轻小型、紧凑型机载光电吊舱散热技术.pdf
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1、为满足机载光电吊舱轻小型、紧凑型要求,解决光电吊舱散热问题,采用了热传导和风机内循环对流结合的散热方式,用金属结构件将发热元器件与壳体接触建立热传导通道,用风机内循环强化内部对流建立低热阻的对流换热通道,通过 ICEPAK 热仿真软件对该散热方式建模仿真计算表明:静止条件下吊舱核心处理芯片 DSP、FPGA、SoC 温升分别为:29.1、29.2、33.8,相比无风机时别降低:5.2、3.5、4.4;飞行条件下温升分别为:11.9、9.1、15.5;静止条件下,在风机内循环作用下,舱内最高环境温度较无风机内循环时降低约 5.5。通过与同等条件下高温试验数据比较,仿真温度与测试温度相差 3.1。
2、该散热方式可有效降低舱内环境和器件的温升,满足吊舱使用要求,结构简单占用空间小,适用于轻小型、紧凑型机载光电吊舱。关键词:光电探测系统;光电吊舱;散热技术;热仿真与试验 中图分类号:0439;TH74 文献标识码:A 文章编号:1001-8891(2023)08-0837-08 Thermal Management Technology of Light,Small,and Compact Airborne Photo-Electric Pod HE Yan,GUO Yu,ZENG Zhu,LIU Zhihui,FU Qiang(Sichuan Jiuzhou Electric Group C
3、o.,Ltd.,Mianyang 621000,China)Abstract:To meet the development trend of light,small,and compact airborne photoelectric pods and solve the heat dissipation problem of photoelectric pods,a combination of cooling and fan circulation convection heat dissipation was used.The contact heat components with
4、the cabin using a metal structure were employed to establish a heat conduction channel.The internal air was circulated by a fan to strengthen the internal convection and establish a low-thermal-resistance convection heat-transfer channel.Modeling simulation was performed by ICEPAK thermal simulation
5、 software,and a high-temperature working test was also conducted.The results show that the maximum temperature rise of the key processors DSP,FPGA,SoC is respectively 29.1,29.2,33.8 under static conditions and 5.2,3.5,4.4 lower than the case without fans.And the maximum temperature rise is respectiv
6、ely 11.9,9.1,15.5 under flight conditions.At the same time,under the action of internal air circulation by the fan,the maximum ambient temperature in the cabin was reduced by approximately 5.5.The maximum temperature deviation between test and simulation at the same conditions is 3.1.The thermal man
7、agement method can effectively reduce the temperature increase in the internal environment and devices inside the cabin,satisfy the requirements of pod use with a simple structure,and occupy a small space.Thus,it is suitable for light,small,and compact airborne photo-electric pods.Key words:photoele
8、ctric detection,airborne photo-electric pod,thermal management technology,thermal simulation and test 0 引言 光电吊舱是固定翼飞机、直升机、无人机等实现“广域搜索、远程探测、准确定位、快速摧毁、实时评估”的重要手段,近年来随着载机平台和作战模式的发展演化,对轻小型、紧凑型光电吊舱需求愈加迫收稿日期:2022-11-16;修订日期:2023-02-28.作者简介:何宴(1987-),男,四川南充人,硕士,工程师,主要研究方向:光电探测系统设计。E-mail:。基金项目:四川省自然科学基金(20
9、22NSFSC0884)。第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 838 切1-5。这就要求光电吊舱在轻量化、小型化的同时,还能集成多种光电传感器和电子处理组件。这必然导致舱内功率密度的显著增加,这些功率大多数是以热耗的形式扩散在光电吊舱内部,给光电吊舱的散热带来严峻的挑战。电子设备的可靠性与其温度密切相关,有统计表明其失效事件中有 55%和温度有关6;同时研究表明:电子设备温度每上升 10,则可靠性降低 60%7。所以,光电吊舱的散热设计在产品研制中重要性越发凸显。目前,常见的机载吊舱的散热措施
10、有:强迫空气对流散热:通过光电吊舱壳体内、外侧的设计散热翅片,在内侧翅片上安装离心风机,让内部热空气与内侧散热翅片强迫风冷,从而起到加强散热的效果。冲压式散热:利用冲压空气直接对电子设备进行冷却,冲压空气在气流通道上经过简单过滤、除尘处理后直接进入电子设备,与电子设备进行热量交换后随即排出。该方式经济简单,但是在静止状态下无法使用;逆冲压式散热:即冲压空气先进入涡轮降温,然后再与电子设备进行热交换,吸热后的空气进入压气机升压后排出。在逆冲压式散热基础上,为提高逆冲压式冷却空气的利用效率,有研究人员将吸热后的空气多次循环与电子设备进行热交换后再升压排出,英国的 TIALD 吊舱便采用了逆冲压式空
