淺析國外軍用組合機柜環境設計

文 | 中船重工集團第七二二研究所 史 榮

淺析國外軍用組合機柜環境設計

文 | 中船重工集團第七二二研究所 史 榮

本文主要介紹了一款海外軍用組合機柜，它的結構和電氣設計在可靠性方面具有突出的優點，具體在環境設計方面采用的技術值得我們借鑒。

可靠性；環境；設計

1.言

軍用組合機柜設計是將分散的設備按功能特性和使用要求分類組裝，優化配置，依據人機交互的方式進行合理布局，并按照人機工程學的基本原理進行造型設計和結構設計,以便于進行系統的操作使用和維修，充分地發揮其綜合作戰能力。

2.用環境技術要求

組合機柜設計要求具有優良觀察、操控性能，能滿足產品嚴酷的物理、機械環境條件要求。

組合機柜的尺寸選用與該使用環境的其他設備尺寸、顏色協調一致。機柜并柜后要求各設備整潔、一致。其典型的款式外觀示意圖見圖1。

軍用組合機柜通常有效使用空間環境惡劣，這樣就要求組合機柜排列緊湊，環境的狹窄使得干擾和各方面復雜的因素交織，組合機柜的設計應從滿足基本功能著手，盡可能充分考慮人機工程學的相關要求。

3.惡劣環境設計技術要求

抗惡劣環境設計涉及的專業廣泛，包括了：機械學、電子學、材料學、傳熱學、電磁場理論、力學、電化學、人機工程學、聲學、生物學、環境科學、可靠性、維修性等等眾多的學科技術范疇，如何將這些學科的理論應用到具體的設備研制工程中是一個復雜的綜合問題，各種技術互相滲透，貫通，又互相制約。

抗惡劣環境設計是一項巨大的系統工程，從研制到運行的全壽命期，環境控制技術貫穿整個的設計過程，從最基本的材料、結構、工藝等具體的細節設計，環環相扣，缺一不可。該款在環境的設計上主要體現在材料的選取和外部的防護涂層上，結構上也采用了各種的防護措施。

4.輻射加固技術

從相關技術資料上可看出抗輻射加固技術始終貫穿在設計思路上，設計初期要充分地分析了輻射環境和輻射效應損傷機理，根據抗輻射指標和電子系統所要求完成的性能要求制定失效判據，最后，按照合理的安全系數進行加固設計。加固不僅是考慮抗震還在兼顧著防輻射功能，設計時選用的加固材料就可以做到這點，從器件生產、電路設計到組裝成系統，每個環節都進行加固，其中元器件加固是整個加固工作的基礎，細節上做好了，整合在一起就順其自然達到效果。

5.惡劣氣侯環境

現代技術中計算機的使用普及，為了在惡劣的氣侯環境下使用計算機,設計考慮到在較低溫度或較高溫度運行的需要,加固計算機采用寬溫的主板,必要時在主板和每一個附加卡(如網卡、顯卡、視頻采集卡等)上加裝散熱鋁板以便高溫時散熱，加裝加熱膜及溫控開關，在應用環境低于一定溫度時溫控開關啟動，通過加熱膜加熱的方式提高加固計算機內的溫度至可工作的溫度。

6.惡劣電磁環境

如強磁場、強電磁脈沖、雷電、靜電和火花，主要采用電磁兼容設計和接地技術等。

6.1.屏蔽技術：接地質量對屏蔽效能影響極大。一般要求屏蔽體與地的接觸電阻小于2mΩ。而在要求更高的設備中則要求接觸電阻小于0.5 mΩ。當屏蔽體通過導線與地相連時，導線的截面積和截面周界都應適當大些，例如，用扁銅條和編織線，以減小直流和交流電阻。同時要求盡量縮短導線的長度，以減小導線的感抗。導線兩端最好焊接而不是搭接。此外，屏蔽體的接地點要選擇在靠近被屏蔽的低電平元件的入地點。合理地選擇屏蔽體的形狀有利于提高電屏效能。盒形屏蔽體優于板形屏蔽體，全密封屏蔽體優于帶窗口孔和縫隙的屏蔽體。屏蔽體上要盡量減小開孔，需要時可開小孔或百葉窗式孔洞或用屏蔽用銅帶粘封。電屏蔽體的材料易選用導體，如銀、銅、鋁等。

