王燕玲, 陳峻山, 劉亞龍, 劉 宇, 張發(fā)洋

(上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

精確打擊是現(xiàn)代高科技局部戰(zhàn)爭的一個突出特點(diǎn),精確制導(dǎo)武器在其中發(fā)揮著不可替代的作用。作為精確制導(dǎo)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一,有源相控陣?yán)走_(dá)制導(dǎo)技術(shù)突破了傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)制導(dǎo)在波束形狀、波束駐留時間、掃描方式和數(shù)據(jù)率等方面的限制。隨著國防領(lǐng)域?qū)ξ淦飨到y(tǒng)性能要求的不斷提升,有源相控陣在雷達(dá)導(dǎo)引頭上得到了越來越多的應(yīng)用。

但相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭也面臨著越來越嚴(yán)酷的散熱問題。一方面,導(dǎo)彈飛行速度越來越快,飛行時間越來越長,導(dǎo)彈在高速飛行的過程中,氣動加熱導(dǎo)致天線罩溫度越來越高。導(dǎo)引頭受天線罩內(nèi)壁高溫輻射加熱,溫度不斷上升,因而導(dǎo)引頭工作溫度也很高。目前主要通過在天線罩和導(dǎo)引頭之間加入隔熱層、在導(dǎo)引頭外表面涂覆低紅外吸收率的涂層等措施減輕天線罩內(nèi)壁對導(dǎo)引頭的加熱。

另一方面,有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線發(fā)熱量大、熱密度高。發(fā)射/接收(T/R)組件是相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線的核心組件,其工作時70%以上的電功率會轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁?。目?國內(nèi)相控陣導(dǎo)引頭T/R組件的熱密度已經(jīng)達(dá)到20 W/cm2。隨著軍用電子設(shè)備和微波器件向小型化、高集成方向飛速發(fā)展,未來T/R組件熱密度將進(jìn)一步提高。美國海軍已經(jīng)將T/R模塊冷卻的熱密度近期目標(biāo)定為1 000 W/cm2,而遠(yuǎn)期目標(biāo)更達(dá)到8 000 W/cm2,已進(jìn)入超高熱流密度范圍[1]。

在導(dǎo)彈的可用空間和導(dǎo)引頭重量的嚴(yán)苛限制下,如何有效對相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線進(jìn)行散熱,需要進(jìn)行不斷研究和探索。本文對相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線熱設(shè)計(jì)的主要技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行綜述,并總結(jié)相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。

1 相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)

彈載有源相控陣天線由天線陣面、T/R組件、移相衰減器、饋電網(wǎng)絡(luò)、和差網(wǎng)絡(luò)等組成,典型架構(gòu)如圖1所示。彈載有源相控陣天線的功能定位和體制與機(jī)載有源相控陣天線類似[2]。

圖1 彈載有源相控陣天線典型構(gòu)架

相控陣天線中天線陣面多為圓形或橢圓形,單元間距與天線工作頻率有關(guān),工作頻率越高,天線單元間距越小,則T/R組件單元的間距也越小。

有源相控陣導(dǎo)引頭天線受重量和體積的限制,熱沉熱容量有限,且導(dǎo)引頭不同工況對相控陣天線的散熱需求也不同。在導(dǎo)彈飛行狀態(tài)下,相控陣天線工作時間較短,屬于瞬態(tài)工作。在地面調(diào)試試驗(yàn)狀態(tài)下,相控陣天線需要長時間工作,要求天線熱穩(wěn)態(tài)工作。相比飛行狀態(tài),地面調(diào)試試驗(yàn)時相控陣天線的散熱空間可適當(dāng)增加。因此,要同時兼顧飛行狀態(tài)短時間瞬態(tài)工作和地面調(diào)試長時間穩(wěn)態(tài)工作的需求,根據(jù)不同工況的特點(diǎn)和要求對相控陣天線進(jìn)行綜合熱設(shè)計(jì)。

2 相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線熱設(shè)計(jì)

幾乎所有電子產(chǎn)品的冷卻都是首先通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳導(dǎo)到自身外表面,然后通過其它方式將熱量輻射到環(huán)境中。相控陣天線熱設(shè)計(jì)的核心技術(shù)包含兩方面:高效熱傳導(dǎo)和高效熱吸收。

