0 引言

    衛(wèi)星電源會(huì)直接影響衛(wèi)星的性能和使用壽命，對(duì)其正常工作和使用至關(guān)重要。然而衛(wèi)星的工作環(huán)境惡劣、復(fù)雜，如溫度變化范圍寬、條件變化快和高頻顆粒輻射等^[1-4]。已有的文獻(xiàn)[5-6]也指出，由于紫外線(xiàn)輻射、捕獲的電子和質(zhì)子等，太陽(yáng)能電池板會(huì)經(jīng)歷逐漸和突然的功率損耗?？臻g軌道上的所有這些條件都不能通過(guò)地面的太陽(yáng)能板來(lái)再現(xiàn)^[7]。所以采用太陽(yáng)能電池陣列模擬器模擬和測(cè)試空間工況下太陽(yáng)陣的輸出特性是有重要意義和至關(guān)重要的。

    空間太陽(yáng)能電池模擬器(Space Solar Array Simulator，SSAS)的主要任務(wù)是在衛(wèi)星地面測(cè)試階段模擬實(shí)際太陽(yáng)能電池方陣在空間的工作狀況，代替實(shí)際太陽(yáng)能電池方陣為衛(wèi)星上各分系統(tǒng)供電，是空間電源地面測(cè)試系統(tǒng)必不可少的組成部分^[8-9]。SSAS可用于不同特性及不同工況的太陽(yáng)陣輸出特性的模擬。SSAS的特殊要求，大大簡(jiǎn)化了地面測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)，也提高了地面測(cè)試系統(tǒng)的效率，縮短了空間電源系統(tǒng)從研發(fā)到產(chǎn)品正樣的周期^[10]。

    針對(duì)太陽(yáng)能陣列模擬器要求在體積為2U的機(jī)箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)2.4 kW的功率等級(jí)，初步計(jì)算該2U機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生的熱量約為800 W，考慮高功率密度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的特點(diǎn)選用了強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式。該系統(tǒng)中的散熱器和風(fēng)扇尺寸不一致且距離較遠(yuǎn)，使得風(fēng)道的建立和優(yōu)化設(shè)計(jì)成為至關(guān)重要的問(wèn)題。在不增加散熱器和風(fēng)扇的體積與重量的前提下有效提高散熱系統(tǒng)效率是合理優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)道的目標(biāo)，而優(yōu)化散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵則是引導(dǎo)冷卻氣流沖擊散熱表面，提高進(jìn)入散熱系統(tǒng)冷卻風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量，進(jìn)而提高散熱效率^[11-20]。

1 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)

    強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括散熱風(fēng)扇選型、散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。風(fēng)扇的兩個(gè)主要參數(shù)是風(fēng)量和風(fēng)壓，風(fēng)量取決于系統(tǒng)的總熱耗，風(fēng)壓與機(jī)箱系統(tǒng)的風(fēng)道設(shè)計(jì)及散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。散熱器依據(jù)由熱耗和風(fēng)壓決定的熱阻值選擇，風(fēng)壓通過(guò)系統(tǒng)的特性曲線(xiàn)表示^[21]。

    由能量守恒原理計(jì)算系統(tǒng)所需的總風(fēng)量為^[22]：

式中：P為散熱系統(tǒng)冷卻風(fēng)道內(nèi)的阻力，單位為Pa；λ為風(fēng)道內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)；R_s為冷卻風(fēng)道的水力半徑，單位為m；v為冷卻空氣在風(fēng)道內(nèi)的平均流速，單位為m/s；y為冷卻風(fēng)道長(zhǎng)度即散熱器的長(zhǎng)度，單位為m。

2 模擬器的散熱風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)

    由電氣設(shè)計(jì)給出的電路圖和電器件確定太陽(yáng)能電池陣列模擬器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，綜合散熱設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣性能的需求，將該模擬器布局劃分為線(xiàn)性、投切和Vicor三個(gè)模塊分別單獨(dú)設(shè)計(jì)，各模塊的獨(dú)立散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖2、圖3、圖4所示。

    由圖2可以看出該部分散熱器的橫截面尺寸和風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)尺寸相同，因此采用規(guī)則形狀的長(zhǎng)方體腔體構(gòu)建風(fēng)罩即可，不再進(jìn)行詳細(xì)研究。而對(duì)于圖3所示的Vicor部分考慮Vicor模塊的壓接式無(wú)螺紋特殊安裝要求，選用了Vicor自配的散熱器，使得該部分散熱器與風(fēng)扇之間的風(fēng)道不能通過(guò)規(guī)則形狀的長(zhǎng)方體風(fēng)罩連接。于是本文設(shè)計(jì)了一款如圖5所示的喇叭形的風(fēng)罩連接散熱器與風(fēng)扇之間的風(fēng)道。同時(shí)對(duì)于圖4所示的投切部分，其散熱系統(tǒng)風(fēng)道與Vicor部分類(lèi)似，因此該部分的風(fēng)道設(shè)計(jì)可參照Vicor部分。

