機載電子設備結構“五化”設計淺析

張豐華　田灃　李雪龍　李向東

摘 要：機載電子設備性能不斷提升，對電子設備結構設計要求也相應提高。文章通過介紹機載電子設備發展趨勢，提出對電子設備結構設計的需求。機載電子結構設計專業應該按照數字化、綜合化、模塊化、通用化和智能化趨勢進行分析，提出相應專業研究內容，為后續發展做好技術儲備。

關鍵詞：機載電子設備;結構設計;五化

1 緒論

機載電子設備泛指在飛行器上安裝應用的各類電子設備。機載電子設備系統發展過程中，相當長一段時間主要重視性能，而可靠性和可維護性則處于次要的地位，隨著機載電子系統日益復雜，維護時間不斷延長，維修費用不斷增長，可靠性和可維護性已上升到與性能處于同等重要的地位。解決這些問題的唯一途徑就是采用綜合化技術，基礎技術的迅猛發展，為實現先進的機載電子綜合化提供了可能[1]。

2 機載電子設備結構設計需求

電子設備結構設計包含廣泛的技術內容，逐漸成為一門交叉邊緣學科，其范圍涉及力學、機械學、材料學、熱學、電學、化學、光學、聲學、工程心理學、美學、環境科學等。[2]

機載電子設備結構設計技術發展，取決于機載電子設備系統技術需求。機載電子設備結構設計主要針對飛行器特殊應用環境、面對各種封裝形式元器件進行設計，包括熱管理、強度及輕量化、電磁屏蔽、防護性設計以及人因設計等方面。

3 機載電子結構設計“五化”分析

機載電子設備向著數字化、綜合化、模塊化、通用化和智能化的方向發展，電子設備結構設計也是圍繞著上述幾個方向發展。

3.1 機載電子結構設計的數字化

數字化在機載電子設備整機可以理解為數字電路替代模擬電路，也可理解為利用數字仿真技術的基于模型的正向設計技術，結構設計主要是后者。

機載電子結構設計以散熱設計為例，機載電子設備性能越來越高、組裝密度越來越高，元器件采用低功耗技術，設備采取降額設計[3]，但機載電子體積重量也隨之減小，熱流密度并沒有降低，反而在不斷提升。電子設備散熱方式包括自然散熱、強迫風冷和液冷等，更高效的散熱方式系統負擔（所需資源）會更多，導致系統設計難度按比例增大。因此在滿足系統需求基礎上采用更為高效散熱方式是設計人員的首選。目前電子設備的熱設計，幾乎都處于散熱能力的邊界，以往通過類比、根據經驗進行設計的方式很難做出選擇，必須通過可量化的數據準確仿真計算，才能最終確定設計方案。機載電子設計結構設計早已不僅是簡單的機械設計，而是包含詳細特征的全數字樣機設計。

3.2 機載電子結構設計的綜合化

綜合化不是各個航空電子分系統的有機組合，而是將整個航空電子設備作為一個飛機的子系統進行設計和工作，構成一種結構和功能綜合的航空電子綜合系統結構。

綜合化對結構帶來的挑戰主要是整機功耗增加，局部熱流密度更高。模塊集中在一起，機架的尺寸及重量也相應增加，傳力路線更加復雜，模態變化對元器件的影響也更加復雜。

綜合化機架設計與普通電子設備有區別。以模塊升級更換為例：很多功能模塊集中在一個機架中，由于模塊需要升級和維護拆裝，模塊自身拆卸機構壽命應與電連接器的壽命相同，如果采用封閉式機架，則外部密封機構的拆卸壽命應等于所有內部模塊壽命之和。

3.3 機載電子結構設計的模塊化

模塊化是目前工程設計人員較為認同的一種設計方式，模塊化至少包括三個層級。第一層是機架通過簡單方式與安裝平臺連接在一起，機架與以往的可替換單元形式一致，可視為是單獨的模塊，具有背板和IO。第二層綜合化模塊是一種獨立功能模塊，模塊通過機械快卸方式連接實現安裝連接，通過連接器實現電氣連接。第三層是模塊內部，機架內部也采用模塊化思維進行設計，采用幾種通用功能模塊堆疊進行組裝，實現不同的功能組合，模塊化的設計能保證產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品，其功能一般覆蓋較全，冗余較多，而且模塊組裝層級多，電連接器等連接方式增多，安裝復雜度提高，空間占用大，電氣傳輸信號受影響，產品MTBF指標會降低，一般模塊內部的連接不建議超過三級。

3.4 機載電子結構設計的通用化

通用化的基礎是標準化，只有遵循一定標準系列才能可能形成通用化的產品。制定模塊標準的目的就是為了提高航空電子設備的通用性。

電子設備結構設計通用化指在結構設計中采用通用化技術。以某標準模塊結構設計為例，可將其中通用的結構件抽取出來，形成通用件，甚至將采用某種標準體系的模塊結構件設計成半成品批量生產，只根據最終的元器件布局形成對散熱以及加固進行優化排列，提高生產效率，減少產品品種。模塊通用化設計減輕了結構設計工作量，提高了產品的競爭力。結構通用化設計要注意優先系數的應用，確保模塊尺寸設計經濟合理。

3.5 機載電子結構設計的智能化

智能化是由最新的計算機技術和微電子技術結合而形成的一種尖端技術，一般都是電氣性能智能化，而認為結構并無智能化要求。實際目前電子產品實現機電一體化設計，可以通過結構與電氣功能結合，結構設計也有智能化的趨勢。如通過產品通風孔面積的調整，或對風機轉速的等參數的調整，對散熱能力進行調整，確保產品在穩定的溫度范圍內進行工作，減少溫度沖擊對產品壽命的影響，降低產品功耗，減少噪音。

4 總結

機載電子設備結構技術作為電子系統的重要技術支撐，確保機載電子設備各項指標滿足實際使用要求，提升產品可靠性和可維護性。機載電子設備面對復雜的飛行器環境，性能提升必須依靠方法系統提升，結構設計技術迭代速度比電子產品慢，要緊跟系統發展方向，滿足未來機載電子發展的需求，必須提前預判、做好各專業方向技術研發儲備，才能適應機載電子設備數字化、綜合化、模塊化、通用化和智能化發展方向。

參考文獻：

[1][奧]羅蘭·沃爾夫格著，牛文生，等譯.航空工業出版社，2015.

[2]邱成悌，趙惇殳，蔣興權.電子設備結構設計原理.東南大學出版社，2004.

[3]劉建影著，郭福，馬立民譯.科學出版社，2013.

作者簡介：張豐華（1981-），男，陜西大荔人，高工，研究方向為電子設備結構設計。