为什么飞机电子设备的冷却难度越来越大？

当代航空器上通常需要安装先进的航空电子设备，这些功能强大的航空电子设备、机载计算机和电气化技术会带来自身散热的难题。

随着飞机不断增添功能更强大的航空电子设备、传感器和机载计算设备，而机身空间和重量却依然受限，散热这一挑战也日益严峻。热量最终会影响电子系统能够维持的性能。例如，处理器或许能够处理更大的工作负载，但如果其温度超过工作极限，就无法持续以这种高负荷运行。

现代化飞机上的这个问题尤为突出。电子设备必须在严格的尺寸和重量限制内运行，同时还要应对不断变化的温度、压力和飞行条件。此外，一些设备还安装在密封或紧密封装的机箱内，几乎没有空间容纳传统的散热硬件。

现代航空电子设备可能需要在本地处理来自多个传感器的信息并支持更多功能，而不是将数据发送到其他地方进行分析。

人工智能和边缘计算就是两个例子。例如，巡检无人机可以在飞行过程中处理机载摄像头图像，以识别物体或缺陷。功能更强大的自主飞行器可以结合来自摄像头、雷达和导航传感器的信息来了解周围环境并作出决策。

在飞机上处理这些信息可以减少对通信链路的依赖，但同时也把更多的计算和热负荷转移到了飞行器本身。

传导冷却提供了一个简单的起点

一种成熟的冷却坚固型电子设备的方法是传导冷却。传导冷却系统不是让空气直接流过组件，而是为热量提供一条物理路径，使其从电子设备中散发出去。热量可以从处理器通过电路板和机械接口传递到冷板，冷板再将其带离组件。

当工程师需要将电子元件封闭起来时，这种方法非常有效。由于外部空气不会直接流经设备，设计人员可以更好地保护敏感硬件免受灰尘、湿气和其他污染物的侵害。

传导冷却也避免了风扇和其他一些热管理系统相关的移动部件的使用，但这种方法也有局限性。随着处理器产生的热量增加，热传导路径需要承受更大的负载。较小的缝隙和导热系数较低的材料会阻碍热量从组件传递到机箱。

空气和液体可以处理更大的热负载

当仅靠传导无法有效散热时，设计人员还有其他选择。强制风冷通过空气流过或环绕电子硬件来带走热量。这可以提高热传递效率，但也需要空间来容纳气流以及风扇或鼓风机等设备。工程师还必须考虑热空气离开电子元件后的去向。

飞机环境会使这个问题更加复杂，因为冷却性能会随着海拔高度和周围环境条件的变化而变化。随着海拔升高，空气密度降低，这会降低其散热能力。冷却剂可以在电子组件附近循环，吸收热量并将其输送到飞机可以散热的其他位置。

在相对紧凑的电子系统中，液体比空气能带走更多的热量，但这种能力需要额外的硬件。泵、管道、连接件和热交换器都会占用空间并增加重量。设计师还必须考虑维护和泄漏的后果。

最佳方案取决于飞行器及其内部的电子设备。小型无人飞行器与大型商用飞机面临的限制不同，即便两者都需要冷却功能日益强大的计算机。

电动飞机带来了新的热管理挑战

冷却问题不仅限于航空电子设备。电动和混合动力飞机增加了电池、电机和电力电子设备，这些部件都会产生热量。这些系统可能具有不同的最佳工作温度，使得热管理成为一个更广泛的飞机层面的问题。例如，电池在充电、放电和飞行过程中必须保持在可接受的温度范围内。电力电子设备需要在转换和控制电能时散发热量。电机也会产生热量，设计人员必须对其进行管理。

由于这些负载会与航空电子设备和其他机载电子设备的冷却需求相互影响，工程师不能总是将每个部件的散热视为孤立的问题。他们必须决定热量在飞机内部的流动路径，哪些系统可以共用冷却设备，以及飞机最终如何排出这些热量。

特别是对于电动飞机而言，冷却系统本身也会消耗电力并增加重量。一种能够排出更多热量但需要更大功率泵或额外冷却剂的热管理方案可能会影响飞机的效率和航程。

散热正向电子元件靠拢

解决散热问题的另一种方法是缩短热量传递的路径。传统的散热方法通常是在热量穿过元件封装并进入更大的电子组件之后才进行散热。而新的方法可以将热管理推向更靠近处理器或其他发热器件的位置。工程师们已经探索了高导热材料、改进的热界面、微通道以及其他旨在更直接地将热量从元件中导出的技术。在热源附近散热有助于防止小型高功率元件形成局部热点。

随着处理器功率密度的增加，这一点变得尤为重要。系统并不一定需要产生大量的热量才会出现散热问题。热量集中在一个很小的区域就足以造成问题。

在元件附近进行更好的散热还可以为飞机设计人员在系统更上游的设计中提供更大的灵活性。一旦热量能够有效地从处理器排出，工程师们就有了更多将其传递到机箱并进入飞机更大热管理系统的选择。