基于Ansys热仿真的航天光模块的热设计
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Ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍ ｏｄｕｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｎｓｙｓ ｔｈｅｒｍ ａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ
ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇｉｕｎ，ＴＡＮＧ Ｘ／ａｏ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ （Ｔｈｅ ３４ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＥＴＣ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｇｕａｎｇｘｉ ５４ １ ００４，Ｃｈｉｎａ）
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基 于 Ａｎｓｙｓ热 仿 真 的航 天 光模 块 的热 设 计
张 凤 军 ，唐 骁 ，陈 坚
（中国 电子 科技 集 团公 司 第 三十 四研 究所 。广 西 桂林 ５４１００４）
摘要 ：针对航 天光模块必须满足抗辐射 、重量轻 、体积小和具有一定的力学强度等设计要求，通过传热理 论 分析 ，利用 Ａｎｓｙｓ软 件 仿真 光 模 块 的温度 分 布 ，改进航 天 光模 块 的散 热 条件 ，并设 计 凸台 结构 直接 让 发 热 器件 与金属 外 壳接 触 ，使 得航 天 光模 块 能够 满足 工作 温度 要 求 ，最后 指 出策略 性 地选 择 发 热 器件 的 工作 时 间能够 改善散 热 条件 。 关 键 词 ：航 天光模 块 ；热仿 真 ；热设 计 ；散 热 中图 分类 号 ：ＴＢ２ 文献标 识码 ：Ａ 文 章编 号 ：１００２—５５６１（２０１８）０３．００３６．０３ ＤＯｌ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００２—５５６１．２０１８．０３．０１０
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｐａｃｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇ ｈ ｔ，
ｓｍ ａｌｌ ｖｏｌｕｍ ｅ，ａｎｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｔｈｅ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｍ ｏｄｕｌｅ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ Ａｎｓｙｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ
通 过 有 限 元 仿 真 航 天 光 模 块 工作 时 所包 含 的 各 个元 器 件 的 温度 ．判 断 航 天光 模块 能否 在 太 空 环境 下 正 常工 作 ．能够 有 效地 降 低 光模 块 的 Ｔ程 设 计 费 用 本文 采用 Ａｎｓｖｓ软件 仿 真分 析航 天 光模 块 工作 时 的温 度分 布 ．改进 散热 设计 ．使 航天 光模 块满 足 相关 要求 。
ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇ ｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇ ｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｘ ｓｔｒｕｃｔ ｕｒｅ，ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｍ ｅｔａｌ ｓｈｅｌｌ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍ ｏｄｕｌｅ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｃ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗ ｏｒｋｉｎｇ ｔｉｍ ｅ ｃａｎ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ；ｔｈｅｒｍ ａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍ ａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ
考 虑 到空 间平 台 大 数据 量 的传 输 需 求 和 光纤 资 源 的 限制 ，光 通 信 常 采 用 波 分 复 用 方 式 进 行 光 传 输 ，光 模 块 通 常 集成 了多 个探 测 器 、激 光器 、电 连接 器 、光 连 接 器 、波分 复 用器 和 电源 等器 件 。集 成 的 各 个元 器 件 工 作 时 的温度 都 必 须处 在 各 自的工作 温 度 范 围 内 ．光 模 块 才 能 正 常地 工 作 应 用 于太 空 环境 ．决 定着 航 天 光 模 块 还 需 要 具 有 抗 辐 照 、重 量 轻 、体 积 小 和 一 定 的 力 学性 能等 特点 ．这 给航 天光 模块 的设 计带 来 了难 度 。
激 光 通 信具 有 频带 宽 、抗 电磁 干 扰 和适 应 性 强 等 特 点 ，适用 于 空间数 据传 输１２］。光模 块 能够 实现 光信 号 和 电信 号 的相 互 转换 ．是 激 光通 信 系统 的核 心 组件
收 稿 日期 ：２０１７—０９—２８。 作 者 简 介 ：张风 军 （１９８５一）．男 ．工 程 师 ，主 要 研究 方 向 为 光 学
．圮 雹 露 拽 扣 ２０１ ８ ｌ 笫 ３蟛
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１热 仿 真 前 处 理 热 仿 真 前 的处 理过 程 包 括输 入 条件 、划分 网格 、
０ 引 言 如 今 ，电子 元 器 件 向着 小 体 积 、功 能 高 度 集 成 方
