嵌入式系统如何应对当今航空电子设备的散热难题

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随着处理器速度更快、功能更多、带宽更高，当今的航空电子设备正将冷却技术推向极限甚至突破极限。

“这一趋势导致组件和电路板层面的热通量不断增加，商用电子产品的热通量超过100W/cm2，部分军用高功率电子产品更是超过1000W/cm2，”Boyd Corporation旗下Aavid热管理部门的工程与技术副总裁Nelson J. Gernert在接受Avionics International采访时表示。“此外，在严苛的航空航天和国防环境应用中，对更复杂、更强大电子设备的需求也在不断增长。”

嵌入式系统公司及该领域的其他企业正通过多种创新解决方案来应对这一散热难题。以下是他们如何降低温度的方法。

助力传导冷板发挥更大效能

传导是航空电子散热最基本的形式。电路板产生的热量通过热传导进入金属“冷板”，然后被动地辐射到周围空间中，远离电子设备。

Boyd Corporation通过在其实心铝冷板产品线中增加“铝k-Core®”冷板，增强了被动冷板将热量从电路板（和组件）传导出去的能力。Gernert表示，这些冷板由铝封装的APG（退火热解石墨）制成，“结合了铝的机械强度和CTE（热膨胀系数），以及石墨更高的导热性和更轻的重量。”

Boyd还提供两相热管增强型冷板，其中嵌入冷板内的管道中的流体蒸发以带走工作电子设备的热量，然后在另一位置冷凝以释放热量。Gernert表示，这是增强冷板热传递的最有效方法。

Advanced Cooling Technologies (ACT) 是一家面向航空航天市场的热解决方案提供商。

“本质上，当您的设备过热且您自己无法找到冷却方法时，我们就是来提供帮助的，”ACT国防与航空航天产品经理Jens Weyant表示。

在通过铝或铜进行被动传导不足的情况下，ACT推荐使用APG和通过两相热管进行蒸发。

ACT的HiK“散热片”通过将更多热管嵌入每个铝冷板中来放大热管的导热性。同时，该公司的等温卡边缘楔形锁或ICE-Lok™铝卡固定器从被固定的电路板上提取更多热量，仅仅是因为它提供了更多的金属来传导热量。

“传统的固定器只在一个方向上膨胀以夹紧电路板，”Weyant说。“ICE-Lok在两个方向上膨胀，一个用于夹紧电路板，另一个用于将固定器与机箱凹槽进行热连接。通过这样做，我们能够在保持足够夹紧力的同时将传导接触面积增加一倍。”

无风扇冷却技术

General Micro Systems (GMS) 为军事应用（包括航空电子）制造小型服务器、交换机和路由器。虽然该公司也制造风扇冷却的航空电子系统，但最近推出了Titan，其宣称这是“业界首款密封、无风扇、传导冷却的机架式服务器，配备人工智能（AI）和军用圆形（38999）连接器，在最严苛的国防和航空航天应用中具有卓越的坚固性。”

鉴于Titan在1U或2U机箱中使用了多达四个英特尔最新的第二代可扩展至强处理器，GMS如何散热？

“我们利用机身本身为这款服务器提供气室冷却，”该公司首席商务官Chris Ciufo回答。“定制的内部散热器将热量传导至气室，空气要么被强制穿过服务器，要么以类似真空的方式从后部抽出。这使得服务器实现100%静音，非常适合在操作员空间使用。”

吹拂电路板是一种历史悠久的冷却方法。VITA 48.8开放标准所体现的方法通过在机箱内间隔电路板以允许增强的气流，使空气冷却更加高效。冷空气从电路板底部的多个方向引入，向上流过所有电路板，并从顶部侧面排出。这消除了气流中的死角，并利用对流的自然力量推动空气流动。

“VITA 48.8允许您直接将空气吹过电路板，这为散热创造了更短的热路径，”Abaco Systems首席机械工程师Brian Hoden表示。

VITA 48.8不仅提供了比传统空气方法好得多的冷却效果，而且比公认高效的液体冷却更简单。“使用液体冷却时，您必须整合一个液-气热交换器，这会占用额外空间；还有管道和泵，”Hoden说。“在更换组件或连接故障时也存在泄漏风险；而这正是您不希望发生在航空电子舱内的事情。”

