一种适用于空间环境的高光谱载荷电控箱系统的制作方法

本发明属于一种电控箱，具体涉及一种适用于空间环境的高光谱载荷电控箱系统。

背景技术：

近年来，随着航天技术的发展，空间光学载荷越来越受到重视。在光学载荷系统中，通过电控箱安装相应的电路板来实现相关光电功能，根据设计状态的不同，存在多种样式及种类的电控箱。

传统空间载荷的电控箱多采用方箱式结构或层叠串联式结构形式，这种结构形式的电控箱体积大、质量较重。常规电控箱采用的都是单腔密闭结构，腔内电路板通过在腔壁上开孔，安装对外连接器与外界连接，对外连接器与腔壁开孔是小间隙配合，对外连接器本身也存在漏磁现象，使得封闭腔并不封闭，电磁屏蔽性能差。对外连接器与电路板之间一般是采用软线焊接的方式连接，电路板更换元器件或板框结构需要局部更改拆卸电路板时需要将软线解焊，工艺复杂。

由于，空间电控箱要经历发射时恶劣的力学环境，需要在火箭发射过程中经受较大量级的振动、冲击、过载等力学环境，因此，空间电控箱的设计不仅要考虑结构强度、轻量化、可靠性、热环境适应性、电磁兼容性等要求，而且还要充分考虑力学环境的影响，能够满足振动环境试验的考核。

因为空间环境的复杂性，各种高能粒子及空间射线都易对光学载荷的电控箱腔体内的电路板，尤其是电路板中的电子元器件产生不良影响，从而造成各种不正常现象的发生。同时，电控箱与其它电控设备之间也容易互相造成电磁干扰，造成电控功能的破坏。

技术实现要素：

为了解决现有空间电控箱体积大、质量较重、电磁屏蔽性能差，及电控箱腔体内更换电路板元器件或板框结构时工艺复杂的技术问题，本发明提供了一种适用于空间环境的高光谱载荷电控箱系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种适用于空间环境的高光谱载荷电控箱系统，其特殊之处在于：包括箱体、控制总线母板及多个抽屉式电路单元；所述箱体一端自上而下开设多个插入口，另一端箱体内设有所述控制总线母板，所述控制总线母板上与每个插入口相对的位置设有接插件；所述抽屉式电路单元的数量与所述插入口的数量相适配，且一一对应，抽屉式电路单元设置在插入口与接插件之间；抽屉式电路单元包括固定框架、电路板功能模块、电接头及电接插件；所述电路板功能模块安装在固定框架上，电路板功能模块上安装所述电接头和电接插件；所述电路板功能模块通过电接头与所述接插件连接，电路板功能模块通过电接插件与外部设备连接；固定框架与箱体两侧板内壁之间通过滑动组件连接。

进一步，每个电路板功能模块上设有l形散热板，散热板材料为t2铜合金。

进一步，所述固定框架的材料为6061硬铝合金，其包括左侧板、右侧板、前侧板、后侧板；所述左侧板和右侧板上均开设有螺纹孔，螺钉依次穿过电路板功能模块、螺纹孔后，将电路板功能模块固定在固定框架上；所述前侧板上设有用于安装电接插件的安装孔。

进一步，所述箱体两侧板均为板翅式换热结构。

进一步，所述左侧板和右侧板之间、前侧板和后侧板之间均设有加强筋。

进一步，所述电路板功能模块为模拟量采集板组件或下位机控制板组件或定标电源控制板组件或运动驱动控制板组件或成像电路加断电控制板组件。

进一步，所述滑动连接组件包括分别设置左侧板和右侧板外壁的直线导轨、设置在箱体两侧板内壁上与直线导轨配合的导向槽。

进一步，所述直线导轨的材料为6061硬铝合金。

进一步，所述箱体上设有接地桩，其材料为t2铜合金；所述接地桩进行表面镀金处理。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明电控箱系统将多个抽屉式电路单元进行层叠抽屉式组装在箱体内，通过抽屉式电路单元的移入和移出箱体，实现电路板功能模块与控制总线母板进行接插连接，进而实现信号的交换和通信，每个电路板功能模块单独设计为一个独立的结构单元，一个箱体内可实现多个电路板功能模块的通信；满足高光谱成像仪电控系统的安装布局、小型化、轻量化设计；多个电路板功能模块均安装在一个箱体内，其电磁屏蔽性能好；

本申请电控箱系统为模块化设计，控制总线母板单独安装在箱体内，通过故障现象以及对控制总线母板信号的测试，较为容易对故障进行定位，确定具体为某层电路板功能模块出现故障，将该层故障电路板功能模块移出进行维护更换操作，该更换过程不会涉及其他层电路板功能模块，维护和更换工艺简单，操作方便。

