Новый подход к решению задачи охлаждения многоканальных приемо-передающих модулей АФАР

Анатолий Тимофеевич Бекишев; Анатолий Андреевич Смоляков; Михаил Владимирович Исаков; Александр Анатольевич Попель; Дмитрий Леонидович Пономарев

ооооооооо ооооооооо ооооооооо ооооооооо

ООООО ООО

оо оооооо

ШЩШШШШЩШ 'jossaJojd awpossy 'aouaps ájvji.hw Щ 'PwD 'jwwjjvdaa СГ-0Н W щоэла 'vissrrg '>[Sjo6ousvj}i 'HDOIVÄAS OdNSI DSÍ '03D Ajndaa JSJtf 'AÎHVWONOdl Aflima

ПТЩЩШШ 'бирэщбиэ wajsAs-aovds Jo jojü6!JS3AU1 pajouon '*ps 'ЧШ Щ 'PWD 'vissrrs 'Moisow '>I>IHO DSÍ 'jopajja dAiivjjsiuiuipv 'lldOd V Japirexejv

oo

oo oo

Шs

/эииоцэщпш 'iuajsÁs Бицооэ uVdV 'р/лЬ// juj0d-6ujZ33Jj-M0/ 'ээмэр Бицооэ 'бицооэ pm/j 'бицооэ-jjD 'э/прош элюээ^риээ 'ÁDJJD DUU3JUD paSDLfd элцэо :spjoMÁ3»

•|9UUBip 1рвэ joj бицооэ lujojmn sspiAOJd .ющгш 941 Áq p9}U9S9Jd wys JOj эо|лэр бицооэ piпц.

Э1Ц 'SIBJ JSJSUBJ} }БЭ1] Лцзиэр-цбщ ЦЦМ

О

о

nrinAlVS-dlUS<5)âlU~âC»lDSJ

'бирэщбиэ ш 'puvj 'vissrrg 'Moisow 'DSÍ 'sspd -J3JU3 uoipnpojj xjpuaps w ivs 'jwwjjvdaa 6u\ -мщбиз ußisaajo pvdH 'aowpsjoj 03D Ajndaa 'AOHVSI Л

nrin/iivs-duismoqv/iiouis ■ps 'ЧШ Щ 'Ja 'vissrrs 'моэ -S0W'DS{'3SiJdJ3jU3U0ipnp0JjxJijU3pswivs шбкэа \VÍ эшо Ájndaa '03D Ajndaa JSJIJ 'AOHVÄIOWS V Aio^uv

nrjmivs-duiseiojui 'Áwapviy

UOlJVZlJVWJOjUJ IVUOlJVUJdJUI ЭЩJo ЩШЭШ 1Щ

jossdJojd '-ps 'ЧШ Щ 'Ja 'vissrrs 'моэ -sow'DSÍ'sspdjajujuoipnpojdOiJijwpswivs

13U6]S3(J \Viэшо 'ОЗЭ 'A3HSIH39 X AIOÍEUV

обо

ООО ООО ООО ООО ООО ООО

оо э

HVdV NI NUS

оо -

ООО оо

13NNVHÜinni/\l 1000 01

HGVOUddV /V\3N V

OO

OO Э

OO OO

69-179- V-176-8 V0Z-Z66L-L8SZ/V860£0 V TOQ VL~Z9)WÎA

s3i90~i0nh031 m3n I ии-1(жонх31 31я90н

оо оо

оо оо о оо оо оо оо

о ооос

новый подход °°СС

к РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ОХЛАЖДЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИХ МОДУЛЕЙ АФАР_

О

ОС

о о о о о о о

Анатолий Тимофеевич БЕКИШЕВ,

доктор технических наук, профессор, генеральный директор - генеральный конструктор АО «Научно-производственное предприятие „Салют"», Москва, Россия, действительный член Международной академии информатизации, [email protected]

Анатолий Андреевич СМОЛЯКОВ,

доктор технических наук, первый заместитель генерального директора -генерального конструктора АО «Научно-производственное предприятие „Салют"», Москва, Россия, [email protected]

