機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)“五化”設(shè)計(jì)淺析

張豐華　田灃　李雪龍　李向東

摘 要：機(jī)載電子設(shè)備性能不斷提升，對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也相應(yīng)提高。文章通過(guò)介紹機(jī)載電子設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)，提出對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求。機(jī)載電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)應(yīng)該按照數(shù)字化、綜合化、模塊化、通用化和智能化趨勢(shì)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)專(zhuān)業(yè)研究?jī)?nèi)容，為后續(xù)發(fā)展做好技術(shù)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：機(jī)載電子設(shè)備;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);五化

1 緒論

機(jī)載電子設(shè)備泛指在飛行器上安裝應(yīng)用的各類(lèi)電子設(shè)備。機(jī)載電子設(shè)備系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間主要重視性能，而可靠性和可維護(hù)性則處于次要的地位，隨著機(jī)載電子系統(tǒng)日益復(fù)雜，維護(hù)時(shí)間不斷延長(zhǎng)，維修費(fèi)用不斷增長(zhǎng)，可靠性和可維護(hù)性已上升到與性能處于同等重要的地位。解決這些問(wèn)題的唯一途徑就是采用綜合化技術(shù)，基礎(chǔ)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的機(jī)載電子綜合化提供了可能[1]。

2 機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含廣泛的技術(shù)內(nèi)容，逐漸成為一門(mén)交叉邊緣學(xué)科，其范圍涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、工程心理學(xué)、美學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。[2]

機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展，取決于機(jī)載電子設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)需求。機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要針對(duì)飛行器特殊應(yīng)用環(huán)境、面對(duì)各種封裝形式元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括熱管理、強(qiáng)度及輕量化、電磁屏蔽、防護(hù)性設(shè)計(jì)以及人因設(shè)計(jì)等方面。

3 機(jī)載電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“五化”分析

機(jī)載電子設(shè)備向著數(shù)字化、綜合化、模塊化、通用化和智能化的方向發(fā)展，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是圍繞著上述幾個(gè)方向發(fā)展。

3.1 機(jī)載電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字化

數(shù)字化在機(jī)載電子設(shè)備整機(jī)可以理解為數(shù)字電路替代模擬電路，也可理解為利用數(shù)字仿真技術(shù)的基于模型的正向設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是后者。

機(jī)載電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以散熱設(shè)計(jì)為例，機(jī)載電子設(shè)備性能越來(lái)越高、組裝密度越來(lái)越高，元器件采用低功耗技術(shù)，設(shè)備采取降額設(shè)計(jì)[3]，但機(jī)載電子體積重量也隨之減小，熱流密度并沒(méi)有降低，反而在不斷提升。電子設(shè)備散熱方式包括自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷和液冷等，更高效的散熱方式系統(tǒng)負(fù)擔(dān)（所需資源）會(huì)更多，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度按比例增大。因此在滿(mǎn)足系統(tǒng)需求基礎(chǔ)上采用更為高效散熱方式是設(shè)計(jì)人員的首選。目前電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，幾乎都處于散熱能力的邊界，以往通過(guò)類(lèi)比、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式很難做出選擇，必須通過(guò)可量化的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確仿真計(jì)算，才能最終確定設(shè)計(jì)方案。機(jī)載電子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)早已不僅是簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)計(jì)，而是包含詳細(xì)特征的全數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)。

3.2 機(jī)載電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合化

綜合化不是各個(gè)航空電子分系統(tǒng)的有機(jī)組合，而是將整個(gè)航空電子設(shè)備作為一個(gè)飛機(jī)的子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和工作，構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)和功能綜合的航空電子綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

綜合化對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的挑戰(zhàn)主要是整機(jī)功耗增加，局部熱流密度更高。模塊集中在一起，機(jī)架的尺寸及重量也相應(yīng)增加，傳力路線更加復(fù)雜，模態(tài)變化對(duì)元器件的影響也更加復(fù)雜。

綜合化機(jī)架設(shè)計(jì)與普通電子設(shè)備有區(qū)別。以模塊升級(jí)更換為例：很多功能模塊集中在一個(gè)機(jī)架中，由于模塊需要升級(jí)和維護(hù)拆裝，模塊自身拆卸機(jī)構(gòu)壽命應(yīng)與電連接器的壽命相同，如果采用封閉式機(jī)架，則外部密封機(jī)構(gòu)的拆卸壽命應(yīng)等于所有內(nèi)部模塊壽命之和。