2、本发明可在电路板功能模块上可设有l形散热板，具有较高的热传导性能，能快速将电路板功能模块上元器件热量传导至固定框架上。

3、本发明固定框架的材料可为6061硬铝合金，增加刚性；采用框架式结构，不仅可以起到固定电路板功能模块、防止震动损坏的作用，还可以作为电路板功能模块的散热路径。

4、本发明箱体的两侧板采用板翅式换热结构，与外部制冷源连接形成循环回路，提高散热效率。

5、由于电路板功能模块上元器件布局密集，为了提高抽屉式电路单元结构强度，在固定框架上设有加强筋。

6、本发明可通过固定框架两侧板外表面的直线导轨与箱体两侧板内壁上导向槽的配合，实现每层抽屉式电路单元相对箱体的移入和移出，保证连接位置的密封性、电磁屏蔽，同时也增加结构力学稳定性。

7、为了提高电控箱系统的安全性和可靠性，在箱体上设有接地桩。

附图说明

图1为本发明适用于空间环境的高光谱载荷电控箱系统的结构示意图；

图2为图1的a-a向剖视图；

图3为本发明适用于空间环境的高光谱载荷电控箱系统中固定框架的结构示意图一；

图4为本发明适用于空间环境的高光谱载荷电控箱系统中固定框架的结构示意图二。

其中，附图标记如下：

1-箱体，11-插入口，12-快接插头，13-制冷流管，14-后板，15-上板，16-前板，17-底板，2-控制总线母板，21-接插件，3-抽屉式电路单元，30-固定框架，31-左侧板，32-右侧板，34-前侧板，35-后侧板；311-螺纹孔，312-直线槽，313-直线导轨，314-侧向连接固定孔，321-安装孔，33-加强筋，4-电路板功能模块，41-电接头，42-电接插件，5-l形散热板，6-模拟量采集板组件，7-下位机控制板组件，8-定标电源控制板组件，9-运动驱动控制板组件，10-成像电路加断电控制板组件，22-接地桩。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

空间环境辐射对电控系统会造成不良影响，防止造成破坏的有效方法是空间分离。因此，如何在结构上对空间光学载荷的电子学控制系统进行合理的支撑和防护，成为仪器在空间环境下能否正常工作的关键。

现有箱腔体内更换电路板元器件或板框结构时工艺复杂，某一电路板或某一个元器件出现问题，更换时，需要将内部结构均进行拆卸，操作维护工艺复杂。基于传统电控箱的缺点，本申请提出了模块化的拼接推拉框架式双层隔离结构电控箱设计，该结构在保证电控箱力学稳定性的同时，极大地增强了电控箱的电磁屏蔽能力，增强了电控箱的可靠性。同时简化了电控箱的拆装工艺。

如图1和图2所示，一种适用于空间环境的高光谱载荷电控箱系统，包括箱体1、控制总线母板2及多个抽屉式电路单元3；所述箱体1一端自上而下开设多个插入口11，另一端箱体1内设有所述控制总线母板2，所述控制总线母板2上与每个插入口11相对的位置设有接插件21；所述抽屉式电路单元3的数量与所述插入口11的数量相适配，且一一对应，抽屉式电路单元3设置在插入口11与接插件21之间。

每个抽屉式电路单元3包括固定框架30、电路板功能模块4、电接头41及电接插件42；所述电路板功能模块4安装在固定框架30上，电路板功能模块4上安装所述电接头41和电接插件42；所述电路板功能模块4通过电接头41与所述接插件21连接，电路板功能模块4通过电接插件42与外部设备连接；固定框架30与箱体1两侧板内壁之间通过滑动组件连接。

本申请为模块化设计，控制总线母板2单独安装在箱体1的后板14位置，通过对控制总线母板2信号的测试，较为容易对故障进行定位，确定具体为哪层电路板功能模块4出现故障，可简单将该层抽屉式电路单元拔出进行维护更换操作即可，该更换过程不会涉及其他正常电路板功能模块4，维护工艺简单，操作方便。本发明的电控箱系统通过抽屉式电路单元的移入和移出箱体1，实现每层电路板功能模块4与控制总线母板2进行接插连接，进行信号的交换和通信，每个电路板功能模块4单独设计为一个独立的结构单元，一个箱体1内可实现多个电路板功能模块4的通信，控制总线母板2中实现每层功能模块之间的通信；满足高光谱成像仪电控系统的安装布局、小型化、轻量化设计；多个电路板功能模块4均安装在一个箱体1内，其电磁屏蔽性能好。

