航空電子儀表環境適應性設計

張愛麗

（北京青云航空儀表有限公司 北京 100086）

航空電子儀表面臨復雜多變的戰場環境，各種自然環境和戰場環境的綜合作用會使產品的材料受到腐蝕或破壞、電子器件失效，從而影響航空電子儀表的作戰效能。據統計，環境因素誘發的故障占機載電子設備故障總數的52．7%[1]，可見提高設備的環境適應性可大大提高產品的質量特性。

1 環境適應性

GJB4239《裝備環境工程通用要求》中對裝備環境適應性的定義是“裝備在其壽命周期預計可能遇到的各種環境的作用下能實現其所有預定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是裝備的重要質量特性之一”[2]。環境適應性是裝備在壽命期內貯存、運輸和工作狀態下受極端環境作用而不被破壞和能正常工作的能力，以裝備是否失效或有故障作判據[3]，基本上用適用和不適用作定性判據，如果裝備環境適應性不合格，意味著該裝備不能投入使用，可見環境適應性對航空電子儀表的作戰效能影響十分嚴重。

2 環境分類

航空電子儀表所經受的環境條件主要分為兩種：自然環境、機械環境和電磁環境。從統計數據可以看出，對航空電子儀表適應性影響比較顯著的自然環境主要是如下幾種[4]：低氣壓環境、高溫環境、低溫環境、溫度沖擊環境、濕熱環境、霉菌環境、鹽霧環境。對航空電子儀表適應性影響比較顯著的機械環境主要是如下幾種：振動環境、沖擊環境、加速度環境。對航空電子儀表適應性影響顯著的電磁環境問題包括兩類，第1類是指電子電路、設備在工作時由于相互干擾或受到外界的干擾使其達不到預期的技術指標；第2類是設備雖然沒有受到電磁干擾，但不能通過國家的電磁兼容性指標。

