CN113782940B - 高速气流穿通式风冷散热机载天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高速气流穿通式风冷散热机载天线,抗恶劣环境,散热效率高。本发明通过下述技术方案实现:整流罩和天线罩围成一个保护天线本体的封闭空间,整流罩通过载板的外壁环圆滑过渡连接天线罩;载板沿着航向前端设计进风区,通过中间矩形凹腔、后端排风区,将天线本体嵌装在载板的矩形凹腔位置,搭扣在载板的凹腔上表面,形成散热功能区;天线本体嵌入至载板凹腔内设有顺着航向的条形散热齿,天线产生的热传导给自带的散热齿,利用载机在高空飞行过程中产生的风吹气流将热带走,从航向斜前端的左右两侧进风口进入的高速冷空气来流,在进风区后端处汇合后流经散热风道,由排风口排出,空气直接吹过散热齿表面将天线散发的热量排至大气中。
Description
技术领域
本发明属于航空电子设备散热领域,具体涉及机载天线的风冷散热流道、进风口的流量监控及除冰装置。
背景技术
T/R组件的芯片是相控阵天线阵面的主要发热器件,又是温度控制的主要对象。T/R组件作为有源相控阵天线阵面的主要热源,其最高温和均温性控制是有源相控阵天线热设计的核心内容。阵面温度控制是相控阵天线结构设计的关键技术之一。由于天线内部布置着多个T/R组件,它们排列紧凑,散热空间小,这使得天线的热流密度很大,若这些热量不能及时从天线阵面带走,会导致天线温度升高,引起T/R组件性能下降甚至失效,从而影响天线电性能,导致天线性能恶化。因而有源相控阵天线的热设计直接关系到天线的电性能指标。而T/R组件散热设计的难点主要来自两个方面:一是温度控制要求严格。由于相控阵天线对电磁波信号有严格的相位要求,并且T/R组件的性能容易受温度影响,因此对T/R组件的工作温度提出了严格要求;二是散热环境恶劣。T/R组件不仅发热功率大,而且数量数以百计,结构紧凑散热条件差。苛刻的温度控制要求和恶劣的散热环境对结构设计提出了极高要求。通常T/R组件冷却系统结构采用强迫风冷方式对天线阵面进行冷却,冷却系统由风机、通风管道、阵面外流道和阵面内流道组成。风机用于产生风速和风压符合设计要求的流体;阵面外流道将冷却气体输送到天线阵面;导流管用于实现阵面外流道和阵面内流道的过渡;阵面内流道由整齐排列的T/R组件自然形成。相控阵天线冷却系统工作时,T/R组件芯片发出的热量通过铝制导热板传递到散热片,流体从阵面内流道流过时,将散热片热量带走从而实现对芯片的散热。由于天线阵面热流密度不断增长以及高可靠性要求,其冷却技术也面临着极大的挑战。为了适应各种严酷的工作环境,阵面要求进行结构密封设计;由于单元之间的狭小空间,采用直接液冷和自然通风无法满足散热要求。因此必须采用强迫循环闭式风冷对阵面散热。已有的有源相控阵天线的热设计,虽然可以根据天线阵面热流密度的大小以及天线的使用环境,采取强迫风冷、强迫液冷或者高效热管技术等,保证组件等发热元器件正常工作。但在狭小轻薄的阵面内要合理布置循环风道,换热设备和风机,实现阵面散热和温度均匀等。这样的要求对阵面散热设计来说是一个巨大的挑战。
根据某型飞机的功能需求,需在飞机表面安装某型有源相控阵天线。天线安装在天线罩、整流罩和飞机蒙皮所围成的空间内。由于天线工作功率较大,且其安装位置位于飞机表面,飞机不能提供环控系统或者热沉,因此该天线只能利用自然风冷设计。为保证该型天线在载机全天候飞行过程中,均能够长期稳定可靠的工作,需针对性的开展风冷散热通道的设计,确保天线的高可靠性、提高天线抗恶劣环境的能力。常规的机表天线风冷散热方案一般风机散热和直接引入外部飞行高速气流散热两类方案。
直接引入外部飞行高速气流散热方案是在整流罩或者天线罩前端开进风口,在罩子尾端开排风口。在载机飞行过程中,天线前端进风口将外部高速来流冷空气引入,冷空气流过天线表面时带走热量,再从尾端排风口排出。该散热方案需要天线前端开进风口,高速气流直接吹过天线,对天线的防护要求较高;同时,高速气流流过进风口时,气流边界层发生分离,对载机气动特性造成负面影响,而且,高速高空高寒的飞行条件下,进风口存在凝露结冰风险,对进风口的设计提出更高的要求。