電屏蔽效能可用屏蔽前后感受器上的感應電壓來計算：即

式中SE為屏蔽效能，UB為屏蔽前感受器上的感應電壓，Us為屏蔽后感受器上的感應電壓。

6.2.屏蔽技術：就是用導磁性能良好的材料做成屏蔽板體，箱體、盒體將這些易受場干擾的和易發射磁場的元件或單元電路磁屏蔽起來，借以消除或減弱不需要的磁場對通信及電子設備的干擾。

磁屏蔽效能計算公式如下式所示：

式中μλ為相對導磁率μλ=μs /μo，其中μs為屏蔽材料的磁導率，μo為空氣磁導率。

在制造磁屏蔽體時，設備最好選用導磁率較高的坡膜合金及較高的其它合金，這些類型的導磁材料導磁率一般大于6000。若需更高的效能可采用非晶態帶材Fjl1、Fjl3l等品種。必要時還可采用雙重磁屏蔽，以進一步提高屏蔽效能。

7.擊防護能力

由于使用場所的特殊性，環境惡劣性，空間狹窄等因素，對沖擊防護的要求就更要高一籌。沖擊防護主要體現抗變型防護，抗跌落防護，抗諧振防護這三個方面。

振動沖擊隔離技術是在環境條件嚴酷等級（激勵值）和設備允許響應值（即脆值）已知的前提下，通過對設備附加隔振緩沖器來進行保護的技術措施，其基本設計思想是通過隔振器傳遞給設備的激勵值（即設備的響應值）始終小于設備的許用值。用于設備的振動沖擊隔離系統必須兼有隔振與隔沖功能。振動沖擊隔離系統的期望動態特性是隔離系統設計的優化目標函數。其中隔振系統的期望動態特性應滿足以下四項設計要求或原則：非耦合或弱耦合原則、低固有頻率原則、線性特性、變阻尼（無共振峰）特性等。而沖擊隔離系統的動態特性應符合以下五項設計原則：能量吸收原則、輸出動荷最小原則、變形量最小原則、能量耗散最多原則、復位原則等。

8.信息泄漏能力

通常采用兩種方法，即包容法和抑源法。包容法是將計算機整體屏蔽起來，并在電源線和信號線上使用濾波器，抑制計算機通過空間和有關通道向外輻射發射和傳導發射信息。抑源法是在設計電路和印制電路板時，就充分考慮對泄密信息的控制，防止其輻射。兩種方法各有特點，應用于不同情況，有時兩者結合使用。包容法設計簡單，造價低，但效果不及后者，特別是屏蔽材料隨時間增長會老化失效，從而降低屏蔽效果。抑源法成本較高，但效果好。

9.設計技術

該組合設備采用了大量的熱設計技術，其中設備中散熱條、散熱塊使用廣泛。各設備之間相互散熱處理了合理的導流通道，整體和局部熱設計做到了相結合。

熱設計是保證組合在一起的各設備能安全可靠工作的重要條件。電子設備工作時,其輸出功率只占設備輸入功率的一部分,其損失的功率都以熱能形式散發出去,尤其是功耗較大的元器件,如：變壓器、功耗大的電阻等,實際上它們是一個熱源,使設備的溫度升高。因此,熱設計是保證電子設備能安全可靠工作的重要條件之一,制約組合設備的散熱關鍵目標是確定發熱是否在設計參數范圍之內，并找出降低溫度的方法。計算流體動力學(CFD)仿真可用來確定各設備在機柜上不出現局部高溫問題。因此，需要進行測試，以獲得系統在正常或滿功率工作時的典型溫度。熱分析之后，通常要進行系統級熱分析。這樣，就可驗證CFD仿真并確保系統將工作在相對較低的溫度。

10.束語

軍用設備的可靠性設計是一個復雜的系統工程，所受的制約因素很多，既有性能、功能上的約束，物理、機械環境條件的約束，也有布局、設計尺寸以及操作員的操作習慣等方面的約束。通過對這一款設備的分析，我們可以學習其設計優點，同時利用國產材料的優勢降低成本，取長補短。

[1] 簡召全. 工業設計方法學[M]. 北京:北京理工大學出版社.2000

[2] 吳漢森. 電子設備結構與工藝[M]. 北京:北京理工大學出版社.1995

On the Environmental Design of Foreign Military Combination Cabinet

This paper describes a kind of foreign military combination cabinet, its structure and electrical design has obvious advantages. The environmental design technology is worth our great attention and adoption.

reliability；environmental；design

史榮，中船重工集團第七二二研究所