Михаил Владимирович ИСАКОВ,

кандидат технических наук, заместитель генерального директора по науке - начальник КБ АО «Научно-производственное предприятие „Салют"», Москва, Россия, [email protected]

Александр Анатольевич ПОПЕЛЬ,

кандидат технических наук, директор Дирекции АО «ОРКК», Москва, Россия, заслуженный испытатель космической техники, [email protected]

Дмитрий Леонидович ПОНОМАРЕВ,

кандидат военных наук, доцент, первый заместитель генерального директора -директор Департамента НИОКР ОАО «ЦНПО „СВЯТОЧ"», Москва, Россия, [email protected]

О АННОТАЦИЯ I В статье рассматривается предложение по решению задачи обеспечения охлаждения многоканальных

Оприемо-передающих модулей (ППМ) активной фазированной антенной решетки

О (АФАР) с высокой плотностью теплового потока. Предлагается устройство жидкостного охлаждения таких ППМ, обес-

Опечивающее равномерное охлаждение каждого канала. Ключевые слова: активная

О фазированная антенная решетка, приемо-передающий модуль,

О воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, устройство охлаждения, низкозамерзающая жидкость, система

О охлаждения АФАР, многоканальный ППМ

С

оо ОС

оо о оос оооооооос

ООО оооос

ЧТОБЫ ОБЕСПЕЧИТЬ ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛОВ В СОСТАВЕ ППМ, НЕОБХОДИМО РЕШИТЬ ЗАДАЧУ ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ ЗАКРЫТОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ПРОСТРАНСТВА УСТРОЙСТВА (БЛОКА, МОДУЛЯ) В УСЛОВИЯХ РАЗМЕЩЕНИЯ ВНУТРИ НЕГО ЭЛЕМЕНТОВ - ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ.

В современных условиях с появлением новых требований по увеличению спектра задач, изменению мощностей элементов РЭА, в том числе входящих в состав АФАР, возникают задачи по обеспечению необходимого режима функционирования АФАР в различных условиях окружающей среды.

Важным фактором поддержания заданных параметров АФАР является обеспечение температурных режимов работы полупроводниковых кристаллов в составе приемо-передающих модулей (ППМ), основных источников выделения тепла.

Одной из труднореализуемых задач является задача отвода тепла из закрытого малогабаритного пространства устройства (блока, модуля) в условиях размещения внутри него элементов - источников тепловыделения в рабочем режиме.

Существует множество вариантов отведения тепла от корпуса модуля, но, как показывает практика, этого недостаточно. Важным аспектом является поиск возможности отведения тепла от самих тепловыделяющих элементов.

Такому новому подходу отвода избыточного тепла с поверхности тепловыделяющих элементов приемо-пе-редающего модуля АФАР посвящен представляемый на обсуждение материал.

Температура кристалла усилителя, для обеспечения его долговременной работы, не должна превышать +80 °С, поскольку при более высокой температуре существенно снижаются показатели его надежности и коэффициент полезного действия. Так, в разрабатываемом восьмиканальном ППМ кристаллы выделяют до 25 Вт тепловой мощности при площади контакта 12 мм2 (плотность выделяемого теплового потока эквивалентна 208 Вт/см2). Общая тепловая мощность, выделяемая ППМ, 1 кВт, то есть каждый канал выделяет 125 Вт тепловой мощности (рис. 1), которая должна быть рассеяна в окружающем пространстве.

Предварительный тепловой расчет воздушного охлаждения разрабатываемого ППМ показал, что для снятия теплового потока такой мощности на корпусе ППМ (ППМ не установлен в антенном полотне) должен быть

эооооо эоооо

Рисунок 1. Области выделяемой тепловой мощности в образце четырехканального ППМ

оо < OOOOOG

о OOOOOG

OOOOOG

НАИБОЛЕЕ ПРИЕМЛЕМЫЙ ВАРИАНТ ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ ЗАКРЫТОГО ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО МОДУЛЯ - ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ППМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОЗАМЕРЗА-ЮЩЕЙ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ.

