某機載數據鏈端機的結構設計

劉攀

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

某機載數據鏈端機工作于近海區域，考慮到其工作環境的鹽霧、霉菌、濕熱、溫度、振動等外界環境條件非常惡劣，因此如何選擇合適的整機結構形式和合理布局是解決設備的振動沖擊、散熱、三防以及可靠性和維護性等諸多問題，對于提高設備適應惡劣環境起著關鍵的作用。

根據設計要求，該訓練數據鏈端機的設計尺寸為140（W）×126（H）×220（L）、重量小于5.6 kg、熱耗預估為377 W、炮振量級為23 g。充分考慮端機的三防、減重、高量級振動及高熱耗等方面要求，設計了一種比較優越的結構形式。

1 結構設計

傳統的機載電子設備主要分為現場可更換單元（LRU）為基礎的積木拼裝式機箱結構和現場可更換模塊（LRM）為基礎的綜合集成機箱結構[1]。綜合集成式機箱具有集成度高，維修性好，但是設備額外增加了機箱外殼使設備重量增加，設備增加了額外的熱阻，散熱效果較差。積木拼裝式機箱主要由多個模塊串接形成整機，各模塊之間的電信號連接多以電纜連接，集成度低，維修性差，但是具有良好的散熱效果和便于減重設計[2]。

本機載數據鏈端機充分利用以上2種結構的優點。本端機采用積木拼裝式結構，各模塊具有獨立的功能，易于模塊的軟硬件技術升級和擴展能力，各模塊的高頻信號通過盲插的方式實現電信號互聯，低頻信號通過母板和接口轉換模塊作為信號互聯中樞，實現低頻信號的互聯。各模塊根據自身的熱耗大小選擇自然散熱或強迫風冷散熱。

端機主要由終端模塊、信道模塊、功放模塊、接口轉換模塊和母板組件組成。其中終端模塊、信道模塊、功放模塊具有獨立的功能，接口轉換模塊和母板組件作為低頻信號互聯中樞，高頻信號通過各模塊之間對插連接器的盲插互聯，通過互相插合緊固實現電氣和機械連接同步到位，從而實現了結構、電氣、散熱的緊藕合結構。終端模塊、和功放模塊均設計為帶通風腔式密封屏蔽結構，這種結構具有良好的緊湊型、重量輕、散熱好、抗振形好、維修方便、擴展性好等優點。端機的結構如圖1所示。

圖1 端機結構組成

2 熱設計

2.1 散熱方式的選擇

機載電子產品的散熱方式主要分為自然冷卻、強迫風冷和液冷。自然冷卻方式主要通過傳導、自然對流和輻射來散熱，具有可靠、安全和結構簡單等優點，但散熱效率較低；強迫風冷和液冷具有散熱效率高的優點，但需要加裝風機或液冷源，結構比較復雜，成本高。

對于機載設備散熱方式的確定，可以按照以下計算公式來選擇：

式中：

△Ts-a—設備工作時的允許溫升，℃；

Ts—設備表面允許的最高溫度，℃；

Ta—環境最高溫度，℃。

式中：

φ—熱流密度，W/cm2；

Φ—設備的最大熱耗功率，W；

A—設備的熱交換面積，cm2。

根據式（1）和式（2）參照文獻[2]選擇合適的散熱方式。

本端機的熱耗預估在377 W，各模塊熱耗如表1所示。

表1 端機的熱耗分布

根據式（1）計算得到端機工作時的允許溫升△Ts-a=25℃；按式（2）計算可分別得到終端模塊的熱流密度φ=0.023 W/cm2，信道模塊的熱流密度φ=0.018 W/cm2，功放模塊的熱流密度φ=0.245 W/cm2。按照文獻[3]可知，終端模塊和信道模塊適用于自然散熱冷卻方式，功放模塊適用于強迫風冷散熱。