风机散热方案是采用风机直接吹天线表面实现散热壁面的热交换,通过风机产生的强迫自然对流将传导至天线表面的热量转移到天线罩内的空气中,同时在整流罩或者天线罩侧壁开换气孔,以便罩内的热空气和外面冷空气进行交换,将热耗扩散到大气中。该方案需要风机在地面环境和高空飞行恶劣的环境中工作,对风机的环境适应性、可靠性要求较高,同时,由于高空飞行过程空气稀薄,风机散热能力急剧下降,大功率、高热流密度的有源相控阵天线的热控需求对风机的散热效能提出更严峻的挑战。
发明内容
针对现有常规机载天线热设计难题,天线外部引流散热方案进风口设计困难、天线防护要求高、长期可靠性等问题,提出一种抗恶劣环境,散热效率高,能够提高散热性能,具有良好的环境适应性散热的风冷散热机载天线方案。
本发明的上述目的可以通过以下措施来得到:一种高速气流穿通式风冷散热机载天线,包括:天线本体1、与飞机蒙皮一起围成保护天线封闭空间的天线罩2和整流罩4,承载天线本体1的载板3,及分布于进风区201处发热电阻丝5和风速传感器6,其组成特征在于:整流罩4和天线罩2围成一个用以保护天线本体1的封闭空间,整流罩4通过载板3的外壁环圆滑过渡连接天线罩2;载板3沿着航向前端设计进风区201,通过中间设计有的矩形凹腔、后端设计的排风区202,将天线本体1嵌装在载板3的矩形凹腔位置,并安装法兰,搭扣在载板3的凹腔上表面,形成散热功能区;天线本体1嵌入至载板3凹腔内的部分设计有顺着航向的条形散热齿,且散热齿直接设计在天线本体1上,加强天线表面的换热,本体1内发热元器件、高功率高热流密度功能单元直接贴合散热齿所在壳体,热量直接传导至散热齿上,天线产生的热传导给自带的散热齿,利用其载机在高空飞行过程中产生的风吹气流通过散热功能区将热带走,从航向斜前端的左右两侧进风口301进入的高速冷空气来流,在进风区201后端处汇合后流经散热风道302,最后流经排风区202后由排风口303排出,高速低温的空气直接吹过散热齿表面将天线散发的热量排至外界大气中。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
抗恶劣环境。本发明采用整流罩4和天线罩2围成一个用以保护天线本体1的封闭空间,风散热整流罩4,通过载板3的外壁环圆滑过渡连接天线罩2;这种采用密闭式风冷却方式进行通风散热的结构抗恶劣环境能力较高,可以满足设备工作环境要求,具有良好的环境适应性。
散热效率高。本发明将增加换热面积、提高散热效率的散热齿直接设计在天线本体1上,天线本体1内发热元器件、高功率高热流密度功能单元直接贴合散热齿所在壳体,热量直接传导至散热齿上,可以使天线本体1热量高效地分散传递到散热齿上,再引入高速冷空气直接吹过散热齿表面,不仅散热路径短、热阻小,而且热传导率较高,解决了由于天线单元之间的狭小空间,采用直接液冷和自然通风无法满足散热缺陷。
提高了天线的可靠性。本发明将天线本体1嵌装在载板3的矩形凹腔位置,并安装法兰,搭扣在载板3的凹腔上表面,形成散热功能区,并将进风口301设计于天线航向方向左右两侧的斜前端,可防止飞行时航向正前方有异物直接进入散热功能区损伤天线。这种将散热功能区封装在载板3的矩形凹腔中;天线产生的热传导给自带的散热齿,利用风吹过散热功能区将热带走,除散热齿外,天线本体没有暴露在外界高速气流中,不直接面对外界恶劣的自然环境,提高了天线的可靠性。
提高了散热系统的可靠性。本发明采用天线本体1嵌入至载板3凹腔内,通过设计有顺着航向的条形散热齿,将散热齿直接设计在天线本体1上,加强天线表面的换热,把本体1内发热元器件、高功率高热流密度功能单元直接贴合散热齿所在壳体,热量直接传导至散热齿上,天线产生的热传导给自带的散热齿,利用其载机在高空飞行过程中产生的风吹气流通过散热功能区将热带走,确保散热通道的通畅,提高了散热系统的可靠性。这种技术方案无任何电子元器件,摒弃了高空散热效率损本失大的风机散热方案。