3 散熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬

    以Vicor部分的風(fēng)道為例進(jìn)行有限元仿真分析，分別從風(fēng)速和溫度的分布圖兩方面進(jìn)行分析。

    圖6和圖7分別是風(fēng)道優(yōu)化前后散熱系統(tǒng)Y-Z切面的速度矢量圖，由圖6可以看出優(yōu)化前大部分冷卻風(fēng)流線(xiàn)向散熱器的上下兩個(gè)方向偏折，極少部分流量通過(guò)散熱器，散熱器表面的傳熱系數(shù)達(dá)不到預(yù)期值，模塊的溫度偏高，達(dá)到了123 ℃。同時(shí)兩個(gè)吹風(fēng)風(fēng)扇的出口和兩個(gè)抽風(fēng)風(fēng)扇的進(jìn)口附近分別出現(xiàn)了上下兩個(gè)分離渦，該分離渦降低了部分氣流的流速，降低了散熱效率。為避免這種現(xiàn)象，構(gòu)建一個(gè)收縮型的風(fēng)道，既可以消除分離渦的影響，又可以增大通過(guò)散熱器的風(fēng)量，本文建立的收縮型風(fēng)道為喇叭形的風(fēng)罩，兩端分別連接風(fēng)扇和散熱器。圖7所示為風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)后的Y-Z切面速度矢量圖，優(yōu)化后大部分的風(fēng)量都進(jìn)入了散熱器內(nèi)部進(jìn)行冷卻，且優(yōu)化前的分離渦都得以消除，該條件下模塊的最高溫度降低到了87 ℃，低于最高允許溫度125 ℃。

    圖8和圖9分別表示了模擬器設(shè)備內(nèi)對(duì)Vicor模塊部分增加喇叭形風(fēng)罩前后殼溫的穩(wěn)態(tài)分布結(jié)果?？梢钥闯?，安裝風(fēng)罩前模塊的最高殼溫達(dá)到了123 ℃，超出了模塊的允許結(jié)溫要求125 ℃，器件不能正常工作。這主要是因?yàn)樵撛O(shè)備中風(fēng)扇與散熱器組件的橫截面尺寸大小不一致，風(fēng)扇很大部分的風(fēng)量實(shí)際都不能吹進(jìn)散熱器翅片內(nèi)部參與冷卻。安裝喇叭形的風(fēng)罩后風(fēng)扇的風(fēng)量全部被引導(dǎo)吹進(jìn)散熱器的翅片表面，且安裝風(fēng)罩后設(shè)備內(nèi)模塊的最高殼溫比無(wú)風(fēng)罩的設(shè)備降低了約36 ℃，說(shuō)明安裝風(fēng)罩后更多的冷卻空氣參與了熱交換，散熱效果得以增強(qiáng)。因此，合理設(shè)計(jì)風(fēng)道的關(guān)鍵即是要引導(dǎo)盡可能多的冷卻氣流沖擊散熱器表面，充分利用風(fēng)量以增強(qiáng)熱交換，提高散熱效率。

4 散熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    圖10所示為模擬器穩(wěn)態(tài)熱實(shí)驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)，應(yīng)用風(fēng)速儀DT620、數(shù)據(jù)記錄儀LR8401-02分別測(cè)量設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口處冷卻空氣的流速和監(jiān)測(cè)散熱器表面的溫度變化過(guò)程，用紅外攝像儀FLUKE TI32測(cè)試散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布結(jié)果。

    圖11所示為在環(huán)境溫度T_a=27.5 ℃條件下，用數(shù)據(jù)記錄儀LR8401-02測(cè)得的散熱器表面的瞬態(tài)溫升曲線(xiàn)。由實(shí)測(cè)的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)可知Vicor模塊的殼溫約為74.1 ℃，推導(dǎo)得在40 ℃環(huán)境溫度條件下模塊的殼溫約為86.6 ℃，與仿真結(jié)果一致，說(shuō)明本文建立的模型和分析方法是合理的。綜合穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的溫度測(cè)試結(jié)果可知風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)后電源模塊的最高殼溫低于其最高允許溫度，可以安全可靠地工作。

5 結(jié)論

    本文以航天器測(cè)試用太陽(yáng)能電池陣列模擬器的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，研究了散熱風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)散熱效果的改進(jìn)影響。通過(guò)建立喇叭形風(fēng)罩連接散熱器與風(fēng)扇之間的風(fēng)道，提高了進(jìn)入散熱器肋片內(nèi)部參與冷卻的風(fēng)量，改進(jìn)了散熱系統(tǒng)的散熱性能。本文采用仿真分析方法分別從散熱系統(tǒng)的風(fēng)速分布和溫度分布兩方面對(duì)風(fēng)道優(yōu)化前后進(jìn)行了比較分析，風(fēng)道優(yōu)化前只有極少數(shù)的風(fēng)量進(jìn)入散熱器翅片內(nèi)且風(fēng)速較低，風(fēng)道優(yōu)化后大部分風(fēng)量參與冷卻且風(fēng)速得到極大提高。風(fēng)道優(yōu)化前電源模塊的殼溫升高到了123 ℃，不能正常工作；而風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)后Vicor部分的電源模塊殼溫降低到了87 ℃，可以安全可靠地工作。同時(shí)對(duì)優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)建立熱測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明與仿真結(jié)果一致，該散熱系統(tǒng)合理，優(yōu)化方法可行。

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作者信息:

張  健1，2，王子才1，張  華2，張東來(lái)3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；

2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳518057；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳518055)