軍用電子設備環境適應性設計方法

李風新

（中國電子科技集團公司 第十五研究所，北京 100083）

引言

軍用電子設備的顯著特點是其應用環境的特殊性，從地面、高原、沙漠、島嶼，到方艙、火車、艦船、飛機、衛星，軍用電子設備承受著各種惡劣環境的影響，據統計，受環境影響造成設備故障的比例高達50 %，GJB 4239-2001《裝備環境工程通用要求》3.2 指出：環境適應性是指裝備（產品）在其壽命期內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[1]，所以，抗惡劣環境適應性設計是保證軍用電子設備可靠運行的重要手段。

由于設備在運輸、工作中所處的環境是多方面的，就需要從多個方向開展設備的抗惡劣環境適應性設計[2]工作，由此可見，環境適應性設計是一門多學科綜合類技術，要求設計者具備多方面的設計能力。為了比較全面、具體的介紹環境適應性設計，首先對惡劣環境開展了分析歸類，給出了環境適應性設計流程，針對各類惡劣環境適應性設計，結合實際工程經驗，在相關設計方面開展了比較詳細的介紹，并指出了仿真與試驗在抗惡劣環境適應性設計中的作用。

1 環境分類與危害

1.1 環境分類

軍用電子設備所處的惡劣環境包括氣候環境、力學環境、電磁環境、化學環境及其它特殊環境[3-5]。

氣候環境包括：溫度、濕度、氣壓、降水、雪、凝露、風、沙塵、降塵、大氣污染物及其它氣候環境；

力學環境包括：振動、沖擊、加速度、碰撞、搖擺、跌落、顛振、應力、噪聲等；

電磁環境包括：電場、磁場、強電磁脈沖、靜電放電、雷電、太陽輻射、核輻射等；

化學環境包括：酸、堿、鹽霧、臭氧、腐蝕性大氣等；

特殊環境包括：空間環境、核環境、生物環境（霉菌、微生物等）、島礁環境（特點是溫度高、濕度高、含鹽量高、強風、暴雨、太陽長期照射等）。

1.2 環境危害

各類環境都會從不同方面對軍用電子設備造成危害，影響設備可靠性，甚至導致設備無法正常工作。

氣候環境的危害：低氣壓和高濕度易引起空氣介電強度降低，使得器件之間的絕緣強度下降，增加了敏感器件產生放電或飛弧的風險；低溫會導致敏感元器件參數發生漂移甚至無法正常上電啟動，橡膠類材質變脆，密封墊、襯墊類性能下降，或關鍵部件的時效直接導致設備無法正常運行；持續高溫會導致器件參數發生漂移甚至損壞，易造成低熔點焊接處發生脫離、開裂現象，同時造成高溫敏感器件發生自我保護，直接斷電不工作；風、沙、雨、雪會侵蝕設備表面涂層，影響結構表面性能和機械強度，加速老化，并嚴重影響非密封設備的通風結構，造成設備風口堵塞或內部進水，直接危害內部電氣部件的絕緣性能。

力學環境的危害：長期外部機械應力會導致設備結構發生諧振，造成疲勞損傷，直接危害內部結構零部件和電氣零部件發生物理性損壞，振動、沖擊、碰撞等激勵容易導致器件管腳變形、開裂，開關觸發類器件發生誤動作，影響焊點強度，甚至導致器件自身發生永久性形變或失效。

電磁環境的危害：在復雜的電磁環境下，易干擾設備內部的電路性能，在電路回路里產生噪聲干擾，影響設備的電氣性能，尤其是信號發射、接收設備，在強電場、強磁場環境下，會造成設備靈敏度下降，設備工作異常，甚至造成內部器件發生火花等嚴重事故。

受軍用電子設備所處的特種應用場合的特點，其往往處于多類環境中，承受各方面的環境危害，所以，有必要對其進行有效的抗惡劣環境適應性設計，使設備能夠在要求的戰地環境下穩定、可靠、長期正常工作，這就是軍用電子設備抗惡劣環境適應性設計的必要性。

2 設計流程

軍用電子設備自項目立項到交付階段，抗惡劣環境適應性設計貫穿整個過程，尤其是設計實施階段，在每個設計環節中都體現著環境適應性設計。軍用電子設備在研制階段的環境適應性設計流程如圖1 所示[6-8]。

