我所理解的弹载/机载和星载产品的热设计仿真思路和方法
导读：2022年8月，笔者在仿真秀直播间做过《航空航天船舶蜂窝板的等效力学参数计算和仿真分析方法》引发了工程师朋友共鸣。近日由仿真秀主办2024航空航天设计仿真专题报告会，笔者再次受邀做相关技术讲座。10月10日20时，我打算和朋友们分享一下关于航空航天产品中的热分析与热设计经验，欢迎专家、学者、老师和工程师莅临批评指正。
工作这些年，我参与研制的航空航天产品主要包括弹载产品、机载产品和星载产品。由于产品工作环境和工作方式的不同，这三类产品在热设计过程中注意的要点也不同。弹载产品热环境温度高，工作时间短，工作热耗大;机载产品工作时间长，工作热耗一般，热环境温度一般;星载产品热环境复杂，有短时工作的情况，也有长时间工作的情况，一般工作热耗大。因此，针对以上三种设备采用的热设计思路和方法也不同。
热设计是一项系统工程,其核心目标在于管理和控制电子产品及其组件在工作过程中的热量生成和散热，确保设备在各种环境条件下都能稳定、安全且高效的运行。具体而言，热设计目的主要包括以下几个方面。
1) 温度控制:通过有效的热管理策略，确保电子设备内部各部件的工作温度维持在安全范围内，防止过热导致性能下降或损坏。.
2) 可靠性提升:高温是影响电子设备寿命的一个重要因素。合理的热设计能减少因热应力引起的材料老化和失效，从而提高系统的整体可靠性。.
3)性能优化：许多电子元件的性能会随着温度变化而波动。良好的热设计可以最小化这种影响，使设备在宽广的温度范围内保持稳定的性能输出。
4)成本效益：合理规划热管理系统，可以在满足功能需求的同时，减少昂贵的冷却装置使用，降低能耗，从而节省成本。
二、热设计方法
热设计是确保电子设备在安全温度范围内稳定运行的关键过程。主要方法包括：热阻分析，对流散热，辐射散热，热管技术、热仿真分析、相变技术等。
1、弹载设备热设计
弹载设备在飞行过程中会经历较严酷的温度环境，弹载设备的重量和体积受到严格限制。因此，针对弹载设备通常会选择相变材料作为热沉，并减少传热路径上的热阻，让热量尽快扩散到周围的热沉中，再通过瞬态热分析验证热设计的合理性。
此外，弹载设备周围的壁面温度也很高，可能会达到300℃，因此弹载设备外表面要尽量考虑防隔热措施。
2、机载设备热设计
机载设备热设计是指为飞机或无人机上的电子设备制定热管理策略，确保设备在各种飞行条件下能在安全的温度范围内正常工作。一般来说，机载设备会使用外部空气作为热沉，也就是采用风冷散热，这样一般会考虑使用风扇散热技术以及热管传热技术。"机载设备属于长时间工作模式，为了验证热设计的合理性，通常会采用稳态热分析方法。
3、星载设备热设计
星载设备的热环境复杂，要面对三种外热流，太阳光照、地球红外辐射以及地球反照。这些根据轨道参数，飞行姿态来确定。星载设备的热设计主要是在给定的外热流环境下，通过热控措施，使设备工作在舒适温度范围。星载设备的热沉是宇宙背景，最终是通过热辐射将热量辐射到宇宙空间中。因此，通常采用热管将热量传导到辐射冷板上，再利用冷板辐射到宇宙空间，这个过程中冷板的涂层是关键，因为不同的涂层会有不同的吸收率和发射率，通过选择合适的涂层就能够使设备工作在合适的温度。
此外，在轨道运行周期中，在某些时段设备有可能会处于阴影状态，因此，需要施加加热片，让设备在低温情况下生存。
三、热学设计与仿真应用公开课
可以看出，不论是弹载设备、机载设备还是星载设备，其热设计原则均是寻找合适的热沉，再合理设计热传导路径的热阻，已达到使设备处于合适的工作温度。在了解上述热设计的原则的基础上，还需要掌握热设计的一些细节，10月10日20时，2024航空航天设计仿真第四期线上报告会将邀请航天工程师青梅煮酒老师做《航空航天中的热学设计与仿真应用研究》线上讲座，我们在直播中一起讨论。感兴趣的朋友可以提前报名，仿真秀官网与APP同步直播，且支持反复回看。
以下是直播安排：
2024航空航天设计仿真（四）：航空航天中的热学设计与仿真应用研究-仿真秀直播
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