相变材料在箭载相控阵天线中的应用

葛鲁宁，石同武



相变材料在箭载相控阵天线中的应用

葛鲁宁，石同武

（上海航天电子技术研究所，上海，201109）

本文介绍了一种箭载相控阵天线冷板的工作原理和结构形式，利用相变材料的原理，解决了箭载相控阵天线工作过程中T组件散热量大的问题。通过有限元分析和试验验证，表明冷板的设计切实可行。

相控阵天线；相变材料；T组件；冷板

0 引 言

由于相变材料具有储热密度大、储热容器体积小、热效率高等优点，相变材料热储能的应用备受关注，在太阳能、航天、航空及建筑节能等领域具有广阔的应用前景[1]。在某箭载相控阵天线的设计中，由于T组件（发射单元）工作过程中效率较低，会产生大量的热，而T组件内部元器件都有一定的工作温度范围（≤65 ℃）要求，因此需要考虑散热措施。相控阵天线中传统的冷却方式主要有自然冷、风冷和水冷。在箭载环境中，自然冷却效果不明显，风冷和水冷散热方式受条件限制不宜采用。为了解决此问题，本文提出了一种基于相变机理的冷板方法，成功地解决了相控阵天线工作过程中的散热问题。

1 相变机理

相变材料（Phase Change Material，PCM）是以潜热形式储存和释放能量的材料，在相变温度范围内，相态发生变化时储存或释放的能量称为相变潜热[2]。相变材料主要应用于储能和温控方面，表面恒温时间是衡量相变材料性能的主要指标。NASA空间站太阳能热动力发电系统利用抛物型的聚能器截获太阳能，并将其聚集到吸热/蓄热器的圆柱形腔内，被吸收转换成热能，其中一部分热能传递给循环工质以驱动热发电机，另一部分热能则被分装在多个小容器内的相变蓄热材料（PCM）中，通过熔化而吸收储存起来。在轨道阴影期，PCM在相变点附近凝固放热，充当热源，使得空间站仍能连续工作[3, 4]。

石蜡是一种固-液相变材料，分为全精炼石蜡和半精炼石蜡，具有相变潜热高、几乎没有过冷现象、熔化时蒸气压力低、不易发生化学反应且化学稳定性较好、在多次吸放热后相变温度和相变潜热变化很小、自成核、没有相分离和腐蚀性、价格较低等优点[5]。

2 模型建立

综合考虑运载火箭的安装环境，在相控阵天线设计中，将冷板和T组件设计为如图1所示的结构形式。

图1 冷板外形

由图1可知，冷板的上、下面均可以用来安装T组件，T组件与冷板之间安装时粘贴导热垫，增大传热效率。

相变材料封装在冷板内部，考虑到相变材料本身的导热性较差，将冷板内部设计成肋片间隔的多腔结构，如图2所示。图2中各腔用于容纳相变材料，肋片有利于热量的传递，肋片长度小于冷板的宽度，腔体的两端可以相互连通，可以保证相变材料发生相变后在冷板内部的流通性。

图2 冷板内部原理

在冷板设计时，选用的相变材料的质量可以通过式（1）计算得出：

式中为电子元器件耗散的功率，W；e为整个储热冷板（包括变相材料和容器）的比热容，J/(kg·K)；为电子设备要求的温度控制周期，s；f为相变材料的比热容，J/(kg·K)；m为相变材料的熔解温度，℃；f为相变材料的熔解热，J/kg；1为冷板的初始温度，℃。

此外，在冷板的设计时应考虑相变材料发生相变的过程中产生体积膨胀的问题，膨胀率通常约占总体积的11%~15%，一般可采用波纹管或蜂窝状结构。在某相控阵天线的设计中，根据T组件的工作温度范围（≤65 ℃）要求，选取石蜡二十八烷C28H58作为相变材料[6,7]。天线总散热量为90 W，在温度为25 ℃的环境下要求工作时间不小于2 h。为了提高冷板设计的可靠性以及天线后续测试的需求，因此设计冷板工作时间为3 h，进而根据式（1）得出石蜡的需求量为0.42 kg。

3 散热模型有限元分析

含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态热分析问题，需要考虑相变过程中吸收或释放的潜热。利用FloEFD软件对封装了石蜡的冷板建模进行了热分析。在热分析的求解过程中，作了以下3点假设[8, 9]：

a）忽略固态区、液态区的PCM辐射换热；

b）忽略液态区PCM流动影响；

c）忽略空穴的产生。

将这3点影响忽略后，用FloEFD软件给出了T组件工作3 h后的温度云图，结果如图3所示，冷板温度曲线变化如图4所示。由图3、图4可以看出T组件的最高温度约为61 ℃，未超过T组件允许的工作温度范围，这说明采用相变材料的冷却方式理论上是可行的。

图3 热分析结果

图4 冷板温度变化曲线

4 试验验证

由于冷板是对称的，在试验过程中，采用实际结构的四分之一部分进行验证，试验件如图5所示。

图5 试验冷板

T组件采用相同功耗的模拟电阻代替。试验在室温（25 ℃）下的密闭容器中进行，采用接触式的温度测量机进行温度的测量。选取4个不同温度点进行采样，另外选取4处不同位置的典型采样点进行温度的监测。采样点1选在模拟电阻表面；采样点2选在电阻安装板，电阻安装板模拟T组件的传热面和冷板安装；采样点3选在冷板的上表面，用于安装T组件的表面；采样点4选在冷板的底表面，与安装T组件相对的表面。采样获得的具体数据见表1。

表1 温度测试数据

经过3 h的实验，对冷板储蜡腔观察发现：仅一小部分熔化成液态，大多数石蜡尚未熔化，冷板的温度最终稳定在53 ℃左右。对比仿真分析结果，冷板的温度相同。对试验数据进行分析，模拟试件没有超过T组件的允许工作温度范围，所设计的冷板可以满足T组件的散热要求，提出的设计方案切实可行。

5 结 论

通过FloEFD软件热分析和试验验证，将相变材料的冷板设计应用在箭载相控阵天线中的散热是可行的。在后续的工作中，将通过研究热源布局、改变相变材料的热导率等因素提高冷板的工作效率，进一步为箭载和星载小型相控阵天线的散热问题提供良好的解决方法。

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Application of PCM for Rockets-borne Active Phased-array

Ge Lu-ning, Shi Tong-wu

(Shanghai Spaceflight Electronic Technology Institute, Shanghai, 201109)

The paper introduces the structure and principles of a cold plate for rocket-borne phased array application. The proposed cold plate successfully cools down the T modules on working by using the phase-change material (PCM) principle. Furthermore, the feasibility of the proposed cold plate is verified by the analysis of FEM and testing of prototype plate.

Phased-array; Phase change material; T modules; Cold plate

1004-7182(2016)02-0094-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20160221

V443+.4

A

2015-01-24；

2015-02-09

葛鲁宁（1985-），男，工程师，主要研究方向为天馈线结构设计