AMS-02航空電子設(shè)備的系統(tǒng)級熱設(shè)計(jì)和模擬.pdf

1、本文對阿爾法磁譜儀AMS-02的航空電子設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)級的熱設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化，旨在為其建立一個(gè)可靠高效的熱控制系統(tǒng)。研究來源于山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃重大項(xiàng)目“AMS-02熱系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)”(2004GG1104006)。AMS-02是一個(gè)將在國際空間站(ISS)上進(jìn)行的高能粒子實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)工況下將產(chǎn)生2.4KW的內(nèi)部熱負(fù)荷，其中超過60％的熱負(fù)荷由電子系統(tǒng)產(chǎn)生。電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)就是確保各探測器的電子箱滿足AMS-02所有環(huán)境工況

2、下的非運(yùn)行和運(yùn)行溫度要求。 文中首先對近30年來國內(nèi)外航天器在熱設(shè)計(jì)、熱分析、熱控制方法和技術(shù)上的發(fā)展進(jìn)行了綜述。找出AMS-02實(shí)驗(yàn)整體熱控制的出發(fā)點(diǎn)，即最小程度的向真空艙散熱，減小超流體氦的消耗，從而延長AMS-02的運(yùn)行壽命。根據(jù)AMS-02最大的內(nèi)部熱負(fù)荷——電子系統(tǒng)的分布特點(diǎn)和性能要求，確定電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的兩個(gè)著眼點(diǎn)：即最冷工況下的加熱片系統(tǒng)設(shè)計(jì)和最熱工況下內(nèi)嵌熱管散熱板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這也是本文的主要研究內(nèi)容。

3、 其次，根據(jù)電子系統(tǒng)的組成制定初步的熱控制方案。AMS-02各探測器的電子箱集中放置在正對真空倉WAKE和RAM側(cè)的兩個(gè)散熱板上，按照功能不同可分為3類，即標(biāo)準(zhǔn)電子箱Crates，標(biāo)準(zhǔn)電源分配箱XPDs，電源分配系統(tǒng)PDS。另外，飛行時(shí)間探測器的4個(gè)高壓電子箱也安裝在散熱板上。根據(jù)外部空間熱負(fù)荷和電子系統(tǒng)內(nèi)部熱負(fù)荷的分布，以及各電子箱的溫度范圍要求，采用被動(dòng)熱控方式為主、主動(dòng)熱控方式為輔，熱控件由主散熱板、內(nèi)嵌熱管、自動(dòng)控溫加熱系統(tǒng)、

4、多層隔熱材料和導(dǎo)熱涂層構(gòu)成的熱控系統(tǒng)。 第三，將熱控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件看作一個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，分別對其建立物理模型和熱數(shù)學(xué)模型，通過SINDA節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行各子系統(tǒng)間的導(dǎo)熱計(jì)算，各子系統(tǒng)之間及與空間環(huán)境的輻射換熱采用Monte Carlo算法，利用Thermal Desktop的RadCAD模塊計(jì)算，各子系統(tǒng)的熱邊界條件通過各自的詳細(xì)熱模型與AMS-02系統(tǒng)模型和國際空間站ISS系統(tǒng)模型交互迭代產(chǎn)生，環(huán)境數(shù)據(jù)包括軌道平均溫度，

5、輻射傳熱系數(shù)，軌道平均熱流量，以數(shù)組的形式，通過假想的平均有效輻射溫度節(jié)點(diǎn)(MERAT)傳遞給各子系統(tǒng)。這種方法極大地簡化了復(fù)雜航天器各子系統(tǒng)之間熱數(shù)據(jù)的生成和傳遞。同時(shí)，本章給出了本文的關(guān)鍵分析工況——AMS-02在ISS上的最熱和最冷極限工況的確定過程。第四，研究設(shè)計(jì)一套加熱系統(tǒng)，完成所有電子設(shè)備在最冷工況下的生存、啟動(dòng)和運(yùn)行溫度要求。根據(jù)PDS雙路電源分配模式(BusA ＆ BusB)和電子系統(tǒng)特定的啟動(dòng)順序，分別設(shè)計(jì)了三路可以自

6、動(dòng)控溫的加熱系統(tǒng)——WAKE散熱板加熱系統(tǒng)，RAM散熱板加熱系統(tǒng)，PDS加熱系統(tǒng)。這三個(gè)加熱系統(tǒng)設(shè)有專門的溫度控制器，主要利用兩個(gè)功能設(shè)置-上限開啟(Open on Rise)和上限關(guān)閉(Close on Rise)，在設(shè)定的溫度點(diǎn)通過打開和關(guān)閉所控制的加熱線路，調(diào)節(jié)加熱片總功率達(dá)到控溫目的。最后，對溫度控制器在5個(gè)冷工況下的設(shè)計(jì)目標(biāo)和加熱片在ISS上最冷工況不同運(yùn)行模式下的響應(yīng)特性進(jìn)行了分析和校驗(yàn)，結(jié)果表明加熱系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，溫

7、度控制器控溫準(zhǔn)確，不同冷工況下的功率分配合理。 第五，對散熱板內(nèi)嵌熱管的分布進(jìn)行了優(yōu)化布置，目標(biāo)是解決電源分配系統(tǒng)PDS的過熱問題。通過方案比較，綜合溫度指標(biāo)和熱硬件質(zhì)量指標(biāo)，最終確定以合理配置散熱板內(nèi)嵌熱管的方案取代在PDS基板中加設(shè)熱管的方案。另外，分別采用WAKE/RAM散熱板的極限運(yùn)行工況，對最終分布方式下的所有內(nèi)嵌熱管進(jìn)行了最大傳熱能力計(jì)算。將熱管視為具有高導(dǎo)熱系數(shù)的熱控元件，建立系統(tǒng)級熱管傳熱模型，采用傳熱因子表示

8、熱管的最大傳熱能力，利用HEATPIPE應(yīng)用程序求解。計(jì)算結(jié)果與西班牙IberEspacio公司的熱管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明所有熱管在最冷和最熱工況下都能在極限范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。 最后，在加熱系統(tǒng)和內(nèi)嵌熱管散熱板系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對電子系統(tǒng)的整體熱設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)級調(diào)整，分別考慮了電子箱與散熱板之間連接件的導(dǎo)熱和多層隔熱材料的布置更新對熱系統(tǒng)的影響。最后，對電子系統(tǒng)內(nèi)所有電子箱的暫態(tài)溫度響應(yīng)進(jìn)行了分析驗(yàn)證，工況包括最冷工況，最