11、气循环散热技术。蒸汽循环散热:利用氟利昂在蒸发器内蒸发相变制冷,将该系统制冷剂所携带的热量带走,美国LANTIRN 吊舱便配备了蒸汽压缩制冷系统。措施实际是一种强化的对流换热,单独作用时换热效果有限;措施直接引入外界气流进行散热,而光电吊舱通常采用气密封设计,无法引入外界气流,而如果对电子组件和光电传感器进行分舱设计解决该问题,往往又会遇轻小型、紧凑型光电吊舱体积和重量上的限制,该类吊舱安装完光电传感器及电子组件后,内部往往没有足够空间进行复杂的散热系统设计;设计上较为复杂,同样面临体积重量上的限制8-9。针对以上措施的局限性,本文以某型轻小型、紧凑型光电吊舱为研究对象,提出了一种热传导加风机
12、内循环相结合的散热方案,即:对主要发热器件采用传导散热、同时舱内设计内循环风机,强化内部空气对流,利用光具座及电子组件安装结构件将热量传导至壳体。文章分析了光电吊舱内部热源,对光电吊舱进行了散热方案设计,利用 ICEPAK 热仿真软件仿真验证,得到光电吊舱的温度分布,同时利用实物样机进行了高温工作试验,1 散热设计 1.1 结构设计 本文中光电吊舱直径200 mm,重量为 6 kg,结构如图 1,光电吊舱由伺服稳定更正平台、负载舱组成,其中,负载舱又包括光具座、传感器、电子组件、中框、前密封盖和后盖。传感器、电子组件安装至光具座上,再跟中框连接固定,前密封盖、后盖分别与安装至中框,负载舱通过前
13、密封盖、中框及后盖实现气密封。光电吊舱的热源主要集中在负载舱内部,内部传热路径如图 2 所示,主要存在两条传热路径:热源与吊舱壳体之间的结构件热传导、舱内空气热对流,通过这两条传热路径将热量传递至壳体,在通过外界空气与壳体的对流换热传递至外界环境。所以,本文中热设计的关键是在传感器、电子组件和前密封盖、后盖以及中框之间通过结构件建立起低热阻的热传导路径,能够将热量迅速传导至外壳,以及增大舱内对流换热强度。Servo stable tracking platformBack capOptical bench,Photo-electric sensors,electronic components
14、Middle frameFront capPhoto-electric pod 图 1 光电吊舱结构 Fig.1 Structure of photo-electric pod 第45卷 第8期 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 何 宴等:轻小型、紧凑型机载光电吊舱散热技术 Aug.2023 839 Pod shellConvective heat transfer outside cabinConvective heat transfer inside cabinHeat conductionMetalstructural Heat SourceConvective heat t
15、ransfer outside cabin 图 2 传热路径 Fig.2 Heat transfer path 本文热设计方案如图 3 所示。受制于空间限制,电子组件物理上被拆分为 3 个处理模块,三者间用柔性印制板实现电气互联,处理模块 I、II、III 采用金属结构件安装至光具座,金属结构件上有凸台与发热器件接触,接触面用柔性导热垫减小接触热阻。光具座与中框的连接面设计在靠近处理模块 I、III 的地方,以减小热传导路径,降低热传导热阻;处理模块II 紧贴后盖内侧的凸台,同样贴合面也采用柔性导热垫,靠近贴合面,后盖外侧设计了散热翅片;负载舱内部采用风机内循环,搅动内部空气流动,增强内部空气
16、与壳体内侧的对流换热。1.2 热源 光电吊舱内的热源主要来源于舱内传感器和电子组件,其中传感器包括:制冷红外传感器、可见光传感器、激光测距机,其功率除极少部分通过调焦、变倍机构转换为机械能以及激光测距机发射出去的电磁能外,其功率主要以热耗的形式散发到舱内。电子组件实物及主要发热器件分布如图 4,其中 DDR9、DDR10 位于处理模块 III 背面,发热器件功耗分布详见表 1。Component Cooling fins of back capComponentComponentThe thermal interfacesof optical bench and middle frameFan
17、Back cap 图 3 光电吊舱内部散热设计 Fig.3 Internal heat management design of photo-electric pod 光电吊舱内传感器的功耗:红外热功耗 Wir15 W;可见光热功耗 Wtv3.5 W;激光测距机热功耗 Wlaser0.06 W;传感器总功率:WoWirWtvWlaser18.56 W (1)由表 1 可知电子组件 We44 W,光电吊舱负载舱总功耗 WtotalWoWe62.56 W。ComponentComponentFPGAFPGADSPSoCDDR.1DDR.2DDR.3DDR.4DDR.5 DDR.6DDR.7DDR.
18、8PM.1PM.4PM.8PM.7PM.6PM.5PM.3PM.2Component 图 4 电子组件及发热器件分布 Fig.4 Electronic components and heat devices 第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 840 表 1 发热器件功耗统计 Table 1 Heat device power consumption statistics W Component I Component II Component III Heat device Power He
19、at device Power Heat device Power DSP 10 FPGA 7 SoC 4 DDR.1 0.5 DDR.5 0.5 DDR.7 0.5 DDR.2 0.5 DDR.6 0.5 DDR.8 0.5 DDR.3 0.5 PM.3 2 DDR.9 0.5 DDR.4 0.5 PM.4 4 DDR.10 0.5 PM.1 3 PM.5 2 PM.2 2 PM.6 3 PM.7 1 Total power 44 在热稳态下,吊舱表面的热流密度:2total0.073W/cmWS (2)式中:S 为吊舱散热表面积。选用器件允许的最高环境温度为 95,当外界环境温度为 55时
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