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摘 要：由于空间服役环境的特殊性，波控单机应当结构形式简单，强度好且便于加工，且具备寿命长、可靠性高、重量轻及体积小等特点。针对其服役要求，本文开展某星载波控单机的结构设计和仿真分析验证研究，设计结果满足相关技术指标。
关键词：星载；结构设计；波控单机
Structure Design of a Device for Spaceborne Waveform Control
LI Zheng-qi，REN Hai-lin
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute，Anhui，Hefei，230031，China）
Abstract：In recent years，with the development of satellite technology，the structure design and verification technology of the device for sapceborne waveform control have attracted wide attention and research.Due to the particularity of the service environment of the space，structure of the device should be high strength and easy to process，as well as long service life，high reliability and miniaturization.This paper studies the structure design of the device，includes the dimension，reliability，thermal analysis and mechanical analysis，etc..
Key words：Spaceborne；structure design；waveform control device
引言
近年來，随着卫星技术的迅速发展，星载波控单机的结构设计和相关分析验证技术得到了广泛的关注和研究。由于空间服役环境的特殊性，波控单机应当结构形式简单，强度好且便于加工，同时要求星载单机具备寿命长、可靠性高、重量轻及体积小等特点。为了满足服役要求，本文开展该星载波控单机的结构设计研究，主要内容包括单机结构尺寸设计、稳定可靠性、热分析和力学分析等。
1.结构设计
1.1单机构成
通过对多种构型进行比较，本单机选择采用插件式构型，即插件与母板结合的方式，内部互连的线缆可在母板上实现，从而达到减少走线节省空间的目的。单机由CPU功能模块插件、接口功能模块插件、背板、机箱、电源模块组成。电源模块安装在右侧板上，其余4块印制板模块按照从左到右的顺序依次固定到盒体上，印制板先通过楔形锁紧装置固定在侧板的导轨上，再通过底板螺钉紧固在盒体上。电源自带的导线引出到插头后与背板上的插座相连，见图 1所示。
图 1 波控单机外形示意图（去面板）
1.2单机模块化设计
单机模块化设计主要包括电路功能模块、背板模块和机箱的结构设计。在设计过程中，必须考虑辐照、散热、力学等结构性能要求。
电路功能模块包括CPU功能模块插件和接口功能模块插件，采用印制板插件结构，把关键器件布局在抗辐照强、易散热的区域，同时避开了中间力学敏感区域。将敏感的CPU功能模块插件放在单机的中间，电源和接口功能模块插件放在两边，从而减轻辐照对CPU模块的影响。同时，在器件封装上增加钽片来增加抗辐照能力。由于电路板的面积比较大，设计中增加带面板的围框来进行加固设计来提高电路板的刚度。围框示意图如图 2所示。印制板通过锁紧装置与侧板上导轨紧密接触确保热传导道路通畅，最终通过盖板固定到机箱。在印制板与托框及锁紧装置之间涂抹导热填料或硅脂，减少接触热阻，提高导热效率。
图 2 围框示意图
波控单机的CPU功能模块和接口功能模块都是通过连接器与背板相连，实现总线信号交互的。为了便于连接器的插针焊后检测，使用金属衬套将其垫高，再利用螺钉螺母固定在印制背板上，同时为了在印制背板中间预留四个加强孔，来加固印制板。
机箱模块由前后侧板，左右侧板，下底板，盖板等六块板用螺钉拼合组成。左侧板装有接地螺钉。在保证电性能和结构强度的前提下对结构采取了减重措施，采用薄壁结构，同时局部为了抗辐照的需要，局部采取了加厚措施。此外，由于单机腔体设计为密封状态，为了保证卫星在进入真空环境过程中内部气压能迅速与外界气压平衡，不产生低气压放电现象，在机壳左右侧板上设计2个放气孔。为提高抗辐射效果，盒体内外表面喷涂黑色温控漆，同时侧板与盖板及底板接触面涂抹导热硅脂，减少接触热阻。结构基材选用的是铝合金2A12，该种基材具有质轻、极限强度高、易加工等特点。
2热分析
机箱的热设计主要考虑元器件、印制板、机箱等模块。印制板上的热功耗以传导和辐射的方式传到机箱壳体上，最终设备的热量一方面通过导热传导到舱板上，一方面通过辐射的方式向周围环境散热。根据设计输入条件，波控单机必须保证设备内所有元器件工作满足温度I级降额。
2.1散热措施
波控单机内大功率器件、增强印制板和机箱壳体的结构设计都需要考虑散热措施。具体措施如下：
