深空一号飞行中的多功能结构技术试验

深空一号飞行中的多功能结构技术试验󰀁

󰀁摘要󰀂 洛克希德!马丁宇航公司已开发出作为宇宙飞船设计新系统的多功能结构(MFS)概念,它淘汰了机箱、电缆、连接器并把电子设备封装进宇宙飞船的壁中。协作工程学对于把电子、结构和热设计集成看成是最重要的。设计的方法是在工作中控制所有的功率、接地和屏蔽的关系。MFS方法提供了重要的重量和体积节省并在新的宇宙飞船计划中支持∀更快、更好、更省∀的哲学。该技术在新千年计划深空一号(DS1)任务的试验中将得到证明。关键词 多功能结构(MFS) 宇宙飞船计划MultifunctionalStructuresTechnologyExperimentonDeepSpace1Mission

󰀁Abstract󰀂 LockheedMartinAstronauticshasdevelopedtheMultifunctionalStructure(MFS)conceptasanewsystemforspacecraftdesignthateliminateschassis,cables,connectorsandfoldstheelectronicsintothewallsofthespacecraft.Concurrentengineeringwillbeessentialtointegratetheelectronic,structureandthermaldesign.Designmethodologiesareinworktomanageallpower,groundingandshieldingconcerns.TheMFSapproachofferssignificantsavingsinmassandvolumeandsupportsthe#faster-better-cheaper∀philosophyinnewspacecraftpro󰀁grams.ThetechnologywillbedemonstratedasanexperimentontheNewMilleniumProgramDeepSpace1(DS1)mission.KeyWords Multifunctionalstructure(MFS) Spacecraftprograms

1 引 言美国国防部(DoD)和国家航空和宇宙航行局(NASA)关于21世纪的设想包括了大量的轻质量和低成本太空设备器材的发射和运行。为了实现建造复合微型宇宙飞船的梦想,对当前的宇宙飞船体系机构和任务的开发方法的革命性改变是强制性的。这些改变只有使用真正的协作工程学方法才能实现,该方法结合了在结构学、热力学、微电子设备、微型器械/传感器、动力和推进分系统中的新进展。微型宇宙飞船必须提供相对于当前宇宙飞船设计在飞行系统质量上有数量级的减少。单独地集中在结构质量的减少是不能适应这个要求的,因为典型的结构只占总系统质量的10~15%。航空电子设备本身的小型化进一步减小了质量∃1,2%,但是并未减小与航空电子设备机箱、电缆、航空电子设备封装的结构支撑、或者与连接器关联的大的寄生质量。这些寄生构件的质量占空间科学宇宙飞船∃3~5%质量的50%。对与这进退两难的局面,解决的办法可以从MFS设计中找到,在MFS设计中,结构完成的功能超出了支撑机械载荷。特别是MFS概念包括在复合材料的实际体积中埋入无源电子元件,把有源电子元件直接附加到机械表面的新方法以及利用表面区域装配传感器和变换器。MFS技术开发的最终目的是使基本电子零件对总的封装体积的体积比取最大值。这将使宇宙飞船的大部分内部空间用于诸如箱体、天线以及光学元件项目,它们的物理特性防碍了小型化。MFS技术同样乐意支持宇宙飞船的批量生产。这篇论文将讨论MFS技术开发的详细情况及对DS1(深空一号)任务的演示试验。2 MFS:集成电子设备、结构和热控制功能为了致力于将来微型宇宙飞船的需要,Lockheed总第90期 第2期 2001年4月 电子机械工程 Electro-MechanicalEngineeringTotalNo.90 No.2 Apr.2001

󰀁∀MultifunctionalStructuresTechnologyExperimentonDeepSpace1Mission∀,AIAA/IEEEDigitalAvionicsSystemsCon󰀁ference,Vol.1,pp.2.3-1~2.3-7(王仁德译,朱瑞平校)Martin公司已开发了一种创新的MFS设计,一种新的电子封装、互连、以及数据和功率分配的方法,它把这些功能与关系到机械载荷和提供热控制的功能加以集成。在传统的宇宙飞船中,结构、热设计和电子功能是一般设计且制成独立单元。通常是用于结构的承载板、框架以及外壳,热控制的散热器和冷却板以及用于电子设备的黑盒子,这些单一功能单元在宇宙飞船最后装配的时候是用螺钉装配到一起的。单元之间的功率分配和信号传输是利用连接器和成捆电缆完成的。这些电缆和连接器主要是由大量大体积包装组成的,它们不能直接适用于宇宙飞船的电功能而是为了提供结构支撑并允许在总装和测试时处理所需要的。MFS淘汰了这些体积大的组件(机箱、电缆和连接器)并使诸如数据传输和功率分配网络、指令和数据处理(C&DH)分系统、热控制和载荷处理电子分系统集成。2.1 MFS设计原始的MFS设计(图1)由结构复合面板组成,它具有多层铜/聚酰亚胺(Cu/PI)板片粘合到一边,埋置了热传递装置,以及起散热器作用的外表面。电的互连(即,C&DH)设计在Cu/PI层,电路是在多芯片模块(MCMs)中实现的,以及柔性跨接线起功率分配和数据传输电的互连作用。埋置在MFS中的热控制装置也许包括微型热管和各种类型高传电导性的热倍增器和母线。

图1 包括具有集成热控制、聚酰亚胺柔性电路、MCM插座以及形成提供电磁屏蔽和防护外壳的结构面板的MFS面板设计表1 传统的S/C元件和相应的MFS元件通用的S/C元件MFS元件传统的VME印制配线板多芯片模块(MCM)动力和接地平面铜聚酰亚胺(Cu/PI)电路连接片