本实施例的电控箱系统包括5个抽屉式电路单元3，相应地，箱体1一端开设自上而下平行设置的5个插入口11，5个抽屉式电路单元3安装在5个插入口11内，5个抽屉式电路单元3上安装的电路板功能模块4自上而下依次为模拟量采集板组件6、下位机控制板组件7、定标电源控制板组件8、运动驱动控制板组件9及成像电路加断电控制板组件10，固定框架30通过滑动连接组件实现与箱体1两侧板内壁的相对插入或者插出，进而5个电路板功能模块4通过和控制总线母板2进行插接连接，进行信号的交换和通信，5个电路板功能模块4在结构上进行模块化设计，每层功能电路板模块单独设计为一个独立的结构单元，每块电路板功能模块4均设计有单独的固定框架进行固定安装，5层功能电路板模块为叠层结构设计。根据每层电路板功能模块4的连接关系进行层叠抽屉式组装，每层与箱体四周侧板进行紧固安装，最终达到接口数据单的各项技术要求，满足空间环境使用条件。

在结构设计中，电路板功能模块4包括设置在固定框架30上的电路板、设置在电路板上功能模块，功能模块包括元器件；通过在电路板功能模块4上合理布局元器件，将质量较大的元器件、需要做结构散热的元器件尽可能布局在靠近电路板振动变形较小的边缘区。

固定框架30的材料为6061硬铝合金，包括左侧板31、右侧板32、前侧板34、后侧板35；所述左侧板31、右侧板32、前侧板34、后侧板35上均开设有螺纹孔311，螺钉依次穿过电路板、螺纹孔311后，将电路板固定在固定框架30上；所述前侧板34上设有接插件21的安装孔321，用以对接插件21进行连接固定。

优选在左侧板31、右侧板32上表面开设直线槽，电路板两端位于两个直线槽312上，两个直线槽312形成电路板的安装面，同时左侧板和右侧板对电路板具有限位作用；通过15个m3螺钉与硬铝合金材料制作的固定框架30、电路板连接成一体，以增加刚性。考虑电路板面积较大，元器件布局密集。固定框架结构上设计有加强筋33，呈十字形分布，以进一步保证结构刚度。每个电路板插入固定框架的两个侧板直线槽312中，在固定框架前端面通过4个m3螺钉以及在侧板位置通过6个m3螺钉将电路板和矩形框架体进行连接。

电控箱系统内部5层电路板功能模块4，共可设计有14个对外电接插件42，每个电接插件42是通过插针直接焊接安装在电路板上，并通过组件尺寸链精确控制。电控箱系统的箱体1尺寸为：290mm×200mm×150mm。

通过合理设计固定框架、固定框架四周侧板以及电接插件的安装面板，保证每层抽屉式电路单元的支撑刚度以及配合精度、安装便捷。由于电控箱系统为电路支撑和保护的结构系统，需要避免电路系统元器件与固定框架的干涉，并根据电路系统的设计留有安全的位移余量。结构设计中，层与层之间是独立的设计，但是每层固定框架30与箱体1四周侧板为抽屉式固定，每层固定框架30结构为薄壁框架结构，需确保固定框架和箱体1侧壁配合的精度和配合长度，保证每层抽屉式电路单元3抽拉和推进的方便、顺当。避免五层抽屉式电路单元3安装后的累计误差的影响，各层抽屉式电路单元3与四周的侧板采用组合加工的设计方法，每层抽屉式电路单元3加工完成后进行组装，完成组合后的配加工，消除累计误差对安装的影响。由于产品为航天环境使用，需对结构系统进行环境适应性的分析，并采取合理有效的固定方式，保证控制箱具有良好的力学环境适应能力。

热性能设计

电控箱系统热设计主要包括自然冷却设计、强迫空气冷却设计、液体冷却设计、蒸发冷却、冷板设计、热电制冷器设计和热管传热设计等。原则是控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作条件下低于稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。

根据电控箱系统设计结果，电路板高功率器件热功耗为85w。为了保证电控箱在轨正常工作，电路板大功率器件尽量放在靠近固定框架的架体位置上，以缩短导热路径，通过导热板快速导到箱体1上，进而由卫星仓板散热。固定框架30不仅可以起到固定电路板，防止震动损坏的作用，还可以作为电路板的散热路径。固定框架30与电路板通过螺钉固定，在固定框架30和电路板高功率器件之间设计有l形散热板5，材料为t2铜合金，具有较高的热传导性能，能够快速将元器件热量传导至固定框架体上。一方面散热板通过导热硅脂与元器件接触，并与电路板螺钉固定，另一方面散热板通过侧板的结构件进行良好的安装固定，将元器件产生的热量传导至箱体1侧板，向外部散热，保证箱体1内部的热环境能够满足器件的正常工作需要。散热板作为电路板上高功率芯片的安装区域延展件，高功率芯片产生的热量可以沿着器件→电路板→l形散热板→固定框架30→箱体1侧板的导热路径散去，防止温度上升影响电路板上的敏感芯片。

