本發(fā)明涉及星載計算機技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機。

背景技術(shù)：

在當前航天器設(shè)計中，電子計算和控制功能、結(jié)構(gòu)承載功能以及熱控制功能等，往往都是通過各自獨立設(shè)計的單一功能模塊單元實現(xiàn)。例如，電子計算和控制用的電子設(shè)備黑盒子等，結(jié)構(gòu)支撐和承載用的承載板、框架以及外殼等，以及熱控制用的散熱器和冷卻板等功能部件都是單獨地分開設(shè)計，最后在航天器內(nèi)部采用螺紋副連接等機械接口方式進行表面裝配與集成。

在上述現(xiàn)有的設(shè)計方式中，由于所用各種設(shè)備和功能模塊單元的體積不規(guī)則，在航天器內(nèi)部組裝后會占據(jù)航天器內(nèi)部的大量空間；此外，采用上述設(shè)計方法還需使用外部殼體結(jié)構(gòu)作為電子設(shè)備的支撐、防護或封裝，致使電子設(shè)備的體積較自身電路本身要大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，從而給航天器帶來了更多的附加寄生質(zhì)量。因此，現(xiàn)有設(shè)計的一個顯著缺點是，造成了空間資源緊張和結(jié)構(gòu)質(zhì)量過重的問題，已無法滿足此類航天器的結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化需求以及空間預算要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機，該發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中航天器組裝完成后，內(nèi)部空間被各種連接部件占據(jù)過多的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供了一種曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機，包括：曲面支撐結(jié)構(gòu)、柔性電路板層、mcm基板和多芯片模塊層，曲面支撐結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部中空的夾心材料層和分別設(shè)置于夾心材料層兩相對端的復合材料外壁板和復合材料內(nèi)壁板；柔性電路板層、mcm基板、多芯片模塊層疊置于夾心材料層內(nèi)；柔性電路板層設(shè)置于靠近復合材料內(nèi)壁板一端的夾心材料層上，mcm基板設(shè)置于柔性電路板層的頂部，多芯片模塊層設(shè)置于mcm基板上；多芯片模塊層上設(shè)置多個芯片模塊，各芯片模塊之間通過柔性電路板層內(nèi)的電路相連接。

進一步地，還包括用于使曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機具有熱控制和電磁屏蔽功能的表面防護層，表面防護層罩設(shè)于多芯片模塊層上。

進一步地，mcm基板與柔性電路板層通過焊接方式相連接；表面防護層與多芯片模塊層通過粘結(jié)劑相連接。

進一步地，兩兩相鄰多芯片模塊之間相互間隔設(shè)置，兩兩相鄰多芯片模塊之間填充具有導熱作用的填充材料。

進一步地，夾心材料層由聚甲基丙烯酰亞泡沫材料或鋁制蜂窩狀材料制成。

進一步地，柔性電路板層上設(shè)有多個用于安裝mcm的mcm插槽。

進一步地，復合材料內(nèi)壁板和復合材料外壁板均由10層單向板，按[0/90/0/90/0]方式對稱鋪設(shè)，單向板的厚度為0.2mm。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機，通過嵌入方式，將航天計算機的各個組成部件(包括芯片、電子線路及其支架、外殼、電連接器、結(jié)構(gòu)封裝、熱控器件等)經(jīng)功能重組構(gòu)成多個mcm，再集成到曲面支撐結(jié)構(gòu)(如航天器的圓筒式艙壁)中，從而形成有源電子線路與機械表面直接接觸的一體化柔性電子設(shè)備結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電子設(shè)備體積、重量以及成本的全面縮減。

本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機，使得傳統(tǒng)的航天計算機縮微成一種兼具機械承載、電子計算、熱控制和電磁屏蔽等多種功能的輕小一體化多功能結(jié)構(gòu)計算機。通過釋放各獨立功能模塊單元所占據(jù)的航天器內(nèi)部空間，取消了航天器計算機中外部機殼與機架、連接器等大體積組件，大大減小了航天器電子設(shè)備的寄生質(zhì)量(縮減了電子設(shè)備質(zhì)量的40％～50％以上)。