2.1 高效熱傳導(dǎo)

由于相控陣導(dǎo)引頭工作初始溫度較高,而T/R組件內(nèi)部發(fā)熱芯片最高允許工作溫度為固定值,組件自身可用的結(jié)構(gòu)顯熱較小。要求發(fā)熱芯片與外部結(jié)構(gòu)之間的溫差盡量小,從而有效利用組件自身結(jié)構(gòu)和外部安裝結(jié)構(gòu)件的熱容。影響相控陣天線熱量傳遞速度的主要因素是T/R組件殼體及內(nèi)部材料的導(dǎo)熱系數(shù)、T/R組件與外部模塊之間的接觸熱阻。因此熱傳導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展主要圍繞提高導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱性能、減小接觸熱阻兩方面展開。

(1)金剛石殼體材料

T/R組件是相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭中發(fā)熱量最大、熱流密度最大的熱源。為降低T/R組件內(nèi)部發(fā)熱芯片與外界的熱阻,國內(nèi)已經(jīng)嘗試采用高導(dǎo)熱金剛石/銅作為組件殼體材料[3],T/R組件金剛石/銅殼體如圖2所示。金剛石/銅材料導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)500 W/m·K,借此擴(kuò)展傳熱通道,可以降低傳熱熱阻和界面層熱阻。

圖2 T/R組件金剛石/銅殼體示意圖

(2)導(dǎo)熱界面材料

在高熱流密度條件下,T/R組件與冷板、框架等其他模塊安裝時,其接觸熱阻對散熱的影響十分顯著。

導(dǎo)熱界面材料(thermal interface materials,TIM)就是為了有效減小接觸熱阻而開發(fā)的一類材料,TIM對熱阻的影響如圖3所示。圖中,RC1,RC2分別為材料熱阻;dBLT為TIM厚度;kTIM為TIM導(dǎo)熱系數(shù);Rbulk=dBLT/kTIM為TIM熱阻。熱阻越大,材料1和材料2之間的溫差就越大。

圖3 TIM對熱阻影響圖

目前,相控陣天線發(fā)熱電子組合常用TIM導(dǎo)熱系數(shù)一般為(2～15)W/m·K,對于一些不經(jīng)常拆裝的接觸面采用相變TIM,導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)30 W/m·K以上。隨著熱流密度的不斷增加,市場上出現(xiàn)了一些新型的TIM,如添加金屬和金剛石粉末的TIM,其導(dǎo)熱系數(shù)已接近100 W/m·K。文獻(xiàn)[4]研究了一種表面納米結(jié)構(gòu)TIM,該材料通過自身的放熱反應(yīng)可以成功將芯片與導(dǎo)熱模塊焊接在一起,從而極大降低接觸熱阻。

(3)熱管

熱管是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的。熱管的發(fā)明突破了傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的限制,是導(dǎo)熱方式的一次重大革命。熱管導(dǎo)熱系數(shù)一般比金屬高一個量級,可達(dá)到(2 000～5 000)W/m·K。

熱管目前已經(jīng)在相控陣?yán)走_(dá)電子設(shè)備冷卻中得到了成功應(yīng)用[5]。在相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線熱設(shè)計(jì)中,已有產(chǎn)品通過在T/R組件的安裝框架內(nèi)布置U型熱管散熱,如圖4所示。熱管可以提高框架導(dǎo)熱系數(shù),從而極大提高熱量導(dǎo)出效率。

圖4 U型熱管散熱示意圖

2.2 高效熱吸收

通過高效導(dǎo)熱技術(shù)將T/R組件產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出后,需要再通過高效散熱方式,將熱量散發(fā)到環(huán)境中。在地面調(diào)試狀態(tài)下,風(fēng)冷和液冷散熱是相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭主要的散熱方式;在飛行狀態(tài)下,依靠熱容和相變的被動散熱是主要的散熱手段。

