空空导弹电源模拟负载设计与热仿真分析

许连虎，丁新

（1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471099；2.航空工业档案馆，北京 100012）



空空导弹电源模拟负载设计与热仿真分析

许连虎1，丁新2

（1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471099；2.航空工业档案馆，北京 100012）

目的 筛选得到最优模拟负载设计方案。方法 首先对采用功率电阻实现的电源模拟负载结构进行功率和阻值关系计算，通过计算确定两套功率电阻阻值方案，然后根据空空导弹电源考核要求设计了电源模拟负载，对满足功率要求的两套阻值方案进行热仿真分析，对比选取最优的阻值方案。结果 对基于所选方案制作的模拟负载进行了热试验评估，热仿真结果与热试验结果对比偏差最大为2℃。结论 数据分析表明，热仿真所选模拟负载设计方案合理可行。

热设计；热仿真；热分析

电源系统是所有用电设备的核心系统，对于空空导弹来说，电源系统是重要组成部分，其最主要的功能是为导弹提供电源，可以形象地说是导弹的“供血系统”，而电源组件就是“心脏”［1—2］。随着空空导弹性能的不断提升，特别是自动驾驶仪技术的应用和导引头等部件电路的复杂化，用电要求也随之更加复杂，对电源系统的要求也越来越高［1—2］。电源系统的性能不高或存在设计缺陷，将直接影响导弹的技战术指标，降低导弹的可靠性。

为考核某型导弹电源组件的供电能力，需设计模拟负载，以对电源组件的性能指标进行考核。因模拟负载中使用的功率电阻、焊锡、连接线均有最高允许工作温度要求［3—5］，温度是影响其设计成败的关键［4—7］。在进行模拟负载方案设计和选择时，考虑采用热仿真分析方法［8—16］，对模拟负载的结构和热设计进行仿真验证，以确定设计方案是否可行。文中首先进行模拟负载结构设计，然后进行热仿真分析和热试验［5—7，11］，确保模拟负载结构工作在允许的温度范围内。

1　模拟负载方案设计

1.1结构设计方案

模拟负载拟采用多个功率型线绕电阻通过串、并联实现额定负载。模拟负载的结构如图1所示，由5个圆盘组成，4根连接杆将5个圆盘串联，功率电阻位于9个圆盘面上。端面和底面上各9只功率电阻，中间7个面各12只功率电阻。每个圆盘面上的电阻并联，9个盘面构成串联。最底端圆盘面上装有四芯圆形插座1只，用于连接高压热电池。

图1　模拟负载结构Fig.1　Artificial load structure

1.2电阻选择

设中间7个圆面上每只功率电阻的阻值为x，第一个和最后一个圆盘上的电阻值为y，热电池供电电压300 V，则总功率W为：

中间7个面上每只电阻的功率1W为：

前后两个面上每只电阻的功率2W为：

功率W，W1，W2和电阻值x，y的关系如图2所示。

图2　功率与电阻值的关系曲线Fig.2　Correlation between power and resistance

当电源组件的供电功率要求为5 kW时，由式（1）—（3）和图2可知：当x=25 Ω，y=15 Ω时，W=5023 W，W1=48.7 W，W2=51.9 W；当x=25 Ω，x=14 Ω时，W=5086 W，W1=49.9 W，W2=49.7 W。考虑到最前和最后的平面上电阻较少，散热较好，取x=25 Ω，x=15 Ω。

目前货架可供选用的电阻规格为：7，8，8.45，9，12，13，18，21，24，27，36，40，45，50 Ω。由公式（1）—（3）和图2可知：x=27 Ω，y=13 Ω时，W=4829 W，W1=48.6 W，W2=41.6 W；x=27 Ω，y=18 Ω时，W=4557 W，W1=43.3 W，W2=51.3 W。

通过上述计算，总功率接近5 kW的阻值方案有x=25 Ω，y=15 Ω；x=27 Ω，y=13 Ω以上两种阻值方案都可以实现5 kW功率要求，但不同阻值的电阻发热情况不同，且阻值15，25 Ω的功率电阻需要特制，为对比选择较优方案，对以上模拟负载的两种阻值方案开展热仿真分析。

2　热仿真分析

2.1试验原理、方法和步骤

两套方案除电阻值选择不同外，结构设计方案相同，因此，可在CAD模型的基础上，建立热仿真模型（CFD模型）。根据电阻选值方案赋予功率电阻相应的功耗值，开展热仿真计算，获得结构件和功率电阻的温度值、温度场分布，据此对比判断方案的优劣。