圖1 環境適應性設計流程

3 設計內容

由于軍用電子設備面臨的應用環境錯綜復雜，就須要對其開展多項有針對性地抗惡劣環境適應性設計，設計內容涵蓋的方面太多，就不逐一展開敘述了，只針對幾項比較受關注、設計量較大的環境適應性設計內容做概括性分析介紹，具體包括熱設計、抗振動沖擊設計和電磁兼容設計。

3.1 熱設計

在軍用電子設備的熱設計結構中，通常首先是將熱源熱量傳導至冷板結構中，冷板作為熱源的一級導熱結構，第一時間對熱源起到散熱作用，冷板的導熱效率直接影響著整個熱設計結構的散熱效率；冷板再經傳導或對流與設備機箱之間發生熱傳遞，將熱量從冷板結構傳導至機箱結構中，或是冷板熱量經機箱內的對流換熱散發到機箱內部空間內；最后通過機箱與外界熱沉之間的傳導、對流、輻射，將機箱或其內部熱量傳遞到設備外部，從而完成了設備內部熱源與外界熱沉之間的熱交換，實現整機熱設計[9-11]。不同整機結構形式，其散熱結構和路徑也不盡相同，軍用電子設備熱設計結構中的典型熱量流向如圖2 所示。

圖2 熱量流向圖

在軍用電子設備的熱設計結構中，須重點解決的關鍵問題是：

1）CPU 和冷板之間的熱傳導效率問題，即解決CPU一級導熱問題；

2）冷板散熱性能問題，包括導熱、均熱、傳熱、換熱效率問題；

3）機箱與外界熱沉之間的換熱效率問題。

針對CPU 一級導熱問題，其實是如何解決發熱芯片與冷板導熱結構間接觸面的接觸熱阻問題。目前普遍采用的措施是在接觸面間填加導熱介質，通過導熱介質的熱傳導，彌補接觸面間較大的接觸熱阻，因為受芯片焊接和冷板加工精度的限制，如發熱器件直接與冷板導熱結構貼合，二者之間的貼合度較差，易產生較大熱阻[12]，導熱介質一方面解決接觸面間的導熱效率問題，另一方面也緩解冷板結構對芯片及板卡產生的機械應力。目前應用較多的導熱介質包括導熱襯墊、相變導熱膏（墊）、石墨膜片、銦箔等，在具體熱設計中可根據實際導熱結構和散熱需求選用適宜的導熱介質。經工程應用，當熱源熱功耗為40 W，導熱襯墊的導熱系數提高5 W/m.k 后，熱源溫度會降低2 ℃左右；當熱源熱功耗為150 W，導熱介質由導熱系數為5 W/m.k 的導熱襯墊換為銦箔后，熱源溫度會降低5 ℃左右，所以，合理有效利用導熱襯墊和高效率導熱介質可明顯解決熱源的一級導熱問題[13]。

冷板散熱結構設計也是軍用電子設備熱設計中的重要環節，因為一旦熱量傳導至冷板上，就要看冷板能否在短時間內將熱量吸收、擴散，并與機箱實現有效的熱交換，在冷板散熱結構設計中，須要重點解決冷板導熱、均熱、傳熱和換熱能力。

經工程應用測試，當板卡熱源熱功耗為40 W，采用強迫風冷散熱時，在同等條件下，將冷板直接貼合CPU 的導熱結構由鋁合金材質換為紫銅后，CPU 熱源溫度由47.9 ℃降低為43.9 ℃，導熱效率提升明顯；將板卡冷板結構由純鋁合金材質嵌入熱管前后，CPU 熱源溫度由57 ℃降低為49 ℃，顯著提升了冷板整體的散熱效率；在板卡冷板與機箱導軌接觸面，涂抹相變導熱膏前后，CPU 熱源溫度由54 ℃降低為49 ℃，可明顯改善冷板與機箱導軌板間的熱交換效率[14]。

特種機箱的機箱換熱能力需依據實際安裝、使用環境，采用合理的散熱方式，實現機箱與熱沉之間的高效熱交換。在風冷機箱中，須著重處理好風道內的各種散熱結構，包括板卡模塊的部件和冷板結構、機箱導軌板結構、擋風板結構、風機選型與配置、進出風口結構等，做到整體分析，綜合優化。針對密閉機箱，須重點考慮機箱的傳導換熱和輻射換熱性能，可通過優化機箱自身結構、提高加工精度、嵌入高導熱介質等措施提高機箱的熱傳導性能，通過增加機箱表面黑度、噴涂熱涂層等措施提高機箱的空間輻射換熱性能。經工程應用，當調整風機安裝位置、優化擋風板結構和冷板翅片結構后，熱源溫度會降低（2 ～3）℃，對整機的散熱效果影響較小，但如果機箱風道做得不夠合理，則可能會嚴重制約整機的散熱性能。