(1)風(fēng)冷散熱

強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是在額定耗散功率下,力求使用最小的驅(qū)動功率,使電子器件溫度低于允許的最高安全工作溫度,以確保電子器件的壽命。在調(diào)試狀態(tài)下,相比于自然冷卻方式,強(qiáng)迫風(fēng)冷具備散熱能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可靠、體積小、重量輕等諸多優(yōu)勢。在相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線發(fā)熱功率較小時,可通過外部風(fēng)機(jī)對天線外表面進(jìn)行風(fēng)冷散熱,滿足天線長時間工作需求。

(2)液冷散熱

相控陣天線在研制過程中要面臨多種工況的熱設(shè)計(jì)需求,在地面調(diào)試長時間穩(wěn)態(tài)工作情況下,應(yīng)用較為廣泛的是液冷冷板散熱方式。

相控陣天線T/R組件的陣列對溫度一致性的要求較高,陣面溫度不均勻會引起T/R組件相位變化,從而導(dǎo)致天線整體性能下降,甚至不可用。因此,液冷冷板散熱需重點(diǎn)考慮液冷狀態(tài)下陣面的均溫性能。

集成流道式液冷設(shè)計(jì)集成度高,可同時滿足多種工況散熱需求。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同,常見的集成液冷流道式冷板有框架、框架+冷板、天線安裝板等三種集成流道散熱方式,如圖5所示。

圖5 集成液冷流道式冷板散熱示意圖

框架集成流道散熱方式的通道溫度一致性較差,框架+冷板集成流道散熱方式需要的金屬冷板占用空間較大,而天線安裝板集成流道散熱方式應(yīng)用較為廣泛。天線安裝板集成流道散熱是通過將液冷流道與天線陣面框架結(jié)構(gòu)集成起來,預(yù)留液冷接口,長時間調(diào)試的時候外接液冷機(jī)組進(jìn)行散熱。文獻(xiàn)[6-7]分別對天線安裝板集成冷板散熱進(jìn)行了流道優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[8]以某型天線T/R組件為研究對象,提出采用集中冷板與分散冷板相結(jié)合的方式進(jìn)行散熱。設(shè)計(jì)并分析了多種T/R組件分散冷板的熱特性,提出了一種綜合散熱性能優(yōu)異的陣列熱源均溫微通道冷板結(jié)構(gòu)。基于T/R組件的排布特點(diǎn),配合集中冷板分形流道的不對稱設(shè)計(jì),T/R組件間具有較好的溫度一致性。

(3)熱沉散熱

在飛行狀態(tài)下,相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭解決散熱問題的常規(guī)方法是采用熱沉,即將熱量快速傳導(dǎo)給儲熱裝置以達(dá)到局部控溫的目的。因此,儲熱裝置必須儲熱量大并且導(dǎo)熱快。傳統(tǒng)熱沉以金屬制成的儲熱裝置最為常見?？紤]到環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、制造工藝性、電磁兼容性和導(dǎo)熱性等因素,鋁合金的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、可加工性等方面有成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),密度、剛度、抗腐蝕性等各項(xiàng)性能均能滿足相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭散熱的要求,是目前最常用的彈載產(chǎn)品熱沉材料。

(4)相變散熱

相變散熱是指通過相變材料(phase change materials,PCMs)的相變潛熱特性來實(shí)現(xiàn)儲熱和散熱的方法。相變材料是指發(fā)生相變時,能夠吸收或放出熱量而其本身溫度不變或變化不大的一種材料,也可稱為潛熱儲能材料(latent thermal energy storage materials,LTESM)。相變過程的物態(tài)轉(zhuǎn)化形式有固-固、固-液、固-氣和液-氣四種。在相變過程中溫度近似恒定,材料吸收或者釋放出的熱能即為相變潛熱。相變過程提供了另外一種能量轉(zhuǎn)換形式。相比于金屬材料,相同體積或重量的相變材料可在相變過程中吸收大量相變潛熱,并保持溫度相對穩(wěn)定,這一特點(diǎn)使相變材料成為一種非常有優(yōu)勢的儲熱材料。采用相變散熱有利于設(shè)備的小型化、輕量化設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)金屬熱沉的熱容量與體積、重量的矛盾。