1）电源模块通过螺钉固定在壳体上，安装面涂导热硅脂。电源模块内大热耗的器件主要布置在功率印制板上，功率MOS管和肖特基二极管布置在功率印制板上，通过导热垫与壳体凸台接触导热；集成电路安装在壳体上，安装导热垫减小热阻。 2）较大功率的器件与印制板大面积焊接，插装器件引脚与印制板焊接，底面填充硅橡胶减小接触热阻；PCB为多层覆铜印制板，其内电层专用的电源层和地层大面积覆铜，电源层和地线层为主散热通道；器件产生的热量传导到印制板，印制板上热量通过印制板金属框架、锁紧条等金属部件传递到壳体上。
3）CPU电路板、接口电路板边缘增加了铝制金属框架，有利于其热量及时向机箱壳体的传递；尽量加大电路印制板插件与机壳的接触面，接触面涂导热填料；
4）尽量使元器件在印制板上分布均匀，避免出现热量集中现象，大热耗元器件尽量靠近电路板边缘、底部和金属框架，使大功率器件的散热途径最短。
2.2仿真模型和边界条件
采用FLOTHRERM作为有限元分析工具，单机在轨阶段工作温度范围-15～50℃，根據单机中元器件的特点，选取波控单机在轨工作高温50℃连续工作作为热分析工况。分机内部元器件结温应满足Ⅰ级降额要求的标准。
2.3分析结果
1）在轨工作高温50℃，各主要元器件的温度见表 1，由表可得，元器件结温均满足Ⅰ级降额要求。
受电源内部元器件及波控单机内CPU电路板及接口电路板上元器件的热耦合影响，波控电源壳温最高55.7℃。波控电源内部元器件按工作温度60℃进行了热设计和热分析，分析结果表明其内部元器件满足Ⅰ级降额要求，温度场如图 5所示，主要元器件的温度见表 2。
2.4分析结论
波控单机所使用元器件均采取了有效散热措施，热分析结果表明，在轨工作温度条件下所有元器件的温度均满足Ⅰ级降额要求，在鉴定试验工作温度条件下，所有元器件的温度均没有超过额定允许值，热控设计符合设计要求。
3力学分析
结构设计方案确定后，应根据力学环境进行力学分析，并根据其结果对设计进行初步的分析评价，改进设计。目前使用有限元软件对结构进行力学分析，得到其固有特性参数，并通过试验验证结构设计方案，以满足型号安全性和可靠性的使用要求。
3.1力学环境输入条件
根据实际的服役工作条件，波控单机力学试验条件如下：
1）单机的重量、外形尺寸及安装接口如表 3所示。
2）单机的基频要求大于140Hz。
3）强度安全裕度要求大于0。
3.2结构力学分析
有限元分析前后处理软件采用通用商业软件HypeMesh9.0/H yperView9.0，计算软件ABAQUS 6.10。根据单机的结构设计，建立有限元分析坐标系和模型，如图 6所示。材料性能参数见表 4。
为了验证结构的刚强度是否满足设计要求，对结构进行模态分析。由于结构随机振动的频率范围从10到2000Hz，因此提取了结构2000Hz内的所有模态，表 5列出了主模态的有效质量，图 7 -10为振形描述。
由上述模拟结果表明，系统的一阶主模态固有频率291 Hz，方向Y向。
抗力学设计分析结果表明：整机、电路板组件基频满足大于140HZ的要求，基频与支撑结构系统的频率无频率耦合现象，强度满足安全裕度要求。
4结语
本文针对某星载波控单机，综合考虑其服役环境因素等工作条件，系统地分析了单机结构设计中需要考虑的技术问题，如结构构型、抗辐照和散热措施，并对单机整体结构开展了热分析和力学分析等，设计结果满足星载服役环境要求的技术指标。在模拟分析的基础上，已经开展了力学环境试验验证，试验前后单机无任何异常情况发生，试验前后的电性能测试结果一致，验证了结构设计的合理性，具有很强的现实参考意义。
作者简介：
李正琦（1983-），男，工程师，主要从事结构设计工作。E-mail：271575093@163.com。
（作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所）
关键词：星载；结构设计；波控单机
Structure Design of a Device for Spaceborne Waveform Control
LI Zheng-qi，REN Hai-lin
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute，Anhui，Hefei，230031，China）
Abstract：In recent years，with the development of satellite technology，the structure design and verification technology of the device for sapceborne waveform control have attracted wide attention and research.Due to the particularity of the service environment of the space，structure of the device should be high strength and easy to process，as well as long service life，high reliability and miniaturization.This paper studies the structure design of the device，includes the dimension，reliability，thermal analysis and mechanical analysis，etc..