3 環境因素對設備的影響機理

3.1 低氣壓（高度）環境

低氣壓環境對設備的影響及導致的結果如下：

1）空氣抗電強度降低：絕緣擊穿，高壓點的飛弧、電暈現象增加，可能產生臭氧和產生排氣作用，電氣設備工作不穩定；

2）空氣介電常數減小，氣密設備中的應力增大：元器件電參數發生變化，密封設備箱體變形，焊接開裂。結構損壞、泄漏；

3）散熱困難：設備溫度升高；4）冷焊：機械動作困難。

3.2 高溫環境

高溫環境對設備的影響及導致的結果如下：

1）導致材料軟化：結構強度減弱，絕緣質變軟失效；

2）化學分解和老化：涂覆表面起泡、低熔點焊錫縫開裂，元件損壞、著火、焊點脫開；

3）設備過熱：活動部件卡死，堅固裝置松動，由于物理膨脹使結構強度降低，塑料、橡膠裂紋和膨脹；

4）金屬氧化加速：接點接觸電阻增大，金屬材料表面電阻增大，電感、電容、電功率系數、介電常數等參數變化；

5）潤滑油粘度下降：喪失潤滑性。

3.3 低溫環境

低溫環境對設備的影響導致的結果如下：

1）材料變脆：結構強度減弱，電纜損壞，蠟變硬，塑料、橡膠失去柔性變脆、發裂；

2）結冰現象：電氣機械功能變化；

3）物理收縮不同：活動部分被卡住，觸點接觸不良，襯墊、密封墊失去彈性，引起泄漏，涂覆表面龜裂；

4）元件性能變化：鋁電解電容器損壞，石英晶體不振蕩，蓄電池容量降低，繼電器接點燒結。

3.4 濕熱環境

濕熱環境對設備的影響及導致的結果如下：

1）水蒸氣沉積：物理性能下降，絕緣電阻降低，介電常數增大；

2）吸收水分：某些塑料零件隆起和變形，絕緣性下降，結構強度下降，濕氣滲入多孔材料內，造成導電體間漏電、短路；

3）金屬腐蝕：增大絕緣體的導電性，活動部分卡住，表面電阻增大。

3.5 霉菌環境

1）霉菌吞噬和繁殖：有機材料強度降低、損壞，活動部分受阻塞；

2）吸附水分，分泌腐蝕液體：導致其它形式的腐蝕。

3.6 鹽霧環境

1）金屬腐蝕：增大磨損，機械強度下降；

2）化學反應：鹽和水結合使材料導電，絕緣電阻降低，金屬化學腐蝕加速；

3）電解：金屬電蝕。

3.7 振 動

1）機械應力疲勞：材料和結構龜裂、移位或振動，元器件管腳、引線、導線折斷；

2）電路中產生噪聲：連接器、繼電器、開關的瞬間斷電、電子插件性能下降。粘層、鍵合點脫開，電路瞬間短路、短路。

3.8 沖 擊

機械應力：造成畸變，結構失效，應力超過組件許用工作應力時，元件合構件斷裂或折斷，電子設備瞬間短路，松動或散架。

3.9 加速度

1）機械應力：結構變形和破壞；2）液壓增加：漏液。

3.10 電 磁

1）設備受到外界干擾達不到預期的指標[5]；2）不能通過國家的電磁兼容標準。

4 產品耐環境設計

耐環境設計應從以下幾個方面著手：1）采取改善環境或減緩環境影響的措施；2）選用耐環境能力強的結構、材料、元器件和工藝等；3）如果性能確定不能滿足設備可靠性要求，或處于臨界狀態，有必要采取一些有效措施，如降額、貯備等。

安裝在駕駛艙內的航空電子儀表，在產品設計初期就需要對其進行耐環境性設計考慮，為了使設備達到可靠性要求，需要針對設備的工作環境進行防護技術設計，提高設備本身的耐環境能力，保證設備執行其功能的有效性。

4.1 高溫環境適應性設計

根據高溫環境對設備的影響機理，在航空電子儀表品的設計過程中，主要考慮的設計內容如下：

1）保證產品環境具有良好的冷卻功能，機箱要具有良好的通風性；產品中發熱量較大的元器件要做散熱處理，必要時加裝散熱片、風扇；

2）熱設計應滿足產品的可靠性要求，以保證設備內的元器件均能在設定的熱環境中長期正常工作，對于發熱元件，如電源模塊、大功率電路、CPU等應采取功率降額、殼溫降額或工作頻率降額等方法，保證長期在連續高溫工作條件下，殼表面溫度不高于85℃；原則上設計時應選用允許工作殼溫不低于125℃的元器件；

