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【科普】飛彈尋標器熱管理系統隨筆

望燁 | 2023-11-28 17:53:15 | 巴幣 1202 | 人氣 113

11/8
這幾個月看飛彈散熱論文的心得是,這東西跟一般的電子散熱,乃至於一般的軍用儀器散熱都有很大的不同。
不是說前方的冷卻系統有什麼不同,這點其實大家都一樣,無非是用不同的方式接觸熱源,如果散熱需求高的話,就用液冷的冷板處理發熱,或是如多數的IR導引飛彈以液態氮等流體進行冷卻。
但問題是,本質上而言,散熱是一種熱交換的過程,透過流體冷卻飛彈尋標器之後,變熱的流體該怎麼處理?
一般的電子冷卻,甚至是戰鬥機的雷達冷卻,當你把熱源的廢熱帶走之後總會有一個Heat Sink來做熱交換,如戰鬥機的雷達冷卻是利用進氣道的低溫空氣進行熱交換,而資料中心的熱交換則往往是水塔等設備。
而飛彈則不一樣,雖然跟戰鬥機一樣都是飛的,都有高熱源,但一般而言多數飛彈的彈體不會有進氣道(除了少量的衝壓發動機動力飛彈,如英國的流星等,又或是以渦輪發動機為動力的巡弋飛彈,如雄二、萬劍),一般傳統以火箭為推進段的空對空/地對空/地對地飛彈並不會有額外的進氣空間。
也因此,如尋標頭(Seeker)、熱電池等會產生熱的設備冷卻,就很難透過熱交換的方式來把廢熱及時排放到彈體之外。
相反的,前述火箭動力源的飛彈是利用「儲熱」的方式來處理廢熱的。
當Seeker上的TWT廢熱透過液冷系統帶走時,最終是傳遞到一個固定的殼體或相變材料(PCM)把廢熱儲存住,不讓廢熱干擾到尋標器的運作,而無法像飛機一樣利用不斷流遞的冷空氣將廢熱帶到大氣中。
之所以能採取這種方式,也是因為飛彈的Seeker乃至於其他的處理器的元件運作時間不長,長的不過十來分鐘,短的三分鐘內,甚至數十秒內就會結束運作,也因此,只要選擇足夠導熱係數的金屬基座/殼體,如晚近流行的金剛石-金屬複合材料,便可以確保飛彈運作時間內的散熱效果,使尋標器的溫度在一定的時間內維持在指定的溫度以下。
『「只要在尋標器因過熱報廢之前把廢熱帶到不影響運作的部分,就沒有散熱問題了」的意思嗎?』
『對,就是這個意思』

11/28
雖然我很多個月(?)以前好像挖了一個要講飛彈尋標器散熱的坑
那為什麼後來只有一篇很短的文呢?
我其實是有整理,但一看到整理好的東西就懶得發出來了。
不發出來之後研究還可以用,發出來變成我還要引用我自己,而且還是很沒公信力的那種網路資訊引用......
這時候就很佩服 [color=var(--accent)]鐵甲艦與無畏艦 Ironclads and Dreadnoughts 大佬願意把研究筆記之類的東西發出來。
配圖我就隨便丟了,簡單來說就是PCM儲熱在飛彈尋標器應用的示意圖。

回到正題(這篇有這種東西?),我在11月8號的貼文有提到,飛彈的尋標器散熱最後是依賴儲熱的方式來處理的,那具體的樣子如圖。
目前AESA尋標器最主流的散熱方式(不一定是應用,但以研究方向來說),是靠具有很好儲熱能力的相變材料,比方石蠟等等材料來儲存廢熱,當廢熱積累到一定的程度時,石蠟就會產生相變化,從固體變液體。
一般來說,石蠟越快、越完全的變成液體,越能良好的儲存飛彈尋標器的廢熱,使尋標器的溫度保持在操作限制之下。
但這時候就有一個很大的問題:石蠟導熱很爛,超爛,0.2W/m*k的低導熱係數讓熱很難均勻的傳導到整塊石蠟(鋁的導熱係數是209,by the way),於是很多研究都發現石蠟應該要吸收比鋁框架更多的熱、溫度更低,結果因為均溫性太差,溫度反而更高了。
那怎麼辦呢?面對這種狀況,其實就是想方設法地增加他的導熱,比方說加一點神奇的金屬粉末,或者是插幾片鰭片,對,就是大家電腦塔散的那種一片片的鬼東西,來去讓熱可以更快的傳遞到石蠟的每個角落。
這種用在seeker的鰭片在中國的文獻當中被稱之為「增強筋」,除了增加石蠟等PCM的導熱之外,本身也有強化結構強度的功用。
啊當然也不只這種方式,再來點熱管或均熱板這種東西也是有幫助的,但用二相元件會需要考量他的抗重力、高加速度(high G)下的性能,所以其實相對比較麻煩一點,目前的研究其實也很少考慮到這部分。
不過最好玩的是,其實用PCM不是所有時候都能有比金屬更低的溫度,聽起來很像上面提過的廢話,但這邊指的是所有加強手段都用上的情況,有時也是如此。
那為什麼還要用呢?
因為這東西,真的很輕,有文獻顯示用石蠟PCM之後,尋標器散熱系統的重量比原先輕了62%。
順帶澄清一下,在懶人的抄書筆記和雜想前輩提醒下,我才發現AIM-54A其實受限於當時的電子元件發熱量與熱傳手段,採用的是液冷+對外空氣熱交換器的設計,在這邊更正一下,再次感謝前輩的提醒。

-留言對問-
Q:請教如果石蠟完全液化了,不易再繼續吸收熱量的時候也就是設計上飛彈應該已經命中或是 miss 目標的時候?也就是預先填充的石蠟量約超過尋標頭預計工作時間產生總廢熱/ 石蠟潛熱?

A:飛彈尋標器的熱管理是暫態的研究,主要是一定時間內將seeker溫度控制在限制溫度以下即可。以中國方面的文獻為例,目前有看到seeker的文獻需求是在180sec/120度以下,或是更低的溫度等。
那回到您的問題,正如您所說,在設計之初就要計算出預計工作時間內可能會產生的總廢熱量,如下面簡報左側的公式,透過PCM質量、金屬框架質量等參數,即可計算出右側表格的吸熱量,來作為初步評估。

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