Key words：Spaceborne；structure design；waveform control device
引言
近年來，随着卫星技术的迅速发展，星载波控单机的结构设计和相关分析验证技术得到了广泛的关注和研究。由于空间服役环境的特殊性，波控单机应当结构形式简单，强度好且便于加工，同时要求星载单机具备寿命长、可靠性高、重量轻及体积小等特点。为了满足服役要求，本文开展该星载波控单机的结构设计研究，主要内容包括单机结构尺寸设计、稳定可靠性、热分析和力学分析等。
1.结构设计
1.1单机构成
通过对多种构型进行比较，本单机选择采用插件式构型，即插件与母板结合的方式，内部互连的线缆可在母板上实现，从而达到减少走线节省空间的目的。单机由CPU功能模块插件、接口功能模块插件、背板、机箱、电源模块组成。电源模块安装在右侧板上，其余4块印制板模块按照从左到右的顺序依次固定到盒体上，印制板先通过楔形锁紧装置固定在侧板的导轨上，再通过底板螺钉紧固在盒体上。电源自带的导线引出到插头后与背板上的插座相连，见图 1所示。
图 1 波控单机外形示意图（去面板）
1.2单机模块化设计
单机模块化设计主要包括电路功能模块、背板模块和机箱的结构设计。在设计过程中，必须考虑辐照、散热、力学等结构性能要求。
电路功能模块包括CPU功能模块插件和接口功能模块插件，采用印制板插件结构，把关键器件布局在抗辐照强、易散热的区域，同时避开了中间力学敏感区域。将敏感的CPU功能模块插件放在单机的中间，电源和接口功能模块插件放在两边，从而减轻辐照对CPU模块的影响。同时，在器件封装上增加钽片来增加抗辐照能力。由于电路板的面积比较大，设计中增加带面板的围框来进行加固设计来提高电路板的刚度。围框示意图如图 2所示。印制板通过锁紧装置与侧板上导轨紧密接触确保热传导道路通畅，最终通过盖板固定到机箱。在印制板与托框及锁紧装置之间涂抹导热填料或硅脂，减少接触热阻，提高导热效率。
图 2 围框示意图
波控单机的CPU功能模块和接口功能模块都是通过连接器与背板相连，实现总线信号交互的。为了便于连接器的插针焊后检测，使用金属衬套将其垫高，再利用螺钉螺母固定在印制背板上，同时为了在印制背板中间预留四个加强孔，来加固印制板。
机箱模块由前后侧板，左右侧板，下底板，盖板等六块板用螺钉拼合组成。左侧板装有接地螺钉。在保证电性能和结构强度的前提下对结构采取了减重措施，采用薄壁结构，同时局部为了抗辐照的需要，局部采取了加厚措施。此外，由于单机腔体设计为密封状态，为了保证卫星在进入真空环境过程中内部气压能迅速与外界气压平衡，不产生低气压放电现象，在机壳左右侧板上设计2个放气孔。为提高抗辐射效果，盒体内外表面喷涂黑色温控漆，同时侧板与盖板及底板接触面涂抹导热硅脂，减少接触热阻。结构基材选用的是铝合金2A12，该种基材具有质轻、极限强度高、易加工等特点。
2热分析
机箱的热设计主要考虑元器件、印制板、机箱等模块。印制板上的热功耗以传导和辐射的方式传到机箱壳体上，最终设备的热量一方面通过导热传导到舱板上，一方面通过辐射的方式向周围环境散热。根据设计输入条件，波控单机必须保证设备内所有元器件工作满足温度I级降额。
2.1散热措施
波控单机内大功率器件、增强印制板和机箱壳体的结构设计都需要考虑散热措施。具体措施如下：