3）要求選擇軍溫電子元器件保證其在高、低溫環境下的正常工作。每個電子元器件的參數選擇和安裝位置及方式必須符合散熱要求；

4）高溫環境對可靠性影響較大的元器件，如鉭電解電容應按額定電壓65%以下降額使用；

5）選用耐高溫材料，加強工藝中的耐高溫處理。

4.2 低溫環境適應性設計

低溫環境中，航空電子儀表品的設計[6]內容如下：

1）對選擇不到耐低溫工作的材料或元器件應采用加熱控制，保證產品可在低溫環境下工作。

2）仔細選擇材料，使其具備令人滿意的各種低溫特性；

3）在選擇濾波電容器和保持電容器時，電容量應留有余量，保證低溫工作條件下的功能和性能滿足要求，禁止選用鋁電解電容器；

4）潤滑劑要求選用低溫特性良好的產品。

4.3 濕熱環境適應性設計

濕熱環境中，航空電子儀表品的設計內容如下：

1）采用成熟的或經過同等濕熱試驗條件驗證的保護涂層；2）選用防水、防霉和防銹蝕的材料；

3）對顯示窗需要加裝保護膜或保護玻璃來密封，防止結霧。

4.4 霉菌環境適應性設計

霉菌環境中，航空電子儀表品的設計內容如下：

1）選擇不長霉的材料；

2）采用防霉處理零件和設備，表面涂覆采用工廠成熟的工藝。

4.5 鹽霧環境適應性設計

鹽霧環境中，航空電子儀表品的設計內容如下：1）盡量采用非金屬材料，優先選用耐鹽霧材料；2）元器件采用相應的防護措施，要求涂三防漆。

4.6 低氣壓環境適應性設計

低氣壓環境中，航空電子儀表品的設計內容如下：

1）應選擇氣密封的電子元器件；

2）按鍵開關應有足夠的工作行程和預緊力，確保座艙壓力快速變化時，按鍵不產生誤動作。

4.7 機械環境適應性設計

振動、沖擊、加速度等各種機械力環境可稱為力學環境。在力學環境的設計方面要遵循如下原則：

1）控制振源，減小振動，盡量減小和消除不平衡力或力矩；

2）隔離振源，改善工作環境，必要時加裝減震支架；

3）對于單件重量超過2 g的電子元器件不能僅靠管腳安裝固定，應有其它加固措施。對于總量大于20 g的電子元器件均不能只依靠管腳安裝固定，應采取其它加固措施。對于易損件的加固措施應便于維修更換。

4.8 耐電磁環境設計

對產品進行了耐電磁環境防護設計[6]考慮，主要設計實現了如下幾方面的工作：

1）濾波和防護器件的選型；電源輸入接口濾波器需要根據產品功率來選擇型號；根據防雷要求選擇器件型號；

2）關鍵電路設計控制；檢查晶振、芯片、時鐘驅動電路的濾波電路；

3）在PCB布局設計時要做：PCB電路板的層疊結構設計、電源和地平面的分割處理、重要器件布局、濾波電容的布局、防護器件的放置位置；

4）在PCB布線時要做：晶振時鐘布線的處理、關鍵電路布線控制、接口電路布線控制；

5）采用多層板技術，將平板電源、平板地與信號層之間進行有效分隔，提高抗干擾能力；

6）采用帶有濾波和屏蔽尾附的航空插頭，有效抑制傳導干擾；

7）機箱上的調試插座在不使用時用金屬蓋密封，防止電磁泄露。

5 結束語

降低環境因素影響，提高航空電子儀表的環境適應性，保證其質量，是一項艱巨而重要的戰略任務。航空電子儀表的環境適應性主要機取決于其選用的材料、構造、元器件耐環境的能力和其結構設計、工藝設計時采取的耐環境措施是否完整和有效，一旦裝備設計完成，其耐環境能力也就基本固定。因此環境適應性設計要與產品性能設計、電路設計、結構設計、工藝設計同時考慮，貫徹預防為主、早期投入的原則，可達到事半功倍的效果。

[1]美國國防部可靠性分析中心．產品可靠性藍皮書[S]．2001．

[2]中國人民解放軍總裝部GJB4239．裝備環境工程通用要求[S]．2001．

[3]祝耀昌，常文君，傅耘．武器裝備環境適應性與環境工程[J]．裝備環境工程，2005，2（1）：14-19．

ZHU Yao-chang，CHANG Wen-jun，FU Yun．Environmental suitability and engineering in military equipment[J]．Equipment Environmental Engineering，2005，2（1）：14-19．

[4]姜廣順，楊召甫．武器裝備中電子插件板的環境適應性設計研究[J]．電子產品可靠性與環境試驗，2010，28（3）：14-19．

JIANG Guang-shun，YANG Zhao-fu． Discussion on environmental suitability design of the electronic plgy-in board in military equipmemt[J]．Electronic Product Reliabilty and Environmental Testing，2010，28（3）：14-19．

[5]潘建．淺談電子產品的可靠性設計[J]．電子設計工程，

2001（7）：9-11．

PAN Jian．A brief discussion of reliability design of electronic products[J]．Electronic Design Engneer，2001（7）：9-11．

[6]白同云，呂曉德．電磁兼容設計[M]．北京：北京郵電大學出版社，2004．