本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機，有效解決了現(xiàn)有航天器電子設(shè)備中的體積臃腫，大幅降低了航天器系統(tǒng)的質(zhì)量，提高了結(jié)構(gòu)的功能密度，擴大了航天器內(nèi)部可供利用的裝載空間。此外，基于本發(fā)明，還可改變傳統(tǒng)航天器通過子系統(tǒng)級模塊化集成的設(shè)計理念，采用全新的通過功能級模塊化集成的思路來進行航天器設(shè)計，從而構(gòu)造出新型的航天器構(gòu)型。

具體請參考根據(jù)本發(fā)明的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機提出的各種實施例的如下描述，將使得本發(fā)明的上述和其他方面顯而易見。

附圖說明

圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機的立體示意圖；

圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機的內(nèi)部疊層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的多芯片模塊在柔性電路板層上的布置示意圖；

圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機安裝在航天器服務(wù)艙艙壁上的安裝效果圖。

圖例說明：

1、復合材料外壁板；2、復合材料內(nèi)壁板；3、夾心材料層；4、柔性電路板層；5、多芯片模塊層；6、表面防護層；7、焊球；8、mcm基板；10、高導熱系數(shù)填充材料；300、曲面支撐結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。

本文中mcm是指多芯片模塊。本文中多芯片模塊(mcm)，是指把多塊裸露的集成電路(integratedcircuit，ic)芯片安裝在一塊公用高密度多層互連底板上并進行高密度封裝。其密度、體積、性能是目前別的電路所無法比擬的。

參見圖1～2，本發(fā)明提供了一種曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機，曲面支撐結(jié)構(gòu)300、柔性電路板層4、mcm基板8和多個多芯片模塊層5，曲面支撐結(jié)構(gòu)300包括內(nèi)部中空的夾心材料層3和分別設(shè)置于夾心材料層3兩相對端外的復合材料外壁板1和復合材料內(nèi)壁板2；柔性電路板層4、mcm基板8、多芯片模塊層5依序疊置于夾心材料層3內(nèi)，柔性電路板層4設(shè)置于復合材料內(nèi)壁板2一端的夾心材料層3上。mcm基板8設(shè)置于柔性電路板層4頂部。

本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機的各部件之間的連接關(guān)系和所需部件，參照現(xiàn)有航天用計算機設(shè)置。

參見圖2，其中所用柔性電路板層4具有輕、薄、短、小、集成度高、柔韌性好、耐高溫、耐振動、易于異型化安裝、絕緣性良好等優(yōu)點，滿足復雜電子設(shè)備的多層高密度布線和三維組裝的需求。柔性電路板層4通過膠接的方式粘連在復合材料內(nèi)壁板2之上。柔性電路板層4上布置有柔性電纜跨接線等柔性連接結(jié)構(gòu)，用于電路板與電路板、電子設(shè)備與電子設(shè)備之間的連接并實現(xiàn)多芯片模塊之間的功率分配和數(shù)據(jù)/信號傳輸。

參見圖2，曲面支撐結(jié)構(gòu)300包括夾心材料層3，夾心材料層3的相對端分別設(shè)置復合材料外壁板1和復合材料內(nèi)壁板2，夾心材料層3內(nèi)部中空，柔性電路板層4、mcm基板8、多芯片模塊層5、表面防護層6嵌入設(shè)置于夾心材料層3內(nèi)。柔性電路板層4設(shè)置于復合材料內(nèi)壁板2一端的夾心材料層3上。mcm基板8設(shè)置于柔性電路板層4頂部。優(yōu)選的mcm基板8與柔性電路板層4通過焊接方式相連接。mcm基板8頂面上按如圖3所示的電路結(jié)構(gòu)，將對應(yīng)的多芯片模塊分別安放于mcm基板8上，構(gòu)成多芯片模塊層5。表面防護層6罩設(shè)于多芯片模塊層5上。優(yōu)選的，表面防護層6與多芯片模塊層5之間通過粘結(jié)劑相連接。表面防護層6容納于夾心材料層3中，并靠近復合材料外壁板1。

本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機設(shè)置于服務(wù)艙艙壁上，服務(wù)艙艙壁對其祈禱承載和支撐的作用。

優(yōu)選的，還包括表面防護層6，表面防護層6采用粘接劑與多芯片模塊層5進行膠接。通過采用上述表面防護層6，使得該計算機集成了熱控制和電磁屏蔽的功能。

優(yōu)選的，首先通過焊接的方式將多芯片模塊(mcm)基板通過mcm焊球7與柔性電路板層4相連接；然后同樣采用焊接方法，將多芯片模塊焊接在mcm基板8上。通過采用這樣的方式，傳統(tǒng)的機箱、電纜和連接器等都被柔性系統(tǒng)所取代，印制配線板上的電子設(shè)備被縮減為mcm。

