大型地面固定式相控阵雷达液冷系统设计及实现*

王建峰

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

大型地面固定式相控阵雷达液冷系统设计及实现*

王建峰

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中对某大型地面固定式有源相控阵雷达液体冷却系统的实现方式进行了阐述，通过对雷达液体冷却系统中重点关注的管网阻力特性、水泵冗余并联特性、用水单元流量分配均匀性等问题进行了研究，为大型地面固定式相控阵雷达的液体冷却系统工程设计提供了参考和借鉴。

地面固定式相控阵雷达；液体冷却系统；管网

引 言

相控阵系统在雷达电讯性能上的众多优点是不言而喻的，其有源阵面内安装有数量庞大的T/R组件、电源等功率设备[1]，并且这些设备呈分布式分布，有源阵面内的组装密度和功率密度都很高，这给雷达冷却系统提出了严峻的挑战。高效、可靠的阵面热控制实现技术一直是相控阵雷达研制过程中的关键技术之一[2]。

对于有源相控阵雷达，尤其高频段雷达，冷却系统一方面要解决阵面上所有高功率设备的散热问题，满足雷达可靠工作，另一方面还要能够确保各T/R组件温度的一致性(均匀性)要求。

液体冷却形式是目前解决总热量和热流密度都较高的阵面散热问题的有效热控制方式之一[3]。相控阵雷达中需要冷却的对象数量众多，规模庞大，因此，实现冷却流量在数量众多的冷板之间的均匀分配就成为了相控阵雷达液冷系统设计中的难点[4]。

1 设备介绍

某雷达是一部固定在地面建筑上的大型固态有源相控阵雷达，雷达结构庞大，组装密度、发热量高，其外形示意见图1。雷达中上万只T/R组件、上千只各种规格的电源等均需要冷却。雷达总发热量和单个T/R组件热耗高，组件内单个晶体管的发热密度达到了几十W/cm2。结合雷达总热耗和热流密度等技术参数，确定了液冷的冷却形式。

图1 某雷达外形示意图

由于雷达的楼层高，组件分布区域广，如果管网设计不合理，冷却系统的垂直和水平水力失调带来的水锤问题和流量分配不均不但会影响冷却系统自身长期的工作可靠性，而且会直接对组件和电源的冷却效果产生影响。

同时，冷却系统作为雷达的保障系统[5]，其任务可靠性直接制约雷达的可靠性。因此，需要对冷却系统中的关键部件(尤其水泵)进行冗余备份设计。如何解决并联冷却水泵的合流也成为了雷达冷却系统设计的一个关键问题。

2 冷却系统的实现方式

从功能上划分，雷达液体冷却系统主要包括3部分：担负与环境最终换热的末端冷却机组系统、与各功率设备换热的冷板系统以及承担冷却流量输送和分配的管网系统。

在开展冷却系统设计前，首要的工作是根据雷达T/R组件的最高工作温度、最大允许差异指标，通过仿真分析或试验测试，建立冷却系统流量及其各用水单元允许的流量差异和组件温度及其允许的差异指标之间的关联性，作为冷却系统的设计输入。该项目中，通过设计冷板样件，结合组件工作测试，构建了冷却流量指标和组件温度参数的关系。

2.1 关键问题及解决途径

对于该大型地面固定式相控阵雷达，在冷却系统实现的方式上，借鉴楼宇供暖系统的形式，采用了机械式闭式液体循环、分区域冷却、冷却机组模块化并联运行作为雷达冷却系统设计的基本思路。通过开展主要关键问题专题技术攻关和软件仿真研究，对冷却系统进行优化设计。主要关键问题解决思路如下：

(1)换热功率冬夏换匹配

与环境热交换的末端冷却机组的换热能力是按照夏季最严酷的环境温度进行设计的，春秋季和冬季时，冷却系统就会出现较大的冷却能力盈余。为了解决这个问题，将冷却单元按换热功率模块化设计，传感器检测外部环境温度和冷却系统供液温度，根据控制策略，决定换热单元投入运行的时机和数量，有效地降低了冷却系统的能耗。

(2)机组(水泵)冗余并联

机组(水泵)并联可以有效提高可靠性，但随之会带来流量匹配问题和倒灌问题。当首台机组(水泵)启动时，由于外部管网阻力偏小，水泵工作点就会沿曲线移动，流量变大，易导致工作水泵过载。所以在每台水泵的出口要设置限流装置(动态流量平衡阀)。同样，当某台水泵不工作时，会出现工作水泵流量直接从未工作的水泵管路中旁通，也会导致工作水泵过流和外循环流量下降。所以，也要在各水泵出口设置单向截止阀。

同时，在设计中，为了减少对管网系统的水力冲击，对水泵的启停设置合理的延时控制。

(3)复杂管网实现流量在数量众多的冷板之间的分配

对于液体冷却系统，管网设计至关重要，会直接影响各用水单元(冷板)的流量一致性，流量的差异将会对各冷板工作时的温度一致性产生直接影响。在进行管路设计时，将阵面内T/R组件分区域设计成一个个独立的T/R组合供回液管网，每一个电源机柜内也设计成独立的供回液管，其结构形式示意图见图2。