2.2 風機的選型

本端機功放模塊采用強迫風冷散熱，其熱耗293.4 W，由公式：

式中：

Pr—設備熱耗功率，W；

cp—空氣比熱，J/（kg·℃），標況下為1005 J/（kg·℃）；

ρ—空氣密度，kg/m3，標況下為1.293 kg/m3；

△T—風道進口和出口的空氣的溫差，℃，一般情況下取6~10 ℃；

Qf—風機風量，m3/s。

按照式（3）計算得到端機所需的風量Qf=0.023 m3/s，根據所需風量，最終選擇了EBM公司的422JH型號的風機，具體參數如表2所示。

表2 風機參數

功放模塊采用3個422JH風機安裝于功放模塊的對外側方位置，如圖2所示。

圖2 風機安裝示意圖

2.3 熱設計初始方案

端機的64 %的熱耗是來自于功放模塊的兩個功率管。單個功率管的熱耗為120.5 W，熱流密度約為37 W/cm2，端機的最高環境溫度為70 ℃，功率管安裝面的最高溫度不能超過120 ℃。

為了使芯片的熱量盡量傳導出去，確保端機的正常工作，功放模塊的功率管到腔體散熱齒的熱阻盡可能小，因此采用錫焊將功率管焊接在散熱齒的底板背面上，金屬腔體選用鋁合金，有效降低了熱阻，并且兩個功率管盡量遠離，防止高熱耗器件集中產生局部高溫。

為了驗證方案可行性，對端機進行熱仿真分析，仿真結果見圖3和圖4所示?？梢钥闯龉Ψ拍K的功率管遠超過了許用溫度，并且熱耗沒有充分傳導出去，電路板的溫度超過100 ℃，這又會導致電路板其他器件存在高溫的風險，不能滿足設計要求，必須對熱設計方案進行改進。

圖3 端機溫度云圖

圖4 功放模塊溫度云圖

2.4 改進方案

從初始方案來看，功率管殼溫與風道輸入空氣的溫差在56 ℃左右，說明功率管與風道冷卻空氣之間的熱阻較大，熱量無法有效的傳導出去，還有較大的設計余量，因此優化設計主要降低功率管與風道冷卻空氣的熱阻。

根據文獻[4]中的理論，功率管到冷卻空氣的熱阻采用熱電模擬法進行熱阻網絡的熱阻計算，其熱阻可以表示為下列公式：

式中：

tb—散熱器底座的厚度；

k—散熱器的導熱系數；

Wd—散熱器的寬度；

Ld—散熱器長度；

a—對流換熱表面傳遞系數；

Aef—散熱器流固交換面積；

ρ—流體密度；

Gd—通過散熱器的流量；

Cp—流體工質的比熱；

λ—流體導熱系數；

As—熱源與散熱器表面接觸面積。

根據式（4）~（7）可知，增加散熱器的寬度、長度、散熱器的導熱系數、流體導熱系數、對流換熱表面傳遞系數、散熱器流固交換面積、熱源與散熱器表面接觸面積和通過散熱器的流量與降低底座厚度可以減少整個熱阻。

由于端機散熱器的體積有限，增加散熱器的寬度和長度不太現實，而增加散熱器流固交換面積必須增加散熱器的散熱齒數量，在散熱器寬度和風機不變情況下，這又會導致散熱器流經的流量減小，因而我們只能從增加散熱器的導熱系數和降低散熱器底座厚度來考慮。

常規的增加材料導熱系數的措施是更換更高導熱系數的材料、埋熱管技術和采用VC均熱板技術。

對比幾種方法，本端機采用VC均熱板技術，VC均熱板相當于鋁合金密度更小，可以起到減重效果，工藝性好。

根據功放模塊盒體的布局，將功放模塊做成一體化的VC均熱板，具體結構如圖5所示。要保證均熱板的高導熱系數，其厚度必須大于5 mm以上，本盒體的VC均熱板的厚度設為6 mm。

圖5 一體化均熱板的結構

VC均熱板的導熱系數高達2 000 W/m·K以上，而鋁合金的導熱系數在130~180 W/m·K左右，選用VC均熱板會大大降低熱源與熱沉的熱阻，為了驗證效果，對端機進行熱仿真計算，仿真結果見圖6和圖7所示。