Поворотная АФАР (L)

Четырехгранная Четырехгранная Четырехгранная Четырехгранная АФАР (ФАР) АФАР ГО АФАР (ФАР) АФАР (ФАР) (X)

установлен радиатор воздушного охлаждения размером 150 мм на 500 мм с ребрами высотой 30 мм и двумя вентиляторами мощностью по 100 Вт. Учитывая плотность установки ППМ на антенном полотне и размещение тепловыделяющих кристаллов в закрытом пространстве на некотором расстоянии от радиатора, этот вариант охлаждения оказался неприемлемым.

Для отвода тепла из закрытого ППМ наиболее приемлемым вариантом является применение жидкостного охлаждения ППМ с использованием низкозамерзающей охлаждающей жидкости, так как функционирование АФАР предполагается в широком диапазоне наружных температур от +40 °С до -40 °С (для морских судов), с высокой теплоемкостью, принудительно циркулирующей по каналам внутри ППМ. Для жидкостного охлаждения восьмиканального ППМ предложено устройство охлаждения, которое устанавливается внутри ППМ.

Штуцера для входа и выхода охлаждающей жидкости расположены на верхней торцевой поверхности ППМ. Охлаждающие магистрали ППМ подключаются параллельно к общей системе охлаждения АФАР. Для обеспечения быстрой замены отказавших модулей, без слива охлаждающей жидкости из системы, подключение ППМ осуществляется через герметичные быстро-разъемные соединения.

Система охлаждения АФАР состоит из следующих элементов:

- жидкостного насоса с электродвигателем и частотным регулятором;

- теплообменного аппарата;

- охлаждающей жидкости;

- трубопроводов;

- трубопроводной арматуры;

- расширительного бачка;

- датчиков температуры;

- фильтра;

- системы управления.

Мощность электродвигателя, расход охлаждающей жидкости, размеры трубопроводов, теплообменного аппарата определяются количеством ППМ, установленным на АФАР. Предварительный тепловой расчет показал, что для охлаждения одного ППМ с прогнозируемыми характеристиками тепловыделения необходимо обеспечить расход охлаждающей жидкости типа «Экосол-40» 60 см3/сек при перепаде температуры между входом и выходом 5 °С.

Предлагаемое устройство охлаждения восьми-канального ППМ состоит из двух продольных трубопроводов прямоугольного сечения для подвода и отвода охлаждающей жидкости и восьми поперечных теплообменных устройств по коли-

честву каналов в ППМ. Размеры теплообменных устройств равны размерам плат, где размещаются электронные элементы усилителей сигналов.

Устройство охлаждения изготавливается из металла с высоким коэффициентом теплопроводности, это алюминиевые сплавы типа АМГ, АМЦ или медь толщиной 1-1,5 мм. Детали устройства охлаждения соединяются между собой сваркой или твердосплавным припоем.

В продольных трубопроводах, через которые подается и отводится охлаждающая жидкость, в местах примыкания теплообменных устройств, вырезаны прямоугольные отверстия с размерами, равными размерам проходных каналов теплообменных устройств. Поперечное сечение прямоугольных трубопроводов определяется количеством проходящей охлаждающей жидкости и выбранной скоростью ее течения.

Теплообменное устройство представляет собой прямоугольный трубопровод, состоящий из двух деталей, соединенных между собой сваркой или пайкой. Сторона, через которую передается тепловой поток, имеет толщину 8 мм, и на поверхности, которую омывает охлаждающая жидкость, отфрезерованы ребра высотой 3 мм, толщиной 1 мм, причем в средней части канала 1/3 часть общей длины ребер смещена и располагается в промежутках между ребрами начальной и конечной

эо эо эоооо

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

частей канала. Такая конструкция проходного канала позволяет повысить теплосъем за счет увеличения турбулентности потока.

