Разработка конструктивного решения для обеспечения теплового режима печатных плат в условиях космического вакуума

Авторы

Рубцов А. Ю.

Авиационная электроника и коммуникационные системы,

e-mail: a.rubtsov@avecs.ru

Аннотация

Представлена разработка конструктивного решения многослойной печатной платы, предназначенной для работы в составе электронной аппаратуры аэрокосмического назначения. Плата содержит силовые электрорадиоэлементы, требующие поддержания стабильного теплового режима для обеспечения надежной работы всей системы, для обеспечения облегченного теплового режима работы в ее структуру интегрирован металлический сердечник из алюминиево-магниевого сплава, выполняющий функцию локального теплоотвода. Проведено математическое моделирование тепловых процессов, позволившее оценить распределение температур и влияние сердечника на снижение теплового режима работы электрорадиоэлементов (силовых компонентов). Моделирование показало снижение максимальной температуры силовых компонентов более чем на 25°С. При этом использование интегрированного теплоотвода приводит к формированию выраженного температурного градиента по поверхности печатной платы, что обусловлено локализацией отвода тепла от зон наибольшего тепловыделения. Для подтверждения расчетных данных были проведены экспериментальные исследования, которые подтвердили эффективность предложенного конструктивного решения. Полученные результаты демонстрируют надежность и стабильность теплового режима, а также подтверждают возможность использования данного подхода при разработке электронной аппаратуры для аэрокосмической техники.

Ключевые слова:

печатная плата; тепловое моделирование; теплоотвод; космический вакуум; АМг2-М; тепловой режим.

Список источников

1. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике: Учебник для авиационных специальностей вузов/В.С. Авдуевский, Б.М.  Галицейский, Г. А. Глебов и др.; Под общ. ред. В.С. Авдуевского, В.К. Кошкина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. 
2. Теплообмен в космосе: учеб. пособие/С.В. Цаплин, С.А. Болычев, А.Е. Романов. - Самара: Изд-во Самарского ун-та, 2018. 
3. Бухмиров В.В. Тепломассообмен: Учеб. пособие // ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2014. 
4. ГОСТ 21631-76 «Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия».
5. Е. В. Аметистов, В. А. Григорьев и др. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник; под общ. ред. В. А. Григорьева и В. М. Зорина. – М.: Энергоиздат, 1982. 
6.  F.P. Incropera, D.P. DeWitt, T.L. Bergman, and A.S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th ed., John Wiley & Sons, 2006.
7. A. Bejan, Heat Transfer, John Wiley & Sons, 1993.
8. Макеев П. А., Чермошенцев С. Ф. Апробация методики автоматизированного размещения элементов на гибко-жесткой печатной плате на практических примерах. // Труды МАИ. 2024. № 134. URL:  https://trudymai.ru/published.php?ID=178481
9. Костин А.В. Методика расчёта ширины печатных проводников печатных плат на металлическом основании для приборов космических аппаратов при переменном токе. // Труды МАИ. 2020. № 114. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=118933
10. A modeling method for thermal steady-state simulation of the four-layer printed circuit board. – Zhang Y. и Chen L. Plos one. 2024.
11. Роткоп, Л. Л. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры / Л. Л. Роткоп, Ю. Е. Спокойный. – М.: Сов. радио, 1976. – 230 с.
12. Алексеев, В. Ф. Моделирование тепловых полей электронных систем в среде ANSYS / В. Ф. Алексеев, Д. В. Лихачевский, Г. А. Пискун // BIG DATA and Advanced Analytics. BIG DATA и анализ высокого уровня: сборник материалов VI Международной научно-практической конференции, Минск, 20–21 мая 2020 года: в 3 частях. Ч. 3 / редкол.: В. А. Богуш [и др.]. – Минск : Бестпринт, 2020. – С. 282–286.
13. Карабан В.М. Возможности проведения расчета теплового режима печатных плат в системе имитационного моделирования ANSYS Icepak / В.М. Карабан, И.О. Суслов // Матер. XVI Междунар. науч. конф., посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем акад. М.Ф. Решетнева. - 2012. - Ч. 1. - С. 179-180.
14. Multisim. Руководство пользователя и лабораторный практикум [Текст] : учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки: 15.03.14 - "Автоматизация технологических процессов и производств", 37.03.04 - "Управление в технических системах" / Н. А. Быковский, Л. Н. Пучкова, Н. Н. Фанакова [и др.] ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет", Филиал в г. Стерлитамаке. — Уфа: Изд-во УГНТУ, 2017. — 93 с.: ил, схемы, табл.: 20 см.; ISBN 978-5-7831-1502-8.
15. Гололобов, В. Н. Схемотехника с программой Multisim для любознательных [Текст]: учебное пособие / В. Н. Гололобов. — СПб. : Наука и Техника, 2019. — 272 с. — ISBN 978-5-94387-880-0.
16. Федоров, В.К. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств / В.К. Федоров, Н.П. Сергеев, А.А. Кондрашин; под ред. В.К. Федорова. - М.: Техносфера, 2005. - 502 с.
17.    Лисейкин, В.А. Основы теории испытаний. Экспериментальная отработка ракетно-космической техники / В.А. Лисейкин, Н.Ф. Моисеев, Г.Г. Сайдов, О.П. Фролов; под ред. В. К. Чванова. - Москва: Машиностроение - Полет: Виарт Плюс, 2015. - 264 с.
18. Быков В.В. Обеспечение тепловых режимов энергопреобразующей аппаратуры космических аппаратов. Вестник науки Сибири, 2014, № 3 (13). – с. 16-20.

Скачать статью