3.2 抗振動沖擊設計

軍用電子設備須從器件級、板卡級、機箱級和系統級開展有針對性地抗振動沖擊設計，抗振動沖擊設計的目的增強被設計對象的抗振能力，減小外部激勵對設計對象的力學影響，從而增強并保證被設計對象可在復雜力學激勵下可正常可靠穩定運行[15-17]。

針對軍用電子設備板卡級和機箱級的抗振動沖擊設計內容主要包括剛性設計和減振設計兩個方面。

軍用電子設備的剛性設計準則：

1）設備各級結構須具備足夠強度，在外部激勵下，各層次結構之間不得出現諧振現象；

2）各層次結構緊密，具備剛性連接，各層次結構須符合二倍頻規則（當結構固有頻率fn 大于2 倍的外部激振頻率2 f，即fn ＞2 f 時，可視結構為剛性連接）；

3）結構件材質自身及外形設計后，須具備足夠強度和剛性，以保證其響應應力和位移不對電氣零部件造成任何危害；

4）剛性設計的同時須兼顧強度設計和疲勞設計，設備在歷經所有試驗、檢驗、運輸、驗收后，其結構的Miner 累積疲勞循環比R 須＜0.3，否則視為設計缺陷不予交付；

5）緊固件只能對單一結構件實現安裝，不得出現多級串行安裝結構，具體示例結構如圖3 所示；

圖3 緊固件安裝結構示例圖

6）避免結構件間的安裝間隙；

7）所有結構件之間應為面接觸；

8）不同材料之間須考慮熱膨脹引發的熱應力變形影響整體結構的剛性連接；

9）避免大面積懸空結構；

10）避免局部結構產生共振現象。

在軍用電子設備板卡級和機箱級的剛性設計中，最終目的是通過合理有效的加固設計結構，提高被加固對象如元器件、板卡等電氣功能零部件的固有頻率，增加其對外部激勵的耐受力，切不可利用被加固對象的自身結構反向加強加固結構的剛性，形成本末倒置，具體結構如圖4 所示。

圖4 單印制板剛性安裝結構示例圖

在圖4（a）中，CPCI 背板通過緊固螺釘安裝在導軌板一端，但導軌板只與機箱底板之間連接，其穩定性和剛性較弱，未與機箱形成一剛性整體，從而在產品使用或試驗中，導軌板會借助CPCI 背板結構達到其整體穩固性，導致失去了其作為CPCI 背板安裝基體的意義。正確安裝結構如圖4（b）所示，在導軌板前、后端增加前框、橫梁結構，把導軌板與機箱側板、底板裝聯一起，形成整體剛性結構后再作為CPCI 背板安裝基體，實現對CPCI 背板的剛性固定，提升其安裝后的固有頻率和抗振性。

減振設計也稱為隔振設計，在電子設備隔振系統中，通常用隔振傳遞率反映隔振系統的有效性。隔振傳遞率公式[18]：

式中：

η—系統隔振傳遞率，是系統結構的響應量值與外部激勵量值之比；

D—系統阻尼比，其值與系統阻尼系數、質量和剛度有關，隨系統參數的改變而變化，是無量綱值；

γ—頻率比，是外部激振頻率與固有頻率的比值。

當D 值改變時，隔振傳遞率η 隨頻率比γ 的變化曲線為隔振傳遞率曲線，如圖5 所示。

圖5 隔振傳遞率曲線

由隔振傳遞率曲線可以看出，當時，η 大于1，說明系統受外部激勵時的響應值被放大了，尤其是當時，是系統響應的極致點，說明系統此時發生了共振現象，此時的外部激勵頻率與系統固有頻率重合，說明系統處于放大區；當時，η 小于1，系統響應值低于外部激勵值，說明系統處于隔振區，并且隨激勵頻率的增加和阻尼比的減小，系統隔振效果越好。

