單機的重量、外形尺寸及安裝接口如表 3所示。

2）單機的基頻要求大于140Hz。

3）強度安全裕度要求大于0。

3.2結(jié)構(gòu)力學分析

有限元分析前后處理軟件采用通用商業(yè)軟件HypeMesh9.0/H yperView9.0，計算軟件ABAQUS 6.10。根據(jù)單機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立有限元分析坐標系和模型，如圖 6所示。材料性能參數(shù)見表 4。

為了驗證結(jié)構(gòu)的剛強度是否滿足設(shè)計要求，對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。由于結(jié)構(gòu)隨機振動的頻率范圍從10到2000Hz，因此提取了結(jié)構(gòu)2000Hz內(nèi)的所有模態(tài)，表 5列出了主模態(tài)的有效質(zhì)量，圖 7 -10為振形描述。

由上述模擬結(jié)果表明，系統(tǒng)的一階主模態(tài)固有頻率291 Hz，方向Y向。

抗力學設(shè)計分析結(jié)果表明：整機、電路板組件基頻滿足大于140HZ的要求，基頻與支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的頻率無頻率耦合現(xiàn)象，強度滿足安全裕度要求。

4結(jié)語

本文針對某星載波控單機，綜合考慮其服役環(huán)境因素等工作條件，系統(tǒng)地分析了單機結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的技術(shù)問題，如結(jié)構(gòu)構(gòu)型、抗輻照和散熱措施，并對單機整體結(jié)構(gòu)開展了熱分析和力學分析等，設(shè)計結(jié)果滿足星載服役環(huán)境要求的技術(shù)指標。在模擬分析的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開展了力學環(huán)境試驗驗證，試驗前后單機無任何異常情況發(fā)生，試驗前后的電性能測試結(jié)果一致，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，具有很強的現(xiàn)實參考意義。

作者簡介：

李正琦（1983-），男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail：271575093@163.com。

（作者單位：中國電子科技集團公司第三十八研究所）