降低了进风口301对载机气动外形影响。本发明并采用分别设计的进风口301和排风口303,直接从飞机外部引入高速冷空气用于散热中散热通路,进风口301设计基于整流罩4的外形,设计阵列圆孔,采用大量均匀的离散小孔代替连续的大通孔,避免高速气流流过进风口301位置时被大面积剥离,保护了机体的整体气动外形,降低了进风口301对载机气动特性的影响。
附图说明
图1是本发明高速风冷气流散热机载天线实施例航向剖视图。
图2是图1的展向剖视图。
图3是去除蒙皮后的构造示意图。
图4是图3的俯视图。
图中:1-天线本体,2-天线罩,3-载板,4-整流罩,5-发热电阻丝,6-风速传感器,201-进风区,202-排风区,301-进风口,302-散热风道,303-排风口。
具体实施方式
参阅图1-图4。在以下描述优选实施例中,一种高速风冷气流散热机载天线,包括:天线本体1、与飞机蒙皮一起围成保护天线封闭空间的天线罩2和整流罩4,承载天线本体1的载板3,及分布于进风区201处发热电阻丝5和风速传感器6,其组成特征在于:整流罩4和天线罩2围成一个用以保护天线本体1的封闭空间,整流罩4通过载板3的外壁环圆滑过渡连接天线罩2;载板3沿着航向前端设计进风区201,通过中间设计有的矩形凹腔、后端设计的排风区202,将天线本体1嵌装在载板3的矩形凹腔位置,并安装法兰,搭扣在载板3的凹腔上表面,形成散热功能区;天线本体1嵌入至载板3凹腔内的部分设计有顺着航向的条形散热齿,且散热齿直接设计在天线本体1上,加强天线表面的换热,本体1内发热元器件、高功率高热流密度功能单元直接贴合散热齿所在壳体,热量直接传导至散热齿上,天线产生的热传导给自带的散热齿,利用其载机在高空飞行过程中产生的风吹气流通过散热功能区将热带走,从航向斜前端的左右两侧进风口301进入的高速冷空气来流,在进风区201后端处汇合后流经散热风道302,最后流经排风区202后由排风口303排出,高速低温的空气直接吹过散热齿表面将天线散发的热量排至外界大气中。其中进风区201设计为矩形通道,进风通道壁面焊装发热电阻丝5,进风通道中安装风速传感器6;当高寒高湿的飞行环境下进风口301出现结冰现象造成进风通道阻塞时,天线结合风速传感器6测得数据及载机的飞行数据,判断载机飞行状态,进而判定进风口301是否产出现结冰现象,启动发热电阻丝5对进风通道进行加热除冰作业,确保散热通道的通畅,提高了散热系统的可靠性。
参阅图4。风道区域形成:天线本体1为矩形外形,其四周边缘设计安装法兰搭扣在载板3的矩形凹腔上表面形成一个封闭的空间,天线本体1的散热齿探入至载板3的矩形凹腔内,形成了散热风道302风道区域;散热风道302前端为进风区201,设计位于进风区201航向斜前端两侧,防止飞行时航向正前方有异物直接进入散热风道302;散热风道302后端为排风区202,换热完成后的热空气通过排风口303向后排入大气中。
参阅图1、图3。气流流向控制:进风区201为V型结构形式,高速空气通过两侧进风口301斜向流入进风区201,通过进风区201的V形流道将飞行高速气流导成航向平行方向。散热风道302设计与航向平行的散热翅片,因此,进风区201中汇合为航向平行方向的气流直接流入散热风道302,完成换热后继续沿着航向方向流经排风区202,由排风口303流出。进风口301、进风区201、散热风道302、排风区202及排风口303形成一个与航向平行的通风路径,实现气流流向控制。
参阅图3。进风口设计:基于整流罩4的整体外形,进风口301设计为阵列圆孔,这种采用大量均匀的离散小孔代替连续的大通孔,避免高速气流流过进风口301位置时被大面积剥离,保护了机体的整体气动外形。
:参阅图4。气流监测及除冰控制:进风区201为V型结构形式,两侧进风通道截面均设计为矩形,进风通道的外壁面设计加工有螺旋状凹槽,发热电阻丝5通过焊接固定于进风通道壁面上,风速传感器6安装在进风口301进风通道中,实时监测进风通道中的空气流速并传递给天线单元;天线单元结合载机的飞行数据判定载机飞行状态,进而判定进风口301是否产出现结冰阻塞现象,启动发热电阻丝5对进风区201进行加热作业,由于加热电阻丝5焊接于进风通道壁面上,传热热阻小,加热速度快;风速传感器6实时监测风速,天线单元实时判定除冰作业,响应快,降低散热失效风险。
