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航空相机焦面组件的相变散热研究

作　者: 张捷
导　师: 吴清文
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 焦面组件热设计相变散热航空相机
分类号: V245.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要

随着科技的发展以及信息战争需求的推动，航空相机得到了极大的发展，同时其对图像清晰度的要求越来越高。焦面组件作为航空相机的关键部位，保证其合理的温度水平及温度梯度对获取高质量图像十分关键。某航空相机的焦面组件发热功耗大，工作时间长，传统的风冷无法满足其散热需求。相变散热器利用相变材料的相变潜热吸收发热件产生的热量，使得焦面组件的温度稳定在相变点附近。本文首先对典型相变散热器性能进行了研究，然后针对此相机的结构特点、飞行环境结合焦面组件的结构形式及所处热环境，通过多参数分析进行了相变散热器的优化设计。利用有限元软件对焦面组件基于相变散热器的热设计方案进行了验证，研究了环境温度、接触热阻等设计参数对散热器性能的影响，规划了相变散热器的热试验。论文的研究工作及成果为相变散热器的设计和使用提供理论支撑和参考。本文的研究工作主要包括：1)概述了航空相机的发展现状及发展趋势。介绍了焦面组件的热控必要性、热控原则及几种典型的焦面热设计方案，总结了焦面组件热设计的特点。阐述了相变原理及相变散热应用中的导热增强问题、相变散热应用的特点。2)对相变传热模型的几种数值求解方法进行了介绍，完成了典型相变散热单元热模型的建立，对三种有限元模型的计算结果进行误差分析，通过对比获得了精度高、计算效率高的有限元模型，利用此有限元模型研究了导热肋的体积分数、分布形式对导热效果、散热器散热性能的影响。3)分析了相机和焦面组件热环境，针对此焦面组件的散热需求设计了相变散热器，以质量和体积最小为目标，利用Matlab对相变散热器的几何尺寸进行了优化。然后以相变散热器热载荷面温度水平（低于35℃）为目标，利用有限元热分析软件实现了导热肋的优化分布。最后设计了焦面组件导热通路，并验证了此导热通路的合理性和可行性。4)给出了相变散热器的有限元建模原则和建模过程，并通过仿真分析验证了焦面组件热设计的合理性，对相变散热器的实际使用性能进行了研究，最后为此散热器规划了单独热试验和系统级热试验。5)总结了论文所做工作，提出了深化研究工作的设想。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-28
  1.1 航空相机的发展现状  12-16
  1.2 典型焦面组件热设计  16-21
    1.2.1 焦面热控的必要性  16-17
    1.2.2 机上电子学热控原则  17-18
    1.2.3 典型的焦面组件热设计方案及焦面组件热设计特点总结  18-21
  1.3 相变散热及应用  21-23
    1.3.1 相变材料简介  21-22
    1.3.2 导热增强手段  22
    1.3.3 相变材料的应用  22-23
  1.4 传热机理介绍  23-25
  1.5 论文的选题背景、研究内容、意义  25-26
  1.6 本章小结  26-28
第2章典型相变散热单元模型建立及导热肋性能研究  28-54
  2.1 相变传热数值求解理论  28-34
    2.1.1 温度场控制方程、边界条件  28-31
    2.1.2 相变传热数值解法  31-34
  2.2 典型相变散热单元的数学模型  34-37
  2.3 相变散热单元有限元模型的比较和选择  37-41
  2.4 肋片体积分数、分布形式对导热效果的影响  41-53
    2.4.1 导热肋的体积分数的影响  41-47
    2.4.2 导热肋的分布形式的影响  47-53
  2.5 本章小结  53-54
第3章焦面组件热设计  54-82
  3.1 相机的结构及换热关系  54-55
  3.2 焦面组件的热环境  55-56
  3.3 电子器件热设计方法  56-59
  3.4 相变散热器的优化设计  59-76
    3.4.1 散热器材料的选择  60-62
    3.4.2 散热器几何尺寸的确定  62-71
    3.4.3 导热肋的优化  71-76
  3.5 焦面组件箱内部导热通路的设计  76-80
  3.6 本章小结  80-82
第4章相变散热器的热分析与热试验规划  82-96
  4.1 系统热模型的建立  82-86
    4.1.1 接触热阻的理论  82-84
    4.1.2 热模型的建模原则  84
    4.1.3 散热器系统有限元热模型的建立  84-86
  4.2 热分析  86-89
  4.3 灵敏度分析  89-93
    4.3.1 环境温度对散热性能的影响  89-92
    4.3.2 接触热阻系数对散热性能的影响  92-93
  4.4 热试验的规划  93-95
    4.4.1 独立热试验  93-94
    4.4.2 系统级热试验  94-95
  4.5 本章小结  95-96
第5章总结与展望  96-98
参考文献  98-101
在学期间学术成果情况  101-102
指导教师及作者简介  102-103
致谢  103

航空相机焦面组件的相变散热研究

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