1）电源模块通过螺钉固定在壳体上，安装面涂导热硅脂。电源模块内大热耗的器件主要布置在功率印制板上，功率MOS管和肖特基二极管布置在功率印制板上，通过导热垫与壳体凸台接触导热；集成电路安装在壳体上，安装导热垫减小热阻。 2）较大功率的器件与印制板大面积焊接，插装器件引脚与印制板焊接，底面填充硅橡胶减小接触热阻；PCB为多层覆铜印制板，其内电层专用的电源层和地层大面积覆铜，电源层和地线层为主散热通道；器件产生的热量传导到印制板，印制板上热量通过印制板金属框架、锁紧条等金属部件传递到壳体上。
3）CPU电路板、接口电路板边缘增加了铝制金属框架，有利于其热量及时向机箱壳体的传递；尽量加大电路印制板插件与机壳的接触面，接触面涂导热填料；
4）尽量使元器件在印制板上分布均匀，避免出现热量集中现象，大热耗元器件尽量靠近电路板边缘、底部和金属框架，使大功率器件的散热途径最短。
2.2仿真模型和边界条件
采用FLOTHRERM作为有限元分析工具，单机在轨阶段工作温度范围-15～50℃，根據单机中元器件的特点，选取波控单机在轨工作高温50℃连续工作作为热分析工况。分机内部元器件结温应满足Ⅰ级降额要求的标准。
2.3分析结果
1）在轨工作高温50℃，各主要元器件的温度见表 1，由表可得，元器件结温均满足Ⅰ级降额要求。
受电源内部元器件及波控单机内CPU电路板及接口电路板上元器件的热耦合影响，波控电源壳温最高55.7℃。波控电源内部元器件按工作温度60℃进行了热设计和热分析，分析结果表明其内部元器件满足Ⅰ级降额要求，温度场如图 5所示，主要元器件的温度见表 2。
2.4分析结论
波控单机所使用元器件均采取了有效散热措施，热分析结果表明，在轨工作温度条件下所有元器件的温度均满足Ⅰ级降额要求，在鉴定试验工作温度条件下，所有元器件的温度均没有超过额定允许值，热控设计符合设计要求。
3力学分析
结构设计方案确定后，应根据力学环境进行力学分析，并根据其结果对设计进行初步的分析评价，改进设计。目前使用有限元软件对结构进行力学分析，得到其固有特性参数，并通过试验验证结构设计方案，以满足型号安全性和可靠性的使用要求。
3.1力学环境输入条件
根据实际的服役工作条件，波控单机力学试验条件如下：
1）单机的重量、外形尺寸及安装接口如表 3所示。
2）单机的基频要求大于140Hz。
3）强度安全裕度要求大于0。
3.2结构力学分析
有限元分析前后处理软件采用通用商业软件HypeMesh9.0/H yperView9.0，计算软件ABAQUS 6.10。根据单机的结构设计，建立有限元分析坐标系和模型，如图 6所示。材料性能参数见表 4。
为了验证结构的刚强度是否满足设计要求，对结构进行模态分析。由于结构随机振动的频率范围从10到2000Hz，因此提取了结构2000Hz内的所有模态，表 5列出了主模态的有效质量，图 7 -10为振形描述。
由上述模拟结果表明，系统的一阶主模态固有频率291 Hz，方向Y向。
抗力学设计分析结果表明：整机、电路板组件基频满足大于140HZ的要求，基频与支撑结构系统的频率无频率耦合现象，强度满足安全裕度要求。
4结语
本文针对某星载波控单机，综合考虑其服役环境因素等工作条件，系统地分析了单机结构设计中需要考虑的技术问题，如结构构型、抗辐照和散热措施，并对单机整体结构开展了热分析和力学分析等，设计结果满足星载服役环境要求的技术指标。在模拟分析的基础上，已经开展了力学环境试验验证，试验前后单机无任何异常情况发生，试验前后的电性能测试结果一致，验证了结构设计的合理性，具有很强的现实参考意义。
作者简介：
李正琦（1983-），男，工程师，主要从事结构设计工作。E-mail：271575093@163.com。
（作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所）