图2 T/R组合、电源机柜等供回液管网示意图

借鉴建筑行业供暖系统管网设计方法[6]，机组(水泵)并联管路、模块化换热单元并联管路、T/R组合供回液管网以及电源机柜供回液管网均设计成同程式管路形式。阵面内各个供回液管网模块由于数量多，分布距离广，所以采用异程式管网供液，以减少管路总长，通过设计合理的管径降低流速来满足均匀分配的要求。

(4)系统自动排气和补液

由于管路系统复杂，系统中可能混入空气，过量的气体易导致水泵发生汽蚀和喘振，直接影响水泵运行的稳定性，也会影响换热单元和冷板的换热能力。因此，在合适的位置要设置自动排气装置，设置点一般安排在流速方向发生突变的地方，并且合理设计管路口径以降低流速，以便系统加液、放液和运行中及时排出空气。另外，冷却系统中的冷却液在工作前后以及冬夏气温变化的情况下都会出现液体的膨胀和收缩，在系统的顶部设置膨胀箱，一方面可以对系统的热胀冷缩起到调节作用，另一方面可以稳定各机组(水泵)口的压力，此外还可以释放水泵启停机带来的压力冲击。

2.2 冷却系统流程设计

根据以上冷却系统解决方案，完成液冷系统流程设计，其系统流程图见图3。冷却系统由水泵组、换热机柜组、储水柜、膨胀水箱、需要冷却的用水单元(T/R组合、电源机柜)、管路系统以及冷却系统的参数检测和控制系统组成。在机组的设计中，水泵组采用三备一的冗余形式运行，换热机柜采用四备二冗余形式，以提高冷却系统的任务可靠性。

图3 液冷系统流程图

2.3 冷却系统的仿真优化

系统流程确定后，就需要对管网进行水力设计和复核计算，确定流量分配和整个冷却系统的管径等参数以及水泵等的选型，以往这些计算都是采用手工计算，工作量大，计算结果精度较低。在进行该雷达冷却系统的水力计算时，根据冷却系统设计流程图和雷达内部的实际布局，采用流体软件Flowmaster进行了计算分析。采用Flowmaster软件很容易预估掌握系统运行的总体情况，包括管网水力是否失调、水泵开关机对系统的冲击情况等，为后续雷达冷却系统的详细设计奠定基础。

在进行Flowmaster仿真分析前，需要结合冷却介质的物理特性，通过试验或仿真获得水泵的实际工作曲线、重要部件(动态平衡阀、T/R组合、电源冷板、过滤器、空冷式换热器等)的阻力特性等，作为计算仿真分析的输入。

分析中，对整个冷却系统研制过程中关心的3个问题(启动和关机的瞬态过程、平稳运行的流量阻力特性和流量分配特性)进行仿真分析，并对整个管网的管径进行优化调整。在满足流量分配均匀性的前提下，主要对水泵并联的合流管、分流管以及进入阵面的主供回管管径进行了优化调整，合理降低管径，减少冷却液总量和降低水泵功率。结合Flowmaster分析结果就可以直观地看出不同管径等参数的冷却系统的内部压力和流量分配与原先方案设计相符。该雷达冷却系统的水泵组合流管出口压力及流量瞬态分析结果见图4。

图4 水泵组合流管出口压力及流量瞬态分析结果

2.4 冷却系统运行的实际效果

在该雷达联试时，对冷却系统的运行情况和雷达的散热性能进行了测试评估，冷却系统的换热能力和流量分配均达到了原先设计要求，雷达阵面内组件间的温度差异控制在了10 ℃以内。雷达至今已交付多年，冷却系统运行平稳，阵面内未出现因散热导致的组件、电源损坏现象。

3 结束语

该冷却系统通过借鉴建筑行业供热系统相关工程技术，成功地解决了大型雷达有源阵面的热控制问题，保障了雷达的可靠工作。该液冷系统流程设计思路已在多个大型雷达产品中推广应用，为大型相控阵雷达阵面热控制提供了一个可以借鉴的整套解决方案。

[1] 张光义. 相控阵雷达系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 1994.

[2] 平丽浩, 钱吉裕, 徐德好. 电子装备热控新技术综述(上)[J]. 电子机械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[3] PRICE D C. A review of selected thermal management solutions for military electronic system[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2003, 26(1): 26-39.

[4] 王建峰. 固态有源相控阵雷达热控制技术[J]. 电子机械工程, 2007, 23(6): 27-32.

[5] 平丽浩, 钱吉裕, 徐德好. 电子装备热控新技术综述(下)[J]. 电子机械工程, 2008, 24(2): 1-9.

[6] 贺平, 孙刚. 供热工程[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.

王建峰(1975-)，男，高级工程师，主要从事雷达热设计和冷却系统的研制与开发工作。

Design of Liquid Cooling System of Large Ground-fixed Phased Array Radar

WANG Jian-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In this paper, the realization of the liquid cooling system of a large ground-fixed active phased array radar is discussed. Some main technical difficulties in this cooling system, such as the property of pipe network resistance, the property of pump redundancy parallel and the uniformity of flow distribution for water-consumption components are studied, providing reference for the liquid cooling system design of large ground-fixed phased array radar.

ground-fixed phased array radar; liquid cooling system; pipe network

2016-03-01

TN958.92

A

1008-5300(2016)02-0017-03