当前位置:首页 - 新闻中心 - 公司新闻
现代机载电子设备结构设计

1、现代高技术战争对机载电子设备的要求

    机载电子设备是飞机武器系统的重要组成部分。在现代高技术战争中,对作战飞机的性能要求越来越高,相应地对现代机载电子设备的要求也越来越苛刻,概括地讲主要是:

    (1) 多功能,高性能。随着现代战争中高新技术含量的不断增加,对作战飞机的性能要求越来越高,因而执行各种任务的电子设备也越来越多,功能越来越强,技术越来越复杂,性能要求越来越高。

    (2) 通用化,系列化,模块化。现代机载电子设备种类很多,包括通信、导航、信息、探测、电子对抗等10多种系统,并有数量相当多的分系统和设备,所以,传统的研制、维护和管理模式已不适应现代战争对机载电子设备的要求,迫切要求机载电子设备实现“三化”(通用化,系列化,模块化),以便简化设计程序,缩短研制周期,加快设备的改型换代及重新投入作战的过程,提高设备的可靠性和可维修性,缩短维修时间,简化后勤保障,有效地将高新技术下复杂的操作简化,便于计算机管理,提高管理效率。

    (3) 小型化,轻量化。为了适应现代高技术战争的特点,军用飞机正朝着小型、轻量化方向发展,相应地机载电子设备也必须实现小型化和轻量化,采用重量轻、性能优越的新材料、先进的设计手段、组装技术和制造技术。

    (4) 高可靠性,低成本。现代机载电子设备由于多功能、高性能的要求,组装设备的元器件、零部件数量越多,其失效的可能性越大,从而影响设备的可靠性。为此,必须从总体设计、材料选择、结构与电路设计、工艺措施等方面综合考虑,切实保障设备的高可靠性。然而,设备的高可靠性会提高设备成本,影响设备的大量装备。因此,在提高设备可靠性的同时,还应采取有效办法来降低设备的成本。实践证明,电子设备的模块化能有效地解决这一矛盾,能显著节省研制、生产经费,实现设备的低成本。3 结束语

    该机载电子设备在按照上述设计思路完成设计、加工、环境试验后,上机试飞一次成功,且保持连续多架次飞行无故障(包括电气故障和机械故障),受到用户好评。由此可见,在现代机载电子设备的结构设计中,只要把握其关键技术,运用已有成熟理论、经验和常规设计原则,并大胆使用新材料、新技术、新工艺,就能实现高技术战争对机载电子设备结构提出的各种要求,从而为设备的功能、性能、可靠性、可维修性从结构上提供强有力的保障。

2、结构设计中的关键技术

    现代机载电子设备的结构设计要考虑的问题很多,其中主要的关键技术有模块化设计、热设计、隔振缓冲设计和电磁兼容性设计等4种。

2.1、模块化设计

    合理划分模块、建立模块体系是设备模块化设计的关键。首先,根据设备的战术性能指标、接口关系及工作环境,在充分调研、论证的基础上,按照标准化原理和系统工程原理及方法,采用顶层分析和底层需求的办法,即一方面从系统顶层向下按MIL-STD-188A“国防装备项目工作分解结构”的方法,将设备分解成许多不同等级的单元模块;另一方面从系统底层向上进行模块需求分析,并按标准化原理对同类和相似设备进行对比、归类,合理划分模块。然后,通过对同类设备间的模块进行横向协调和综合分析,找出其内在联系,建立相应的模块体系,使在总体上一目了然。例如,将某机载通信设备分解为机箱、发射、接收、功放、调制/解调、显控、隔振缓冲和电源等模块,在此基础上,按模块化产品的建立过程,即模块化设备=通用模块+专用模块,根据设备及各组成模块的性能指标、接口形式(包括电气、机械和信息接口)、外形尺寸等,充分利用国内外现有的科技成果,直接选用许多通用模块,如功放、隔振缓冲等模块,然后根据通用模块的功能、接口形式等设计所需的专用模块,如机箱、显控等模块。在设备研制过程中,应尽可能选用通用模块。设计中,由于采用了大量通用模块,其研制风险大大降低。实践证明,采用模块设计大大简化了程序,缩短了研制周期,降低了研制、开发经费,提高了设备的可靠性。

