機載電子設備結構輕型化設計及應用

廣州海格通信集團股份有限公司 符向斌 李 浩

一、前言

航天技術的發展一定程度上代表了一個國家科學技術發展的狀況。世界上發展較優的國家都在航天方面投入了大量的人力物力，進而制造出滿足國家需求的各色各樣的機載電子設備飛機，又因為機載電子設備是該飛機的核心，因此它決定了一個飛機的性能。

因為載機的環境較為復雜，且其中的資源不充分，所以電子設備的結構的容積應小、質量小、且穩定性強。使機載電子設備輕型化高效的實現了設備的輕型化，使得飛機在實際運行過程中的機動能力增強。通過長期的實驗和實踐，通過減輕機載設備中的典型結構，進而實現了記載電子設備的輕型化，使所有設備總體質量減輕，有助于設備的后期維護和實際運行。

二、典型結構輕型化設計

（一）輕型化結構設計需求

航空中電子設備的各部件的大小及質量都有十分嚴格的設計標準，通常情況下設備安裝的位置有限，因此為了在便于后期維護的基礎上，充分的使用這有限的空間，飛機中的電子設備使用可替換模塊的結構，然而安裝架是其中連接電子設備和飛機接頭的橋梁。電子設備中連接器的電纜以及其他設備的通電連接處均來自于設備后方的矩形電連接器實現，矩形電連接器中全部的電纜都通過安全架連通。（圖1為航空電子設備安裝示意圖）

圖1 航空電子設備安裝示意圖

圖2 電子設備安裝機柜示意圖

安裝機柜是實現電子設備安裝架安裝的設備。安裝機柜不僅能為電子設備提供結構，同時保障了設備連接中所需要的環境，確保維修以及改裝中實現快速的安裝。（圖2為航空電子設備安裝機柜示意圖）

實際上，怎樣減輕機架結構，實現飛機的減重這一問題是其中的關鍵。通過對現有資料的分析對安裝機柜的結構的輕型化設計進行詳細的描述。

（二）典型結構輕型化設計

1.選材

航空電子設備在設計中有質量輕便、材料強度高、具有良好啊的導熱導電能力、不易被腐蝕等要求，所以電子設備選材過程中，在保證材料強度和質量的同時，考慮材料的輕便性，通過對比發現鋁合金材料具備上述特點，能夠滿足航空電子設備的使用，因此鋁合金成為其重要材料。

2.典型結構輕型化設計的特點

機載雷達中的高頻機柜通常用作替換部件，因此將其看作重點結構進行了解。

在實際的應用過程中，每個高頻機柜都應該配有6～8個可替換元件，且質量都應不超過45kg。高頻機柜是多層的結構類型，使用中用方管鋁作為其主體支撐，其余通過三向或者四向接口相連，如圖3所示。依據設備要求，接頭使用鑄鋁如果在設計中要求個方向的垂直度，在設計中使用鉚釘將接頭和立柱進行連接。整體機柜的固定通常使用固定板等。電子設備通過電連接器通常使用安裝架中的過渡板進行連接，通過機體的骨架將設備進行相連。

圖3 接頭形式示意圖

機載電子設備的使用需要穩定結構的支持，而這種積木塊式的框架結構就為機載電子設備的穩定使用提供了支持。這種結構能夠使得電子設備在使用過程中成為一整體，無論是對于電纜的鋪設還是在后期的檢修中，這種開放式框架結構都能夠為相關工作提供便利。相比較于傳統的箱體式機柜，這種開放式框架能夠更加有益于冷卻，在傳統的風冷和自然散熱的方法基礎上，還能夠采用液體冷卻。而且，在設備單元液冷系統中，開放式構架能夠將系統的冷卻水管架設在機架上面，提高了設備整體的機動性。而且，上述結構的使用，在很大程度上減輕了重量，尤其是在設計和建造過程中使用的新型、輕型材料，就更加使得機柜的重量能夠很好的達到使用的重量要求，無論是對于后期的維護、提高載機結構的強度、減輕機載的重量等多種方面都具有很好的優勢。

在機柜的設計過程中，設計完成之后需要對機柜進行三維模態分析，在投入使用之前需要對機柜進行振動試驗，保證其在后期的使用中不會出現機械損傷以及松動等問題，避免在載機上出現變形以及撕裂等問題，保證其在使用過程中能夠符合技術規定和要求。最終也可以發現，該機柜的設計能夠很好的滿足記載的需要，并且能夠保證很好的結構強度和剛度。

3.試驗系統中的典型結構輕型化設計

對于機載雷達地面測試系統中使用的高頻機柜，采用鋁XXC73-5型材作為機柜框架，并采用三向或四向鑄鋁連接器與機柜框架連接，形成接收/發射單元、饋電網絡、電源、電纜等綜合機架。

與其他傳統機柜相比，機柜的結構形式大大減輕了重量，可維護性極強。雷達的優點在整個框架和測試過程中得到了充分的體現。它滿足了實際需要，提高了性能，成功地解決了集成框架輕量化設計的難題。

三、輕型化結構的優化設計

隨著航天技術發展，航空電子設備也在向著功能化、小型化以及輕便化方向發展，所以在機載電子設備輕型化的設計過程中，還需要不斷進行新結構的開發和研究，最終實現電子設備的減重。

通常來說，在機載設備的單元會存在發熱量較大的問題，尤其是在機載雷達中的單元設備，其發熱量更大，所以在其機柜設備的安裝以及走線等問題上需要更加注意，在實際的時候就要做進一步的優化。對于機柜的骨架以及冷板等結構，都要進行綜合考慮，在材料選擇時也要盡量選擇輕便的材料，設計實現結構的輕型化，保證足夠的布置空間，合理布局。選用性能優良、可靠性高、重量輕的細電纜也是減輕機柜重量的有效方法之一。當然，隨著高新技術的發展，用于傳輸電信號的電連接器也將變得越來越輕，使機柜變輕、小型化成為另一種可能。除了大規模和超大規模集成電路的應用和微電子組裝技術的快速發展之外，如何使各功能模塊和設備單元變輕變小成為另一項重要的減重技術。

其次，在很多的機載雷達的天線結構設計和使用中，出現了“三明治”式夾心結構，該結構的使用在很大程度上減輕了設備單元的重量。這種結構主要由輻射單元、反射板組合而成。其中，反射板使用的是鋁蜂窩夾心結構，在結構上將鋁蜂窩板的兩面分別膠接上鋁板，所以形象的稱為“三明治”結構。由于鋁蜂窩板采用的是符合材料，所以其比重相對較小，在結構的設計和使用中其重量就會更小，這就在很大程度上減少了天線整體的重量，保證了設備單元的重量能夠符合設計和使用的要求。

四、結論

綜上所述，隨著航天事業的發展和航空電子設備的輕型化趨勢的不斷推進，電子設備在飛機中的設置對于飛機性能提升等具有重要意義。因此，在電子設備的設計中，不僅要考慮傳統的電氣性能，而且要對其結構性進行考量，保證電子設備達到機載要求。此外，由于飛機的特殊性，所以在電子設備的設置中要更加注重空間要素，通過機載電子設備結構的輕型化發展來保證飛機具有更好的機動性和靈活性。機載電子設備結構輕型化不僅能夠提高飛機的運輸性能，而且能夠提高飛機的作戰性能，仍需要不斷探索和發展。