多芯片模塊可以為各類構(gòu)成計算機所必須的模塊，例如可以為具有電源、cpu、數(shù)據(jù)存儲、人機交互、現(xiàn)場總線等功能電路的模塊。通過將具有上述功能的模塊重構(gòu)成多個多芯片模塊(mcm)及mcm插件，方便各模塊的安裝拆除。同時以航天器曲面結(jié)構(gòu)確定該結(jié)構(gòu)計算機的拓撲構(gòu)型；再以該拓撲構(gòu)型為基礎(chǔ)設(shè)計柔性連接電纜，實現(xiàn)各mcm之間的柔性連接。最后將該所得具有柔性能力的計算機與航天器曲面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從而形成有源電子線路與航天結(jié)構(gòu)機械構(gòu)型相融合的新型一體化柔性多功能結(jié)構(gòu)計算機。通過采用多芯片模塊(mcm)、復合材料夾層結(jié)構(gòu)及熱控一體化封裝，實現(xiàn)電控、熱控與結(jié)構(gòu)體的一體化，集結(jié)構(gòu)承載、電子計算、熱控、電磁屏蔽等功能于一體。

曲面支撐結(jié)構(gòu)300兼顧結(jié)構(gòu)承力和散熱，它使用高導熱系數(shù)復合材料承力結(jié)構(gòu)壁板與蜂窩結(jié)構(gòu)組合單元，采用復合材料面板夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，其復合材料外壁板1和復合材料內(nèi)壁板2均為由碳/環(huán)氧單向復合材料板鋪設(shè)而成的復合材料壁板。

優(yōu)選的，復合材料內(nèi)壁板2和復合材料外壁板1均由10層單向板，按[0/90/0/90/0]方式對稱鋪設(shè)，單向板的厚度為0.2mm。采用該結(jié)構(gòu)的復合材料內(nèi)壁板2和復合材料外壁板1能實現(xiàn)拓撲構(gòu)型。使其適于航天器在軌使用的各項要求。

優(yōu)選的，柔性電路板層4上設(shè)有多個mcm插槽，用于安裝mcm(例如基于arm最小系統(tǒng)的cpu單元、用于人機交互的usbhub單元、通信控制單元、基于lcd/vga的視頻交互接口、音頻交互接口單元、計算機供電單元等)；這些mcm均布局設(shè)計圖放置于相應(yīng)的位置。柔性電路板層4上還布有柔性電纜跨接線等柔性連接結(jié)構(gòu)，用于電路板與電路板、電子設(shè)備與電子設(shè)備之間的連接并實現(xiàn)各mcm之間的功率分配和數(shù)據(jù)/信號傳輸。

優(yōu)選的，表面防護層6由具有高熱傳導率的輕質(zhì)復合材料制作，表面防護層6內(nèi)部置入如熱倍增器、熱通路/熱母線或者熱管等熱控部件，表面渡有一層高磁導率的金屬膜用于電磁屏蔽，具有熱控制和電磁屏蔽功能。

優(yōu)選的，夾心材料層3由pmi(聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫材料或鋁制蜂窩狀材料制成。

優(yōu)選的，設(shè)置于所述多芯片模塊層5上的多個多芯片模塊間隔設(shè)置，兩兩相鄰所述多芯片模塊之間填充具有導熱作用的填充材料。各多芯片模塊(mcm)之間填充高導熱系數(shù)填充材料10。使得mcm能與表面防護層6、mcm基板8等熱擴散面充分接觸，通過導熱膠接，用于實現(xiàn)導熱功能。高導熱系數(shù)填充材料10可以為導熱系數(shù)高達5.8w/m·k的硅橡膠絕緣材料，例如xk-f60硅橡膠。

下面結(jié)合一個具體的實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。

本實施例以對某航天器進行指揮控制為背景需求，將各組件集成到航天器服務(wù)艙的圓筒式艙壁支撐結(jié)構(gòu)(是一種典型的曲面支撐結(jié)構(gòu)300)中，得到本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機。