2.2、热设计

    机载电子设备中,普遍采用各种冷却措施,如风冷、液冷、热管等。由于飞机本身具有良好的冷却条件,即环控系统可以提供冷却空气,所以,应用最广泛的是较易实现且较经济的强迫风冷。我们研制的设备设计为全密封式结构,内部热量首先通过热传导、对流换热和辐射换热传向机箱,再通过对流、辐射换热传到周围介质中,最后借助飞机本身的环控气流将热量带走。所以,热设计的主要任务就是把各模块产生的热量通过热阻小的路径迅速有效地传到密封机箱外部环境中去。其设计步骤如下:

    首先,机箱模块和各结构件均采用重量较轻、导热性能好的铝合金制成,机箱内外表面涂覆黑色无光漆,以提高其导热和辐射换热的能力。

    其次,对于各单元模块的印制板,为了提高其导热能力,采用导热条式散热印制板,即在元器件与印制板之间加入一层铜导热条。安装时将印制板上所有发热元器件跨接在导热条上,同时在元器件和导热条之间充填导热硅胶,以消除空气间隙,进一步减小元器件和导热条之间的接触热阻,使元器件产生的热量迅速传到导热条上。资料表明,涂导热硅胶(脂)可使接触热阻降低25%~35%,甚至更大。集成电路贴装在导热条上时按发热量的大小分别由外向内有规则地排列。

    再次,将各单元模块用紧固件固定在支撑架上,支撑架与机箱模块之间用楔型导轨连接,这样,支撑架将各模块产生的热量通过热传导、辐射换热等传递到机箱模块上。这样,整个设备的传导散热路径为:元器件→导热条→印制板→支撑架→导轨→机箱→机箱周围空气冷却。由于楔型导轨采用了楔型锁紧装置,能产生较大机械应力,减小了两接触面之间的接触热阻,提高了热传导能力。资料表明,楔型导轨单位长度上的热阻分别为G型导轨的1/6,B型导轨的1/4,U型导轨的1/3。

    设计中,我们注意到各单元模块中功放模块的功耗最大,是主要的发热单元,为了提高其散热能力,单独制作了带散热器的盒子(功放盒),盒体外表面进行黑色无光泽导电阳极化处理,将选好的功放电路板及发热量大的芯片直接安装在盒体内侧,并将功放盒作为全密封式结构的一个部件安装在设备后侧,使其直接和周围介质进行热交换。

2.3、电磁兼容性设计

    机载电子设备的电磁环境非常复杂、恶劣,必须采取切实有效的措施对设备进行电磁兼容性设计,使其具有电磁兼容能力。结合有关标准的要求,在设计中采取以下技术措施:

    (1) 屏蔽。屏蔽设计主要着眼于缝隙和孔洞设计。机箱模块采用整体铸造,显控模块和功放模块与机箱模块的装配接合处采用导电橡胶条密封,并配置小间隔(兼顾美观要求,约75 mm)的紧固件紧固,以提高装配面处构件的刚度,进一步减小缝隙,保持装配面处接缝的电气连续性。为了保证装卸时导电橡胶条不致脱落,采用等间隔(约15 mm)有规律的粘固,从而最大限度地获得理想的屏蔽效果。对于设备内会产生干扰和易受干扰的模块,单独制作了铝质屏蔽盒和盖板密封,从屏蔽的角度看,这些模块本身就是一个屏蔽体,加上机箱的屏蔽作用,起到了双层屏蔽的效果。为了进一步提高屏蔽效果,对显控和功放模块上的孔洞也采取有效的屏蔽措施。首先严格限制孔洞的数量和尺寸。其次,显示窗口采用屏蔽玻璃借助于铝质边框和螺钉紧固在前面板上,所有开关、控制按钮采用薄膜键盘的结构形式,在键盘的非按钮处敷了一层薄的铜箔,以提高其屏蔽效能。再次,所有连接器均采用360°全屏蔽型连接器,并在连接器与功放盒装配面处加一层导电橡胶板。另外,设备内部的关键信号连接线采用屏蔽线。

    (2) 接地。通常,机载电子设备接地与飞机主结构之间应具有连续的低阻抗通路。设计中,采用了目前比较先进的“三套法”接地系统,即信号地、噪声地、机械地,在设备功放模块上设置了接地装置,分别引出设备内的三套相互绝缘的地线,用于连接到相应的飞机分舱负线板上。