導(dǎo)引頭相變溫控裝置主要由殼體、增強(qiáng)筋換傳熱結(jié)構(gòu)和相變材料等組成,結(jié)構(gòu)如圖6所示。將相變材料進(jìn)行封裝,制成具有儲熱溫控功能的單元構(gòu)件,可以解決狹小封閉空間、高功率、長航時工作的散熱問題[9-10]。

圖6 導(dǎo)引頭相變散熱溫控裝置結(jié)構(gòu)圖

3 發(fā)展趨勢

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線T/R組件發(fā)熱量越來越大,在飛行狀態(tài)下采用被動散熱方式將很難滿足散熱要求。為解決100 W/cm2以上的高熱耗問題,提出了一些新的熱控技術(shù),其中多相蒸發(fā)換熱、噴霧冷卻等新型冷卻方式,能夠在流體溫度不變的情況下迅速帶走大量的熱量。

3.1 蒸發(fā)換熱

蒸發(fā)換熱是將電子器件直接浸沒在液態(tài)絕緣相變介質(zhì)中,由發(fā)熱組件耗散的熱量加熱相變介質(zhì),絕緣相變介質(zhì)在芯片表面發(fā)生液-氣相變,從而隨蒸汽帶走熱量。浸沒相變介質(zhì)的蒸發(fā)換熱如圖7所示。

蒸發(fā)換熱具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn),在電子散熱領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。目前浸沒蒸發(fā)換熱技術(shù)主要應(yīng)用于服務(wù)器芯片散熱。

但如將蒸發(fā)換熱應(yīng)用于飛行狀態(tài)的相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭散熱,尚需解決蒸發(fā)換熱絕緣相變介質(zhì)的密封問題和介質(zhì)的絕緣、壽命問題。

3.2 噴霧冷卻

對于相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭高熱流密度T/R組件,在常規(guī)被動散熱方式無法滿足需求的情況下,必須考慮采用主動冷卻方式。基于沖擊射流的噴霧冷卻是一種具有良好散熱性能的冷卻方式,如圖8所示。

圖8 噴霧冷卻示意圖

噴霧冷卻[11]具有很高的換熱系數(shù)。與其他散熱方式相比,噴霧冷卻具有散熱能力強(qiáng)、冷卻過程溫差小、工質(zhì)需求量小、沒有沸騰的滯后性、與固體表面之間沒有接觸熱阻等優(yōu)點(diǎn)。目前噴霧冷卻已取得了大量的研究成果,并在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

6A-EB機(jī)載雷達(dá)散熱系統(tǒng)中就使用了噴霧冷卻技術(shù)。噴霧冷卻被業(yè)界當(dāng)作最有前景的緊湊式散熱方式之一,美國某大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室里已能實(shí)現(xiàn)最大熱流密度500 W/cm2的芯片冷卻。

文獻(xiàn)[12]以某X波段相控陣?yán)走_(dá)為例,設(shè)計(jì)了微型旋流霧化噴嘴,并將其集成到一體化冷板上,利用噴霧冷卻對安裝在冷板上的T/R組件進(jìn)行散熱,如圖9所示。

圖9 與冷板集成的噴霧冷卻散熱示意圖

將機(jī)載噴霧冷卻系統(tǒng)小型化,并與T/R組件聯(lián)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),將是未來相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線散熱的又一重點(diǎn)發(fā)展方向。

未來相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線冷卻散熱系統(tǒng)不僅對高新熱控技術(shù)的需求會越來越大,同時將需根據(jù)不同環(huán)境特點(diǎn)以及工作方式,采用多種熱控方式協(xié)同工作的熱控技術(shù),為相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭正常工作提供良好的環(huán)境條件。

4 結(jié)論

相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭天線熱設(shè)計(jì)是相控陣制導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文對有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭在實(shí)際應(yīng)用和研制過程中面臨的散熱問題進(jìn)行了探討,根據(jù)不同工況的散熱需求,提出了不同的散熱解決措施。對導(dǎo)引頭飛行狀態(tài)、調(diào)試狀態(tài)下的高效熱傳導(dǎo)和高效熱儲能技術(shù)進(jìn)行了分析,為相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭的熱設(shè)計(jì)提供了參考。