將具有電源、cpu、數(shù)據(jù)存儲、人機交互、現(xiàn)場總線等功能的電路重構(gòu)成多個多芯片模塊(mcm)及mcm插件。然后以航天器曲面結(jié)構(gòu)確定該結(jié)構(gòu)計算機的拓撲構(gòu)型。再以該拓撲構(gòu)型為基礎(chǔ)設(shè)計柔性連接電纜，實現(xiàn)各mcm之間的柔性連接。最后再將mcm、mcm插件以及柔性連接電纜等以嵌入的方式與航天器曲面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從而形成有源電子線路與航天結(jié)構(gòu)機械構(gòu)型相融合的新型一體化柔性多功能結(jié)構(gòu)計算機。該多功能結(jié)構(gòu)計算機通過采用多芯片模塊(mcm)、復合材料夾層結(jié)構(gòu)及熱控的一體化封裝技術(shù)，實現(xiàn)電控、熱控與結(jié)構(gòu)體的一體化設(shè)計，集結(jié)構(gòu)承載、電子計算、熱控、電磁屏蔽等功能于一體。

具有承載功能的航天器服務(wù)艙圓筒式艙壁作為曲面支撐結(jié)構(gòu)300。該曲面支撐結(jié)構(gòu)300使用高導熱系數(shù)復合材料內(nèi)壁板2和復合材料外壁板1與夾心材料層3相結(jié)合，兼顧結(jié)構(gòu)承力和散熱。具體地，該復合材料內(nèi)壁板2和復合材料外壁板1均由碳/環(huán)氧單向復合材料板鋪設(shè)而成，在本實施例中，復合材料內(nèi)壁板2和復合材料外壁板1均選用10層單向板，按[0/90/0/90/0]的鋪層方式進行對稱鋪設(shè)，單向板的厚度為0.2mm，夾心材料層3為鋁質(zhì)蜂窩材料或聚酰亞胺泡沫材料，本實施例中選用集導熱、防輻、熱控等功能于一體的鋁質(zhì)蜂窩作為夾心材料層3。

本實施例中，各層的布置如圖2所示。各個多芯片模塊(mcm)的位置可以根據(jù)需要進行布置，本實施例中mcm的布置方式如圖3所示。

本實施例中所得曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機的外觀如圖1所示，其在該航天器服務(wù)艙艙壁上的布局效果如圖4所示。本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機與傳統(tǒng)星載計算機平臺的對比分析結(jié)果如表1所示。

表1本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機與傳統(tǒng)星載計算機平臺對比分析表

由表1可見，本發(fā)明提供的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機充分利用復合材料夾層結(jié)構(gòu)特性，將mcm、結(jié)構(gòu)電纜、結(jié)構(gòu)電源、mcm插件等集成到曲面航天器支撐結(jié)構(gòu)中，從而使電子設(shè)備微縮成集機、電、熱一體化，兼有航天器控制、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、電源分配、熱控制、電磁屏蔽等多種功能的輕、小結(jié)構(gòu)體。本發(fā)明所述融承載、控制、計算、熱控、電磁屏蔽等于一體的曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機，取消了傳統(tǒng)的外部機殼與機架、連接器等大體積組件，大幅縮減了航天器計算機系統(tǒng)的質(zhì)量，擴大了航天器內(nèi)部可利用的空間。與傳統(tǒng)航天器計算機相比，曲面式柔性航天多功能結(jié)構(gòu)計算機實現(xiàn)了計算機體積縮小90％、重量減輕50％，因而本發(fā)明在輕小航天器的綜合電子信息系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用價值。本發(fā)明有效解決傳統(tǒng)航天器中結(jié)構(gòu)、控制計算機及熱控等獨立功能單元質(zhì)量、空間冗余問題的關(guān)鍵問題。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚本發(fā)明的范圍不限制于以上討論的示例，有可能對其進行若干改變和修改，而不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍。盡管己經(jīng)在附圖和說明書中詳細圖示和描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述僅是說明或示意性的，而非限制性的。本發(fā)明并不限于所公開的實施例。

通過對附圖，說明書和權(quán)利要求書的研究，在實施本發(fā)明時本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解和實現(xiàn)所公開的實施例的變形。在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”不排除其他步驟或元素，而不定冠詞“一個”或“一種”不排除多個。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中引用的某些措施的事實不意味著這些措施的組合不能被有利地使用。權(quán)利要求書中的任何參考標記不構(gòu)成對本發(fā)明的范圍的限制。