    (3) 滤波。传导干扰主要通过电源线、信号线等传播电磁能量,滤波是抑制传导干扰的重要措施。电源线是重要的传导干扰源,也是引起设备工作不稳定的因素。通常在电源线的输入端安装专用电源滤波器,以降低电源线的传导发射,抑制尖峰信号对电路的干扰。或者,对电源先进行交直流变换,用直流电驱动设备工作。为了进一步提高设备的电磁兼容性,在搭接、隔离、优化信号设计、完善电路布线设计等方面也需采取相应措施。

2.4、隔振、缓冲设计

    机载电子设备在使用过程中经常会受到发动机本身、飞机外部的气动扰流、飞机的飞行姿态以及起飞、着陆、滑行等因素产生的振动、冲击作用,为此,必须对设备进行隔振、缓冲设计,使其适应飞机的各种振动、冲击环境。可以采取以下措施:

    a.提高设备的耐振能力设计。设备机箱模块采用铝合金整体铸造,同时尽量减小体积,以提高设备的整体刚度和固有频率,从而提高其防振、抗冲击能力。对于印制板,由于板面上贴装了导热条,它一方面加强了热传导作用,另一方面也起到了加固印制板的作用。有时在印制板背面加装横向加强筋,以提高印制板自身的整体刚度,减小印制板在振动、冲击条件下的弯曲。元器件尽可能卧装,贴装在导热条上的元器件与导热条之间涂导热脂,既起导热作用又起隔振作用。大体积元器件用导热硅胶固定,必要时对个别抗振性能差的元器件局部灌封。大部分芯片直接焊接在印制板上,需改写的可编程芯片的插座采用插拔力强的圆孔插座,以确保接触可靠。各模块直接固定在支撑架上,构成设备的机芯,支撑架采用直插式,利用左、右、下三个导轨加楔型锁紧装置与机箱模块连接,这种连接装置夹紧力大,隔振、缓冲能力强。显控模块上的显示窗口安装有防电磁干扰的军用屏蔽玻璃,这种玻璃是在两层玻璃之间粘一层经过特殊处理的金属屏蔽网,其抗振动、冲击效果好,即使被撞击物击碎时碎片仍粘在一起,不会四散飞射而造成其它损坏。

    b.隔振、缓冲模块设计。为了实现设备的快速维修能力,单独选用了隔振、缓冲模块,由安装架、前紧定装置、后紧定装置、减振器组成。按照模块化设计要求,安装架有不同的标准长度和宽度,以适应不同标准机箱安装的要求。安装架采用高强度航空铝板冲压成形,考虑到设备的插拔力较大,在安装架底板上冲出纵向凹槽,即增加了安装架底板的刚度,又可减少安装架与设备底部的接触面积,增加了安装的稳定性,同时安装架底板的左右两边折弯,起到了加强筋的作用,在不增加重量的前提下提高了安装架的整体刚度。安装架前面装有前紧定装置,用以固定设备前端,安装架后面装有后紧定装置,起定位紧固作用。为配合安装架的使用,在设备前面显控模块的面板上装有前紧定钩,在设备后面功放模块的功放盒上装有紧定孔座。安装时,将设备推进安装架,使后紧定装置中的紧定锁插入设备后部的紧定孔座内,再通过前紧定装置把设备固接在安装架上。拆卸时,松开前紧定装置,即可从安装架上拉出设备。整个安装、拆卸过程简便、快速。

    减振器的选用也是整个模块设计的一个重点,经过计算、比较,我们选用了国产GG系列钢丝绳减振器,是一种三向隔振器,具有优良的隔振、缓冲性能,寿命长,耐腐蚀,重量轻,安装方便。
 
作者单位:(总参第63研究所,南京,210016)
参考文献
1 任苏中.航空电子设备结构设计.北京:航空工业出版社,1992
2 生建友、曹昌德.模块化概述.现代军事通信,1998,6(1):41~46
3 生建友、曹昌德.军用通信设备的热加固技术.通信技术与发展,1998,(3):43~47
4 生建友.军用通信设备的电磁兼容性设计.电子机械工程,1997,(4):37~43
5 生建友,李卫忠.军用通信设备结构屏蔽设计.无线电通信技术,1998,24(5):56~59
6 生建友、曹昌德.袖珍式电子设备结构与造型设计.电子工业专用设备,1996,25(4):33~36
7 生建友.机载电子设备的防振动抗冲击设计.电子机械工程,1999,(2):44~47

新闻来源:北京汇创立天科技有限公司
新闻中心
 
  
Copyright 2008-2019      北京汇创立天科技有限公司版权所有      备案:京ICP备12020727号      技术支持:讯飞科技