圖6 整機外殼表面溫度云圖

圖7 功率管溫度云圖

從仿真結果可以看出，兩個功率管的殼溫為110℃左右，小于最大殼溫。通過一體化VC均熱板技術，不僅提高了熱設計的可靠性，并且相對鋁合金減少了設備的重量。

改進方案加工了端機樣機，設備成功順利通過高溫試驗，證明了端機熱設計的可靠性。

3 抗振動沖擊設計

端機的抗振設計要在保證其可靠性和安全性的前提下進行。抗振設計后的設備不影響其各項技術指標的實現，同時能夠滿足規定的環境適應性的各項需求。

本端機是通過航標螺釘直接安裝在飛機平臺上，沒有減振器隔振，因此端機自身必須具有較強抗沖擊能力，提高端機抗振動沖擊能力使結構的共振頻率遠離激勵頻率或則端機的危險頻率[5]。

提高結構的抗振能力主要通過提高結構的剛度和增大產品結構阻尼。剛度越大，抵抗變形的能力越強，其自身固有頻率越高； 本端機采用模塊化設計思路，將端機劃分為5個獨立功能的模塊，其中終端模塊、信道模塊和功放模塊通過6根螺桿串接起來，接口轉換模塊和母板組件通過螺釘固定在三個模塊結構件上，接口轉換模塊和母板組件可以作為整機的筋板，從而提高了整機的剛度；模塊內部的印制板合理布局，元器件進行對稱布局，安裝盡量低矮，體積和質量較大的元器件布于靠近安裝點的位置上；合理增加印制板固定點，減小電路板間距，從而提高印制板的剛度；對于質量大于5 g或則體積較大的元器件采取合理的加固措施（機械固定、粘接固定、局部灌封固定等）；減少內部走線，盡量縮短電纜的跨度，走線較長的線纜進行捆扎固定或則通過硅膠進行點膠固定。

4 三防設計

本端機主要工作于近海區域，因此其三防能力（防濕熱、防霉菌、防鹽霧）是重要的指標之一，也是結構設計中必須要解決的難題。本端機主要采取以下幾個方面的防護措施：首選金屬材料選用防銹鋁5A06、不銹鋼316L等耐腐蝕性優良的結構材料。非金屬材料材料主要選用聚四氟乙烯、環氧玻璃鋼等，同時避免產生接觸腐蝕，防止電化、偶腐蝕，消除或減少接觸材料間的電位差；其次端機主結構件為防銹鋁5A06，表面采用彩色導電氧化電鍍處理，外表面噴涂黑無光氟聚氨酯磁漆，不銹鋼件表面采取拋光和鈍化處理，在端機外表面形成保護性涂層，使潮氣、鹽霧和霉菌無法接觸到零件，達到防護措施；再次模塊內部印制板及其組件噴涂響應頻率的三防漆；最后各模塊的蓋板與盒體、模塊與模塊之間和對外接插件與面板之間的接縫處均嵌入導電密封條，使各模塊與外界空氣隔離，不僅能防止潮氣、鹽霧和霉菌的侵入，而且能起到電磁屏蔽的效果，并且導電橡膠條選用共擠“M”形導電橡膠密封條，密封條襯墊采用硅橡膠和導電橡膠復合結構，能適應比較惡劣的環境，其結構形式及安裝圖如圖 8所示。

圖8 導電橡膠條安裝結構形式

5 結論

某機載訓練數據鏈端機工作環境惡劣、熱耗高、體積小、重量輕。充分借鑒機載設備的兩種結構形式優點，設計出一種模塊化的結構形式，維修性方便、擴展能力強。著重對端機的熱設計方案進行了分析，計算結果表明對于單個熱源熱流密度高，通過降低熱路徑的熱阻能有效解決該類設備的有效方法。此外，端機的結構設計還涉及到抗振涉及、三防設計等。

經過實物樣機的試驗驗證，這種結構形式具有耐高溫、抗振性好、維修方便等優點，對同類產品具有一定的借鑒意義。