Optimising thermal management in UAVs and RAS
无人机 (UAV) 和机器人与自主系统 (RAS) 将大功率电子器件集成到紧凑的空间中，在恶劣环境下保持这些系统的散热效能，已成为一个日益严峻的工程挑战。
无人机和自主机器人需要处理器、传感器和功率电子器件才能有效运行，但是封装在无人机或机器人中的所有算力都会产生巨大热量。这种高密度的电子器件封装意味着热管理至关重要，因为如果部件过热，无人机将无法工作。
此外，无人机需要经常进入极端环境，从炎热的沙漠到高海拔的寒冷地区，因此其热设计必须适应这种范围。nVent SCHROFF 航空航天与国防全球垂直增长负责人 Matt Tarney 表示：“极高的外部温度会进一步加剧内部热量，加速电池老化并导致部件故障，而极端低温也会降低电池效率和其他机械部件的性能。”
海拔是另一个因素，因为高海拔地区的空气提供的对流冷却较少，导致电子器件在给定功率水平下运行温度更高。在高海拔作业中，空气密度降低会导致传热效率降低，从而引起设备内部温度升高。工程师必须考虑到这一点，在无人机高空飞行时通过对部件降额或增强其他散热方法来解决。
除温度外，污染物也带来了额外的挑战。灰尘、沙子和湿气会渗入散热通道。Tarney 指出：“如果散热依赖于开放式或有通风口的机箱，随着灰尘和湿气侵入的增加，水分和碎屑可能会损坏电子器件。”这意味着通常需要密闭式机箱和过滤器来保护敏感电路。
面向坚固性设计：军用规范与 SWaP-C
UAV/RAS 的热管理必须考虑军事或工业应用中常见的冲击、振动和其他环境应力。
“热管理系统应根据 MIL-DTL-901E（涉及冲击和热鲁棒性）和针对抗震性能的 MIL-STD-810F 进行设计。”Tarney 解释道。遵守这些军用规范确保了散热器、冷板和机箱在颠簸、重力加速度和持续振动下保持有效。
“尺寸、重量、功耗和成本 (SWaP-C) 也必须纳入产品设计考量，因为无人机应用由于其系统的紧凑布局和承载能力会受到额外限制。”这通常导致设计师倾向于采用被动散热，因为它增加的重量极小且不需要电力，并精心选择能够最大化单位质量传热量的材料。SWaP 考量是推动高效热扩散器、轻质热交换器和减重型多功能结构创新的驱动力。
材料选择是同时满足军用规范和 SWaP 目标的一种方法。例如，使用高热导率涂层或合金（如铝上的化学薄膜涂层），可以在不使用笨重部件的情况下改善散热。被动解决方案（如传导至机身或辐射散热）因其简单性和零功耗而备受青睐。主动解决方案仅在必要时用于高发热设备。
适应不同的散热需求
散热策略必须根据部件的需求进行调整。高性能处理器和 AI 计算模块的功耗可能高达数百瓦，因此它们通常需要更主动的散热技术，如强制风冷或液冷。工程师可能会使用带风扇的散热器、热管或微型液冷回路，以在计算负载繁重时将热量从无人机的中央处理器中带走。
相比之下，许多传感器和航空电子模块产生的热量较少，被动散热即可满足需求，但它们对环境条件更为敏感。这可能意味着将传感器安装在远离发热电子器件的位置，使用热界面材料来最小化温度波动，或者在传感器与系统其余部分之间进行隔热。传感元件必须保持在最佳温度范围内以确保准确性和寿命，即使这意味着要给它们提供独立于大功率处理器的专属散热策略。
创新解决方案：HTS Card-Lok 锁紧条
Card-Lok（楔形锁紧条）是一种将电路板固定在机箱内的夹具，并促进热量流入机箱侧壁/冷壁。HTS 系列是新一代设计，可在坚固、强冲击和高振动环境中将 PCB 牢固就位，同时旨在满足 SWaP-C 要求。
HTS Card-Lok 的独特之处在于其锯齿形轮廓，这能显著改善热接触效果。这种锯齿状轮廓沿 PCB/散热架和冷壁提供连续且均匀的表面，使热量几乎能直接从板卡流入机箱壁。通过减少间隙和热阻，与尺寸相似的传统楔形锁紧条相比，HTS 实现了高达 15% 的热性能提升。
结论
热管理工程师面临着诸多挑战。他们必须在有限的空间内耗散巨大的热负荷，承受极端环境，遵守强固标准，并且要在严苛的 SWaP-C 限制下完成所有这些工作。
采用综合方法有助于取得成功：兼具稳健的设计、针对每个部件量身定制的智能散热策略，以及仿真和优化布局等主动措施。通过关注效率，设计人员可以延长任务持续时间和设备使用寿命。
HTS Card-Lok 等创新解决方案在兼顾 SWaP 的设计中加速了热性能的提升。凭借这些最佳实践和新技术，工程师们能够更好地攻克散热难题，确保无人系统在任意环境下都能稳定可靠地运行。