向发 展 ，其 散 热 问题 面 临着 严 峻 的考 验 散 热 方 式 有 导 热 、对 流 和 辐 射 换 热 ，工 程 中 用 的 散热 方 式 会 是 其 中的两 种或 者 三种方 式 的组 合『ｌ１ 对于 航天 产 品 ．由于 太 空 环境 缺 少 流体 介 质 ．电子元 器 件 的散 热方 式 主 要 是 导 热 和辐 射 。根据 傅 里 叶导 热 原理 ．传导 的热 流 量 与 垂 直 于热 传 导 方 向上 的 接触 面 积 、温 度梯 度 和 材 料 的导 热 系数 有 关 。 因此 ．电子 元器 件 的散热 通 道 对 其 能否适 应 多种 环境 有重 要 意义
ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇｉｕｎ，ＴＡＮＧ Ｘ／ａｏ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ （Ｔｈｅ ３４ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＥＴＣ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｇｕａｎｇｘｉ ５４ １ ００４，Ｃｈｉｎａ）
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基 于 Ａｎｓｙｓ热 仿 真 的航 天 光模 块 的热 设 计
张 凤 军 ，唐 骁 ，陈 坚
（中国 电子 科技 集 团公 司 第 三十 四研 究所 。广 西 桂林 ５４１００４）
摘要 ：针对航 天光模块必须满足抗辐射 、重量轻 、体积小和具有一定的力学强度等设计要求，通过传热理 论 分析 ，利用 Ａｎｓｙｓ软 件 仿真 光 模 块 的温度 分 布 ，改进航 天 光模 块 的散 热 条件 ，并设 计 凸台 结构 直接 让 发 热 器件 与金属 外 壳接 触 ，使 得航 天 光模 块 能够 满足 工作 温度 要 求 ，最后 指 出策略 性 地选 择 发 热 器件 的 工作 时 间能够 改善散 热 条件 。 关 键 词 ：航 天光模 块 ；热仿 真 ；热设 计 ；散 热 中图 分类 号 ：ＴＢ２ 文献标 识码 ：Ａ 文 章编 号 ：１００２—５５６１（２０１８）０３．００３６．０３ ＤＯｌ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００２—５５６１．２０１８．０３．０１０
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｐａｃｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇ ｈ ｔ，
ｓｍ ａｌｌ ｖｏｌｕｍ ｅ，ａｎｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｔｈｅ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｍ ｏｄｕｌｅ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ Ａｎｓｙｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ
通 过 有 限 元 仿 真 航 天 光 模 块 工作 时 所包 含 的 各 个元 器 件 的 温度 ．判 断 航 天光 模块 能否 在 太 空 环境 下 正 常工 作 ．能够 有 效地 降 低 光模 块 的 Ｔ程 设 计 费 用 本文 采用 Ａｎｓｖｓ软件 仿 真分 析航 天 光模 块 工作 时 的温 度分 布 ．改进 散热 设计 ．使 航天 光模 块满 足 相关 要求 。
ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇ ｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇ ｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｘ ｓｔｒｕｃｔ ｕｒｅ，ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｍ ｅｔａｌ ｓｈｅｌｌ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍ ｏｄｕｌｅ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｃ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗ ｏｒｋｉｎｇ ｔｉｍ ｅ ｃａｎ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ；ｔｈｅｒｍ ａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍ ａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ
考 虑 到空 间平 台 大 数据 量 的传 输 需 求 和 光纤 资 源 的 限制 ，光 通 信 常 采 用 波 分 复 用 方 式 进 行 光 传 输 ，光 模 块 通 常 集成 了多 个探 测 器 、激 光器 、电 连接 器 、光 连 接 器 、波分 复 用器 和 电源 等器 件 。集 成 的 各 个元 器 件 工 作 时 的温度 都 必 须处 在 各 自的工作 温 度 范 围 内 ．光 模 块 才 能 正 常地 工 作 应 用 于太 空 环境 ．决 定着 航 天 光 模 块 还 需 要 具 有 抗 辐 照 、重 量 轻 、体 积 小 和 一 定 的 力 学性 能等 特点 ．这 给航 天光 模块 的设 计带 来 了难 度 。
激 光 通 信具 有 频带 宽 、抗 电磁 干 扰 和适 应 性 强 等 特 点 ，适用 于 空间数 据传 输１２］。光模 块 能够 实现 光信 号 和 电信 号 的相 互 转换 ．是 激 光通 信 系统 的核 心 组件
收 稿 日期 ：２０１７—０９—２８。 作 者 简 介 ：张风 军 （１９８５一）．男 ．工 程 师 ，主 要 研究 方 向 为 光 学
．圮 雹 露 拽 扣 ２０１ ８ ｌ 笫 ３蟛
固
１热 仿 真 前 处 理 热 仿 真 前 的处 理过 程 包 括输 入 条件 、划分 网格 、
０ 引 言 如 今 ，电子 元 器 件 向着 小 体 积 、功 能 高 度 集 成 方
向发 展 ，其 散 热 问题 面 临着 严 峻 的考 验 散 热 方 式 有 导 热 、对 流 和 辐 射 换 热 ，工 程 中 用 的 散热 方 式 会 是 其 中的两 种或 者 三种方 式 的组 合『ｌ１ 对于 航天 产 品 ．由于 太 空 环境 缺 少 流体 介 质 ．电子元 器 件 的散 热方 式 主 要 是 导 热 和辐 射 。根据 傅 里 叶导 热 原理 ．传导 的热 流 量 与 垂 直 于热 传 导 方 向上 的 接触 面 积 、温 度梯 度 和 材 料 的导 热 系数 有 关 。 因此 ．电子 元器 件 的散热 通 道 对 其 能否适 应 多种 环境 有重 要 意义