电缆/跨接器/连接器铜/聚酰亚胺(Cu/PI)柔性跨接线EMI屏蔽盒模块化的复合保护层热结构面板(w/w-o辐射固化)复合材料面板拆卸置换MCM插座 表1列出了MFS要素和相应的传统S/C要素。完成特殊电子分系统功能的高级MCM粘接在电路板片上,它们是通过在面板内柔性的互连相互连接的。柔性的连接片(跨接线)也用来从一块面板到相邻面板互连连接片。每一个电子设备/电子设备(即,MCM/连接片和连接片/连接片)和电子设备/结构(即,连接片/复合外壳)

接口是可卸下的,这样对于将来无电缆的宇宙飞船就提供了成本有效性、模块化、可靠性和可维修性的体系结构。2.2 MFS的好处借淘汰电子设备机箱以及电缆连接,MFS设计方法使功能电子设备对总的电子设备封装的体积比达到最大。这样最大化的比率,导致了实质重量和内部体积的节省。这样,MFS技术具有以下优点:!在电子设备机壳和导线系统中减少70%的无电缆S/C;!在有效载荷质量部分增加大于25%;!在对于仪器和推进剂容器有用的S/C体积中21第2期 深空一号飞行中的多功能结构技术试验 增加大于50%;!当MFS设计对于大量的微型宇宙飞船群集提供模块化体系结构时,减少了LCC(>1.5X缩减量);!减少了在最终S/C集成中需要的#手工劳动∀;!增强了耐用性和可靠性; !对于若干任务有广泛的适用性。2.3 MFS的发展图2表示电子设备增强集成协作工程学方法。结构和热控制技术深入MFS设计之中,其中多数宇宙飞船电子设备是置于带有内置热控制器的宇宙飞船总线的结构面板(壁)中。

图2 MFS设计开发完全依赖于协作工程法 通用的柔性电路(粘附的铜/聚酰亚胺)技术正在使用若干新的方法,把电路放在复合材料中并提供在不同功能区之间替代电缆的互连。柔性电路还能高密度电路布线,这是MCM输入/输出(I/O)线要求的,这个线数可能接近一千。宇宙飞船总线结构是用轻的复合材料板制作的。随热负荷而定,在面板中的热控制是用高传导性的结构材料、热倍增器、热通路/热母线或埋入的热管完成的。在MFS开发期间,构建分区的方法被用来产生设计和开发材料以及加工处理。已制成若干铜/聚酰亚胺(Cu/PI)电路板片和具有不同线迹宽度、长度和间距的柔性跨接线以确保电路贯通,并在测量和预计的阻值之间建立可再现的相互关系。已制成的特殊MCM(以低温烧结陶瓷为基础)和电路板片随后通过创新的插座设计相互连接。同样,利用能承受热固化的焊料,在适当的地方焊接技术被开发出来把柔性跨接线连接到电路板片上以确保电路贯通。薄的铜/聚酰亚胺(Cu/PI)板片被用粘合剂粘接到结构复合材料面板上。这种对结构底层的密切接触提供了很好的机械性能并能整体地热控制。MCM通过一个热接口缓冲器直接安装在结构面板上。结合功能性MCM、兼容性电路板片、插座设计和热控制的原型MFS面板已被制成。典型的MFS面板随机振动和正弦-扫描振动试验表明MFS体系机构的机械和电的集成在试验期间和试验以后都能保持很好。后来的MFS面板热真空试验显示MCM元件温度很好地在工作温度范围之内。当MFS开发的成果包括2D-MCM时,它的设计方法完全与3D-MCM封装技术兼容。这些MCM淘汰了对传统的印制配线板的需求,电路连接片事实上淘汰了对体积大的电缆的需求,柔性相互连接取代了大多数连接器以及金属化22 电子机械工程 2001年的复合材料罩子淘汰了体积大的封装。2.4 MFS演示面板MFS演示面板已被成功地设计、制作和试验,并提供了C&DHMCM的功能性验证。MFS面板是由三片K13C2U复合材料面板装配起来的。信号调节连接片产生电压分配用于产生32种截然不同的DC电压电平作为A/D变换器用。DIP开关用作离散输入控制。LED显示器广泛地用作数码输出和状态指示。两个D-子连接器安装在面板的两边提供诸如功率、指令和串行数据输出的外部接口。MCM是在用温度仿真MCM热试验中早期开发的热控制手段安装的。机械紧固夹具被用来固定在MCM插座线带中的导线。2.5 在深空一号(DS1)中的MFS试验NASA新的千年计划(NMP)在通往实现21世纪空间探险和地球观测新梦想中已踏出第一步。NMP将开发和验证&&&在挑战空间条件下&&&在下世纪飞行的新型任务要求的基本技术和能力。NMP发起了一场革命,它将确保对于2000年后空间和地球科学任务的科技准备就绪。NMP深空1号任务将完成彗星和小行星的飞越任务;这是预定在98年7月的飞行。宇宙飞船的特色是微型照相机和分光仪、离子推进器和完全的搭载自主、技术(包括MFS),它们将为空间探险铺平道路。图3表示安装在深空一号(DS1)宇宙飞船总线外表面的MFS技术试验。试验包括微控制印制电路板、高-低功率分配模块(HiLoPDM-MCM)、热仿真MCM以及辐射固化复合材料罩子。MCM试验演示了如下关键技术基础:在宇宙飞船结构面板上利用柔性电路的埋入电子相互连接系统、多芯片模块(MCMs)、MCM插座、柔性跨接线、各向异性电粘接、温度传感器以及热倍增器。