空间行波管收集极的热特性分析

　　空间行波管是各类应用卫星中的核心部件,随着多种不同功能应用卫星的高速发展,对空间行波管的数量和性能提出了越来越高的需求[1]。电子注在和电磁波互作用时只能把其中的一部分能量交给电磁波起放大作用,没有交出去的能量在电子打到收集极上时转化为热能散失了[2],因此收集极是行波管发热最严重的部分之一。如果其温度过高,不但会严重影响整个管子工作的可靠性和稳定性,而且会大大缩短管子的寿命。对行波管收集极的热特性进行分析,优化结构,使管子工作在正常的温度范围内,以保证管子工作的可靠性和稳定性是很重要的。本文即对空间行波管收集极进行热特性分析,并运用间接法进行了热-应力耦合分析,得到了收集极位移场分布等值线图,定量地分析了接触热阻和热辐射对收集极温度分布的影响。在空间行波管中,其收集极内外都是真空状态,所以收集极不存在对流散热,则文献[3]中强迫风冷和水冷的散热手段已不再适用。

　　1　行波管热特性的模拟和计算

　　1.1　有限元模型的建立

　　建立有限元模型分为构建实体模型和划分网格两个步骤。整个收集极为5级降压收集极,呈轴对称结构,采用自底向上建模,建立的3维1/2实体模型,如图1所示。该模型涉及的组件有收集极、降压瓷筒、收集极外筒、收集极头等。进行自由网格划分,不考虑接触热阻时收集极的有限元模型如图2所示。该模型总共生成了166 207个单元,255 640个节点。

　　1.2　热载荷及边界条件

　　收集极热量是由一定密度的电子注打到收集极内表面而产生的,在施加热载荷时首先要把进入收集极的电子注的功率密度换算成热流密度。因为电子注密度是不均匀的,所以在收集极内表面施加的热流密度也是不均匀的。我们采用电子科技大学等单位开发的行波管模拟器套装MTSS中的注波互作用模块,计算电子进入收集极的入口条件,利用MTSS中的多极降压收集极模块,计算出电子在收集极的运动轨迹,如图3所示,再换算成不同位置处的热流密度,作为热载荷加在收集极内表面。根据散热方式和散热手段的不同,边界条件主要是施加在收集极外筒、散热翅片表面和空间节点上的常温载荷。我们选定收集极外筒温度为100℃,散热翅片表面温度为80℃,空间节点的温度由收集极外部环境温度决定,而且空间节点的温度对整个收集极温度分布的影响很小[4],我们选定其温度为10℃。

　　1.3　分析类型的确定

　　由于主要是为了保证行波管稳态工作时的可靠性,对中间过程不是很关心,所以进行稳态分析。此外,我们设定的收集极材料的导热系数是定值,在不考虑辐射时,分析过程可以看作是线性的;在考虑辐射时,分析过程则是非线性的。