方案1：第2个至第8个面阻值取25 Ω，电阻功率为48.7 W；第1和第9个面阻值取15 Ω，电阻功率为51.9 W；模拟负载总功率W=5023 W。

方案2：第2个至第8个面阻值取27 Ω，电阻功率为48.6 W；第1和第9个面阻值取13 Ω，电阻功率为41.6 W；模拟负载总功率W=4829 W。

2.2试验数据

2.2.1热仿真条件设定

本次热仿真试验考虑热传导+对流（温差较小，辐射影响可忽略），初始温度设为35℃，环境温度为35℃，散热方式为自然冷却，流体为空气。

结构件和功率电阻材料设定为铝（2A12），密封用壳体和盖板材料设定为钛合金。方案1第1和第9个面电阻功率均设为51.9 W，第2个至第8个面电阻功率设为48.7 W；方案2第1和第9个面电阻功率均设为41.6 W，第2个至第8个面电阻功率设为48.6 W。

本次仿真时长为60 s，步长为1 s。温度监控点设置在功率电阻中心，编号与功率电阻相同。编号规则如下，安装面从左至右依次编号为1—9，各安装面功率电阻依次编号。

2.2.2热仿真结果

建立的CFD模型如图3所示。

图3　模拟负载CFD模型Fig.3　CFD model of the artificial load

按仿真条件设定进行仿真分析，模拟负载及各安装面温度，如图4、图5所示，功率电阻温升曲线如图6所示。

图4　温度云图（初始环境温度为35℃）Fig.4　Temperature cloud chart （initial ambient temperature at 35℃）

图6　功率电阻温升曲线Fig.6　Temperature rise curve of power resistance

2.2.3数据分析

通过对第3.2.2节图表数据分析，得到如下结论：高温区集中于前8个面，方案1和方案2中前8个面电阻温度均高于第9个面；方案1在初始温度35℃下瞬态工作60 s时，第2至第8个面功率电阻最高温度为77.3℃，温升42.3℃，第1个面功率电阻最高温度为76.4℃，温升41.4℃，第9个面功率电阻最高温度为62.5℃，温升27.5℃；方案2在初始温度35℃下瞬态工作60 s时，第2至第8个面功率电阻最高温度为77.2℃，温升42.2℃，第1个面功率电阻最高温度为72.3℃，温升37.3℃，第 9个面功率电阻最高温度为57.3℃，温升22.3℃；方案1第9个安装面上功率电阻温度高于方案2，60 s时温差约5.2℃。综合考虑功率和可用电阻阻值，方案2优于方案1。

3　热试验评估

按照方案2设计制造了模拟负载，将负载放置于防爆箱内，模拟负载封闭空间内自然散热工况，由热电池供电，进行了点火试验。60 s末开箱并立即用红外线测温仪对功率电阻和安装面进行测温，环境初始温度为22℃，实测温度见表1，仿真和热试验温升数据见表2。

表1　热试验数据（环境温度22℃）Table 1　Thermal test results （ambient temperature at 22℃）

表2　试验数据对比Table 2　Comparison of the test data

由热仿真与热试验数据对比可知，热仿真温升数据与热试验数据最大偏差为2℃。考虑开箱后环境变化的影响，实时监测热试验数据变动情况，发现间隔数秒测试数据基本一致，环境影响可忽略。数据分析表明，通过热仿真完成对设计方案的对比选择，并成功地对热设计效果进行了仿真预示。

4　结语

通过热仿真可对结构方案的热设计效果进行模拟计算，然后依据温度云图、温升曲线的对比分析结果，可对比选择热设计效果较好的方案。首先设计了模拟负载的结构，对功率电阻的阻值进行了计算选择，然后对两套阻值方案进行了热仿真分析，最后对选定的方案进行了热试验评估。数据分析结果表明，该方案满足设计要求，仿真为模拟负载的方案对比提供了有效、可信的数据依据。

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Design and Thermal Simulation of the Airborne Missile Power Artificial Load

Objective In order to select the optimal artificial load design plan.Methods Firstly the correlation between power and resistance was calculated for the power artificial load structure that was realized by power resistor.Two resistance plans were determined through the calculation.Then power artificial load was designed according to assessment requirements on airborne missile.Finally the optimal plan was chosen out through thermal simulation analysis.Results The thermal test evaluation was carried out for the artificial load which was made based on the selected plan.The deviation was no more than 2℃ between the results of thermal simulation and thermal test.Conclusion The data analysis indicates that the selected plan based on thermal simulation is reasonable and feasible.

thermal analysis；thermal design；thermal simulation

2016-03-11；Revised：2016-04-15

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.014

TJ76；TN06

A

1672-9242（2016）04-0083-05

2016-03-11；

2016-04-15

许连虎（1980—），男，河南人，博士，高级工程师，主要从事电子产品可靠性设计、热设计与热分析等方面的研究。

Biography：XU Lian-hu(1980—),Male,from Henan,Doctor,Senior engineer,Research focus:electronic product reliability design,thermal design and thermal analysis.