液冷技术更具优势

除了Abaco和Lockheed Martin，Curtiss-Wright还赞助了将这一标准引入行业的VITA 48.8工作组。事实上，Curtiss-Wright担任了该工作组的主席，这说明了该公司对VITA 48.8空气冷却价值的认可。

话虽如此，VITA 48.8只是Curtiss-Wright愿意用于航空电子冷却的热解决方案之一，Curtiss-Wright Defense Solutions的技术研究员Ivan Straznicky表示。与Abaco的Hoden不同，Straznicky认为液体冷却（符合VITA 48.4液体流通标准）足够安全，可用于高端航空电子系统；因为它具有诸多优势。

“事实是，液体是比空气好得多的冷却剂，”Straznicky说。“它的传导和散热效果要好得多；然而，管道、泵和热交换器的使用确实使实施变得复杂。您可以在系统中使用各种液体；例如像聚α烯烃（PAO）这样的介电流体，如果溢出也不会导电。总而言之，液冷值得认真考虑。”

Northrup Grumman认同Curtiss-Wright的观点和方法。“我们大多数现代航空电子系统都采用液冷技术，因为我们发现它能实现更高的热传递，”该公司空中优势与打击副总裁Greg Simer表示。“不过，我们也根据系统的性能要求和功率密度使用空气冷却技术。”

根据Sikorsky海事与任务系统首席工程师John Eunice的说法，Lockheed Martin是发起ANSI/VITA 48.8标准（用于气流穿透冷却，以在更多活跃核心和更高时钟频率下实现更高处理性能）的公司之一。Eunice表示，ANSI/VITA 48.8提供的冷却类型非常适合航空电子系统，因为它允许处理器产生的热量快速传递到空气中并吹出机箱。

“Lockheed Martin在包括S-97 Raider、S-B>1 Defiant和HH-60W战斗救援直升机在内的多架飞机上使用了AFT冷却，与替代方案相比，显著减轻了重量。S-97 RAIDER在最初四年半的飞行测试中经历了可靠的机箱可靠性。HH-60W已成功完成机箱鉴定、飞机飞行测试，并已进入低速初始生产阶段，”Eunice说。

Eunice概述了该公司的航空电子冷却策略，重点是满足“全面的飞机环境、基础设施和处理要求，同时采用3D打印和工程材料等先进制造技术。”

Elma Electronic最近增加了VITA 48.4液冷，应用于可容纳多达六个6U VPX模块的OpenVPX机箱中。“特别是对于航空电子应用，液冷是未来的发展方向，”Elma Electronic工程经理Walter Schindler表示。“液冷的效率是空气冷却的九倍，当您在35,000英尺左右的高空时，空气没有质量；因此在那里它没有太大的冷却潜力。”

尽管当今航空电子冷却难题令人难以置信，但与即将到来的冷却挑战相比，它们只是小儿科。在不久的将来，“商用飞机将采用混合电推进系统建造，以减少其生态足迹，”Siemens航空航天行业解决方案总监（Simcenter仿真与测试产品组合）Thierry Olbrechts表示。“第六代战斗机将不得不集成能量武器系统，这将增加对机载电力的更高需求。这些战斗机在任务期间必须散发的热量将是上一代的三到五倍。”

一些现役飞机已经出现当热量超过安全余量且冷却系统跟不上时，其航空电子CPU被降频的情况。在找到新的解决方案之前（嵌入式系统公司正在努力寻找），航空电子冷却的极限可能会阻碍下一代飞机的开发和全面使用！

资讯来源

- Aviation Tech Today (2022-04-07) - 原文：嵌入式系统如何应对当今航空电子设备的散热难题 - https://interactive.aviationtoday.com/avionicsmagazine/december-2019-january-2020/how-embedded-systems-are-coping-with-the-heat-of-todays-avionics/