1引言
相对于地面电子设备，星载电子设备具有不可维修的特点，这对星载电子设备的可靠性提出了很高的要求，随着高性能芯片的应用，星载电子设备的集成度越来越高、热流密度越来越大，热设计作为可靠性设计的重要组成部分日益受到工程设计人员的重视。在实际工程中，星载电子设备的热设计往往只局限于热分析阶段，仅仅是用热设计软件对结构设计及电路设计的结果性进行验证，最终得到合理或不合理的结论，热设计结果对产品设计本身没有起到应有的指导意义。通过将热分析模型完全参数化，再应用热设计软件的优化设计功能，针对某个参数，在目标函数的指导下进行优化，能够在满足温度、结构强度、抗辐射、电磁兼容等方面指标的情况下，使设计结果最优。
2星载电子设备热设计概述
星载电子设备在整个生命周期中要承受运输、发射、上升段以及在轨运行等阶段的热环境。其中，在轨运行阶段的热环境对设备的热影响最大，安装于卫星内部的电子设备受到周围器件和卫星腔壁的热辐射以及自射热耗散的热影响，安装于卫星外部的电子设备则面临轨道外热流等更加严酷的热环境，与空间站、载人飞船内的设备不同，星载设备大部分处于真空环境之中，只能通过导热及辐射的方式传递热量。
2.1热特性
宇宙空间的背景温度为4K，由黑体辐射的斯忒藩-玻耳兹曼定律可知，两物体间的辐射换热量与物体开氏温度4次方的差值成正比。因此，对于直接暴露于空间中的设备，辐射换热将对其温度产生巨大影响。而安装于星内的电子设备，其周围其它设备的壳体温度一般控制在-15℃～+50℃，与自身温度相当，辐射换热对其温度影响较小，热传导是其主要的传热方式。
2.2热设计的主要任务
星内电子设备主要的热问题是热量的排散，如何在热源与热沉之间建立有效和可靠的传热路径是热设计的主要任务，主要的方法是用高导热率的材料或设备将热源与热沉相连，如用导热板、导热索、热管等，在温度稳定性要求较高的情况下还常使用相变储热材料、热电制冷装置等，星载设备除行波管、电源等设备具有较高的温度要求，需要采取主动热控措施外，大部分设备均以被动热控制为主，依靠良好的导热及自身热容量能够保证自身的工作温度要求。
2.3热设计方法
在热控系统设计中，热分析技术与热设计技术相辅相承，定性的热设计必然要有定量的热分析，甚至在热实验过程中，也要应用热分析技术预测温度、激励响应时间以及进行参数的调整等。热分析计算结果与试验结果相比较，偏差一般5℃～10℃，修正后可达3℃～5℃左右。热分析软件有两个发展趋势，一是扩大热模型和数学模型的能力和易用性，改进算法，改善界面；另一个方向是基于数据库和网络技术的发展，热分析过程直接融合在热设计的过程，热模型可以自动生成并可与其它模型互换。常用的电子设备热分析的软件主要有Flotherm、IcePak等CFD软件，在针对星载电子设备进行热分析时，需要通过用网格将求解区域划分成若干大小不等的单元，如果模型中没有对流换热，则网格中将产生“空”单元，不影响计算结果确占用计算资源。用于航天器热分析的Sinda/Fluint软件，基于有限差分法（FDM），并支持节点网络模型，求解速度大大超过同类软件，它的辐射分析模块RadCAD使用改进的MonteCarlo方法，完全基于真实几何表面，具有强大的辐射换热分析能力，更加适用于星载电子设备的热分析及热设计。
3实例分析
某设备机箱由4个屏蔽盒及一个基座组成，4个屏蔽盒并排插在基座中，与位于基座中的PCB板插接，以实现模块间通信，其结构如图1所示，屏蔽盒与基座通过螺栓连接，元器件的热量可通过多种途径向外传递，如图2所示。
3.1热设计
由设备的导热路径可知，发热器件与屏蔽盒之间的导热以及屏蔽盒与基座之间的导热是热量传递是关键环节。器件通过与屏蔽盒相应位置上的凸台接触实现热量的疏导，接触面图4：热仿真结果加导热硅脂及导热垫，屏蔽盒两端与底座接触，为保证屏蔽盒与底座之间的接触良好，在接触面加铝制导热衬板，削弱屏蔽盒形变对接触热阻的影响。图3为屏蔽盒导热示意图，图中红色加粗部分为主要热接触面。设备总功耗约为45W，在此热设计方案下，用Sinda/Fluint建立简化的热网络模型（发热元件采用双热阻模型）进行热仿真计算，热沉温度45℃时的部分结果如图4所示，由图可见，温度满足最高结温要求。
3.2热模型的完全参数化
按功能将模型中涉及的参数进行划分，主要包括：材料参数(MaterialProperty)、环境参数(Environment)，工况参数(CaseVariable)、载荷参数(HeatLoad)、位置尺寸参数(Position)以及常量(Constant)等,模型中的参数组成如图5所示。在计算时可建立不同的工况（Case），在每个工况中可对模型中的任意参数进行变更，如对环境温度进行改变，如图6所示。
4结论
本文通过实例分析，说明Sinda/Fluint做为航天器热分析软件同样能够应用于星载电子设备的热分析及热设计，随着星载电子设备所处空间环境的多样化以及集成度与功耗的增大，Sinda/Fluint在星载电子设备研发过程中必将发挥更重要的作用。
作者：杨春雨 单位：中国电子科技集团公司第54研究所