3.3 機(jī)載電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊化

模塊化是目前工程設(shè)計(jì)人員較為認(rèn)同的一種設(shè)計(jì)方式，模塊化至少包括三個(gè)層級(jí)。第一層是機(jī)架通過(guò)簡(jiǎn)單方式與安裝平臺(tái)連接在一起，機(jī)架與以往的可替換單元形式一致，可視為是單獨(dú)的模塊，具有背板和IO。第二層綜合化模塊是一種獨(dú)立功能模塊，模塊通過(guò)機(jī)械快卸方式連接實(shí)現(xiàn)安裝連接，通過(guò)連接器實(shí)現(xiàn)電氣連接。第三層是模塊內(nèi)部，機(jī)架內(nèi)部也采用模塊化思維進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用幾種通用功能模塊堆疊進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)不同的功能組合，模塊化的設(shè)計(jì)能保證產(chǎn)品可維修性和可保障性，但是模塊化的方式也有弊端，比如基本模塊都是貨架化產(chǎn)品，其功能一般覆蓋較全，冗余較多，而且模塊組裝層級(jí)多，電連接器等連接方式增多，安裝復(fù)雜度提高，空間占用大，電氣傳輸信號(hào)受影響，產(chǎn)品MTBF指標(biāo)會(huì)降低，一般模塊內(nèi)部的連接不建議超過(guò)三級(jí)。

3.4 機(jī)載電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用化

通用化的基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)化，只有遵循一定標(biāo)準(zhǔn)系列才能可能形成通用化的產(chǎn)品。制定模塊標(biāo)準(zhǔn)的目的就是為了提高航空電子設(shè)備的通用性。

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用化指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用通用化技術(shù)。以某標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，可將其中通用的結(jié)構(gòu)件抽取出來(lái)，形成通用件，甚至將采用某種標(biāo)準(zhǔn)體系的模塊結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)成半成品批量生產(chǎn)，只根據(jù)最終的元器件布局形成對(duì)散熱以及加固進(jìn)行優(yōu)化排列，提高生產(chǎn)效率，減少產(chǎn)品品種。模塊通用化設(shè)計(jì)減輕了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作量，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。結(jié)構(gòu)通用化設(shè)計(jì)要注意優(yōu)先系數(shù)的應(yīng)用，確保模塊尺寸設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。

3.5 機(jī)載電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的智能化

智能化是由最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)結(jié)合而形成的一種尖端技術(shù)，一般都是電氣性能智能化，而認(rèn)為結(jié)構(gòu)并無(wú)智能化要求。實(shí)際目前電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)與電氣功能結(jié)合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有智能化的趨勢(shì)。如通過(guò)產(chǎn)品通風(fēng)孔面積的調(diào)整，或?qū)︼L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的等參數(shù)的調(diào)整，對(duì)散熱能力進(jìn)行調(diào)整，確保產(chǎn)品在穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作，減少溫度沖擊對(duì)產(chǎn)品壽命的影響，降低產(chǎn)品功耗，減少噪音。

4 總結(jié)

機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)技術(shù)作為電子系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐，確保機(jī)載電子設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，提升產(chǎn)品可靠性和可維護(hù)性。機(jī)載電子設(shè)備面對(duì)復(fù)雜的飛行器環(huán)境，性能提升必須依靠方法系統(tǒng)提升，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)迭代速度比電子產(chǎn)品慢，要緊跟系統(tǒng)發(fā)展方向，滿(mǎn)足未來(lái)機(jī)載電子發(fā)展的需求，必須提前預(yù)判、做好各專(zhuān)業(yè)方向技術(shù)研發(fā)儲(chǔ)備，才能適應(yīng)機(jī)載電子設(shè)備數(shù)字化、綜合化、模塊化、通用化和智能化發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1][奧]羅蘭·沃爾夫格著，牛文生，等譯.航空工業(yè)出版社，2015.

[2]邱成悌，趙惇殳，蔣興權(quán).電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.東南大學(xué)出版社，2004.

[3]劉建影著，郭福，馬立民譯.科學(xué)出版社，2013.

作者簡(jiǎn)介：張豐華（1981-），男，陜西大荔人，高工，研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。