Верхняя и боковые части проходного канала теплообменного устройства выполнены из П-об-разного профиля толщиной 1-1,5 мм и высотой 4 мм. На лицевой поверхности теплообменно-го устройства закрепляются тепловыделяющие элементы канала ППМ, такая конструкция позволит сократить количество слоев, участвующих в теплопередаче от тепловыделяющих элементов до потока жидкости, и уменьшить общее тепловое сопротивление. Конструкция устройства охлаждения показана на рисунке 2.

Для нормального функционирования ППМ температура тепловыделяющих элементов в разных каналах должна быть примерно одинаковой, для чего необходимо обеспечить равномерное распределение охлаждающей жидкости по восьми теплообменным устройствам. Это достигается конструкцией, точностью изготовления составных частей и сборки устройства охлаждения.

В настоящее время ведется отработка технологии изготовления устройства охлаждения и проектирование стенда для проведения испытаний вариантов жидкостного охлаждения ППМ и подтверждения расчетных данных.

эооооо эо

Рисунок 2. Конструкция устройства охлаждения

1. Трубопровод отвода охлаждающей жидкости; 2. Теплообменное устройство; 3. Ребра охлаждения; 4. Трубопровод подвода охлаждающей жидкости; 5. Тепловыделяющие элементы.

Радиолокационные корабельные станции с АФАР различного диапазона

Система обработки радиолокационной информации

Литература

1. Иванов К. Л., Осиповский А. А., Редька Ал. В., Редька Ан. В., Тихомиров А. В. Шестиканальный ППМ для АФАР X-диапазона: передающий тракт // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2015. Выпуск 2-3 (236-237). С. 21-31.

2. Крахин О. И., Радченко В. П. Проблема теплоотвода приёмо-передающих модулей и АФАР с высоким уровнем теплового излучения // Сборник докладов III Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 26-30 октября 2009 г.). М.: ИРЭ им.

B. А. Котельникова РАН, 2009. С. 716-719. [Электронное издание]. URL: http://jre.cplire.ru/jre/library/3conference/ pdffiles/s007.pdf (Дата обращения: 05.03.2018)

3. Егоров В. И., Казак А. В., Кораблев В. А., Попов Ю. Ю., Пугин И. В., Шарков А. В. Обеспечение теплового режима большеразмерной активной фазированной антенной решетки // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2005. Выпуск 18. С. 38-41.

References

1. Ivanov K. L., Osipovsky A. A., Redka Al. V.,

Redka An. V., Tikhomirov A. V. SIX-CHANNEL SRM FOR APAR (active phased array antenna) OF X-BAND: THE TRANSMIT PATH. Electronics. Series 2. Semiconductor device. 2015. Issue 2-3 (236-237). Рр.21-31.

2. Krakhin O. I., Radchenko V. P. THE HEAT REMOVING OF SEND-RECEIVE MODULES (SRM) AND APAR (active phased array antenna) WITH A HIGH LEVEL OF THERMAL RADIATION. III all-Russian conference "Radar and radio" - IRE RAS, 26-30th of October, 2009. Рр. 716-719.

URL: http://jre.cplire.ru/jre/library/3conference/pdffiles/ s007.pdf (Retrieval date: 05.03.2018)

3. Egorov V. I., Kazak A. V. , Korablev V. A., Popov U. U., Pu-gin I. V., Sharkov A. V. . THERMAL control of LARGE ACTIVE PHASED ARRAY ANTENNA: Scientific and technical Bulletin of ITMO University, Issue 18, 2005. Рр. 38-41.

История статьи:

Поступила в редакцию: 03.03.2018 Принята к публикации: 04.03.2018

Модератор: Косяк И. В. Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Бекишев А. Т., Смоляков А. А., Исаков М. В., Попель А. А., Пономарев Д. Л. Новый подход к решению задачи охлаждения многоканальных приемо-передающих модулей АФАР // Воздушно-космическая сфера. 2018. №1.

C. 64-69.

A New Approach to Cool Multichannel SRM in APAR

Текст научной работы на тему «Новый подход к решению задачи охлаждения многоканальных приемо-передающих модулей АФАР»