另一方面为快速将高功率器件进行散热，设计有主动制冷系统。箱体1两侧板均为板翅式换热结构进行散热，箱体1的两侧板可分别单独形成一个循环液质制冷模式，也可进行将两侧板进行串联，与外部制冷源连接整体形成一个循环液质制冷模式，冷却系统工作原理：外部制冷源从侧板外壁的进口处进入，流经侧板内板翅式后，从出口流出，板翅式换热机构的特点是：传热效率高，结构紧凑，适应性强；翅片是箱体1侧板内的重要元件，传热过程主要是通过翅片的热传导以及翅片与流体之间的对流换热来完成的。所以换热器翅片形式的选择有很多种，常用的有矩形翅片、三角形翅片、锯齿形翅片、百叶窗翅片、波纹形翅片、销钉形翅片、多孔形翅片等。三角形翅片、矩形翅片，因其当量直径小，有利于增强传热。多孔形翅片，翅片打孔使热边界层不断破裂，不但提前向湍流过渡，而且明显强化过渡区、湍流区的传热。波纹形翅片是利用改变通道几何形状诱发边界层分离，形成冷却工质二次流动来增强换热。百叶窗式翅片和锯齿形翅片均属中断型肋片表面，其特点是使壁面间断，因而不会出现厚边界层，在每一中断处为均匀发展型流动(一般是从高层流区至低湍流区)，因而其换热能力有较大的提高。在相同的翅片间距的条件下，该翅片的表面传热系数比三角形翅片、矩形翅片要大2～3倍。由于冷板流阻富裕量较大，选用换热效果好的百叶窗式翅片和锯齿形翅片，优选为锯齿形翅片。

箱体1两侧板作为支撑侧板，同时做制冷设计，在满足力学稳定性的同时主动制冷，并且在每一个电路板功能模块4内部均设计有l形被动散热板，大大提高了内部热量的散热效率，保证了电子学系统工作时具有良好的热环境。

箱体两侧支撑板均为板翅式制冷板设计，每层电路板上设计有l型散热板，实现主动散热和被动散热相结合的高效散热。

电磁兼容设计

在复杂的空间环境里，除电控系统本身具有好的电磁兼容性外，还要求用于支撑电控系统的电控箱具有良好的电磁密封性。为此，对电控箱内部各构件间采用搭接的方式进行电磁屏蔽，并通过合理设置紧固件之间的间距、用足够的压力将搭接处夹紧等措施，保证在冲击、振动等恶劣的环境条件下，连接表面仍然接触良好，不对电磁屏蔽效果和整个箱体1的结构稳定性产生大的影响。

在电磁屏蔽功能方面，每个电路板功能模块4采用了双层隔离结构。在每层控制板组件中，电路板安装在固定框架内部，固定框架的四周均为铝合金结构件，壁厚为3mm，对于电路板装配完毕后形成第一层封闭的四周屏蔽体。固定框架的左侧板和右侧板上直线导轨313与箱体1两侧板内壁的导向槽配合，实现抽屉式电路单元相对箱体1的插入和插出，直线导轨313上设有侧向连接固定孔314，通过螺钉穿过侧向连接固定孔将直线导轨313固定在固定框架的左侧板和右侧板的外表面，用抽屉式电路单元前端的板间法兰与侧板进行连接，通过前板16、后板14和上板15、下底板17组合连接，形成电路板的第二层封闭的四周屏蔽体，壁厚3mm。第一层内承载了所有的电子元器件，实现与外部设备的空间隔离。第二层由固定框架30与箱体1的底板17、箱体1的两侧板、前板16、后板14、上板15封闭而成。

为保证结构零件的搭接电阻要求，确保良好的电磁屏蔽性能，结构连接件连接位置均进行导电氧化表面处理，并且连接位置设置较多的螺钉连接，保证连接的可靠和接触的良好。另外，为确保产品的接地状态，在箱体1的侧板位置设计有独立的接地桩22组件，接地桩22材料选用t2铜合金，具有良好的导电性能，并且对接地桩零件整体进行表面镀金处理，进一步增强导电性能。外部接地线与接地桩22连接，用2个螺母进行锁紧固定，螺母为定制结构，材料为t2铜合金，并进行表面镀金处理。另外，电控箱安装面平面度设计为：0.1mm/100mm，安装面粗糙度≤3.2μm，表面进行原色导电氧化处理，保证安装面的良好导电性能。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。