以上所述为本发明较佳实施例,应该注意的是上述实施例对本发明进行说明,然而本发明并不局限于此,并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高速气流穿通式风冷散热机载天线,包括:天线本体(1)、与飞机蒙皮一起围成保护天线封闭空间的天线罩(2)和整流罩(4),承载天线本体(1)的载板(3),及分布于进风区(201)处发热电阻丝(5)和风速传感器(6),其组成特征在于:整流罩(4)和天线罩(2)围成一个用以保护天线本体(1)的封闭空间,整流罩(4)通过载板(3)的外壁环圆滑过渡连接天线罩(2);载板(3)沿着航向前端设计进风区(201),通过中间设计有的矩形凹腔、后端设计的排风区(202),将天线本体(1)嵌装在载板(3)的矩形凹腔位置,并安装法兰,搭扣在载板(3)的凹腔上表面,形成散热功能区;天线本体(1)嵌入至载板(3)凹腔内的部分设计有顺着航向的条形散热齿,且散热齿直接设计在天线本体(1)上,加强天线表面的换热,天线本体(1)内发热元器件、高功率高热流密度功能单元直接贴合散热齿所在壳体,热量直接传导至散热齿上,天线产生的热传导给自带的散热齿,利用其载机在高空飞行过程中产生的风吹气流通过散热功能区将热带走,从航向斜前端的左右两侧进风口(301)进入的高速冷空气来流,在进风区(201)后端处汇合后流经散热风道(302),最后流经排风区(202)后由排风口(303)排出,高速低温的空气直接吹过散热齿表面将天线散发的热量排至外界大气中;其中:
进风区(201)为V型结构形式,两侧进风通道截面为矩形,进风通道的外壁面制有螺旋状凹槽,发热电阻丝(5)通过焊接固定于进风通道壁面上,风速传感器(6)安装在进风口(301)进风通道中,实时监测进风通道中的空气流速并传递给天线单元;
天线单元结合载机的飞行数据判定载机飞行状态,进而判定进风口(301)是否产出现结冰阻塞现象,启动发热电阻丝(5)对进风区(201)进行加热作业;热电阻丝(5)焊接于进风通道壁面上,风速传感器(6)实时监测风速,天线单元实时判定除冰作业。
2.如权利要求1所述的高速气流穿通式风冷散热机载天线,其特征在于:天线本体(1)为矩形外形,其四周边缘设计安装法兰搭扣在载板(3)的矩形凹腔上表面形成一个封闭的空间,天线本体(1)的散热齿探入至载板(3)的矩形凹腔内,形成散热风道(302)风道区域。
3.如权利要求1或2所述的高速气流穿通式风冷散热机载天线,其特征在于:散热风道(302)前端为进风区(201),位于进风区(201)航向斜前端两侧,防止飞行时航向正前方有异物直接进入散热风道(302);散热风道(302)后端为排风区(202),换热完成后的热空气通过排风口(303)向后排入大气中。
4.如权利要求1所述的高速气流穿通式风冷散热机载天线,其特征在于:气流流向控制:进风区(201)为V型结构形式,高速空气通过两侧进风口(301)斜向流入进风区(201),通过进风区(201)的V形流道将飞行高速气流导成航向平行方向。
5.如权利要求4所述的高速气流穿通式风冷散热机载天线,其特征在于:散热风道(302)设计与航向平行的散热翅片,进风区(201)中汇合为航向平行方向的气流直接流入散热风道(302),完成换热后继续沿着航向方向流经排风区(202),由排风口(303)流出。
6.如权利要求1所述的高速气流穿通式风冷散热机载天线,其特征在于:进风口(301)、进风区(201)、散热风道(302)、排风区(202)及排风口(303)形成一个与航向平行的通风路径,实现气流流向控制。
7.如权利要求1所述的高速气流穿通式风冷散热机载天线,其特征在于:基于整流罩(4)的整体外形,进风口(301)设计为阵列圆孔,以离散小孔代替连续的大通孔,避免高速气流流过进风口(301)位置时被大面积剥离,保护机体的整体气动外形。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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