在軍用電子設備中通常應用鋼絲繩減振器和橡膠減振器對減振對象實現被動減振設計。鋼絲繩減振器和橡膠減振器選用依據包括：

1）分析減振對象的構成和結構實現形式，以及減振對象的加固結構；

2）減振對象所在設備的抗振動沖擊試驗條件；

3）減振對象所在設備的應用環境指標要求；

4）通過對減振對象設計參數的分析，確定單個減振器的剛度、阻尼和載荷，并留有余量；

5）綜合分析系統特點和減振對象要素，確定減振器類型。

在目前軍用電子設備抗振動沖擊設計中，依靠剛性設計基本上可以滿足設備的抗振動沖擊指標要求，減振設計主要是針對有高量級、耐久性方面要求的設備，開展適宜的減振設計。

3.3 電磁兼容設計

軍用電子設備的電磁兼容設計主要包括屏蔽、濾波和接地三個方面[19-22]。

軍用電子設備一般都采用金屬材料作為機箱結構，如鋁合金、銅等，金屬對電磁波具有很好的吸收性，可以有效阻斷機箱內外空間輻射出的電磁波，從而達到機箱屏蔽的作用。對于非密閉性機箱，主要從通風口、顯示窗和機箱縫方面開展屏蔽設計，針對機箱通風口結構須滿足集膚深度，即孔深不低于孔徑的3 倍，一般機箱結構中的通風口直徑不大于5 mm，如在薄板機箱結構中設置通風口，通常在風口內側安裝通風屏蔽材料——蜂窩波導對通風口進行屏蔽處理，較常用的蜂窩波導為鋁制波導，其質量輕、耐蝕性好、易剪裁，可適用于各種機箱通風結構。對于波導的選用須綜合考慮機箱結構、波導強度、屏蔽效能和通風性能等方面的影響，同時，在通風口的濾塵結構設置方面，目前也有金屬濾塵網，即可滿足濾塵作用，同時還可以增強通風口的屏蔽效能。在所應用的導電屏蔽材料中，鈹銅簧片具備導電性好、屏蔽性能高的特點，但其密閉性較差；導電膠條同時具備屏蔽和密封的作用，尤其是針對密閉結構，可采用B 型導電橡膠條，可使機箱蓋板的密閉性達到IP65 級。

濾波技術是軍用電子設備抑制傳導干擾的重要措施，通過在線路中串聯專用濾波器，實現對特定電路和設備的濾波設計。

濾波器的安裝設計直接影響濾波器發揮的作用，在濾波器安裝結構中須注意：

1）電源濾波器應貼近電源輸入端，或是與電源輸入設計成一體；

2）濾波器兩端的引線盡量短，并且輸入和輸出線纜杜絕交叉；

3）濾波器的輸入和輸出端做到物理隔離；

4）濾波器的接地點須就近可靠接地；

5）濾波器的殼體為接地點，安裝結構中須考慮將濾波器殼體環接后與機殼地連接；

6）輸出端電纜盡可能短，或采用雙絞電纜。

在高頻信號電纜的干擾抑制方面，通常采用在電纜插頭內側加套管狀鐵氧體磁環，如VGA 線纜，加套磁環后可明顯抑制各種高頻干擾，消除因此而產生的顯示故障。同理，在電源濾波器輸入輸出端，通常采用雙絞線纜，同時附加繞接磁環措施，提高線纜的抗干擾和輻射能力，有利于提高設備自身的抗輻射發射和敏感度能力。

接地設計如同屏蔽設計是軍用電子設備電磁兼容設計的重要內容，接地是抑制電磁噪聲和干擾的重要措施，接地和屏蔽二者相輔相成，對實現軍用電子設備的電磁兼容性起著事半功倍的作用。軍用電子設備中的“地”分為信號地和安全地，其中信號地是設備內電子電路中的零電位點和零回路點，安全地一般是機殼地，通常與系統地或大地連接。

在軍用電子設備的電磁屏蔽設計中，除了在電子電路和加固結構方面開展相應的設計措施，還須考慮內部互聯電纜的屏蔽和接地處理，否則，電纜之間的耦合、干擾會嚴重影響整機的電磁屏蔽性，甚至造成信號輸出端口電纜成為一種發射、接收天線的可能。電纜的電磁兼容設計包括：

1）信號線和電源線分開布置，隔離越徹底越好；

2）電纜盡量貼近機殼敷設，減小對外輻射；

3）不同類信號線分別捆扎，間距越大越好；

4）盡量避免線纜平行敷設，平行敷設距離越短越好；

5）注意電纜屏蔽層與端口連接器之間的接地和屏蔽問題，在工程試驗中，大多存在因為線纜尾部的接地和屏蔽存在缺陷，而導致試驗指標超標的現象；

6）對敏感電纜采取針對性的屏蔽處理，如加套磁環、縮短長度、改用雙絞屏蔽線纜、增加電纜間距等措施。

4 仿真與試驗

4.1 仿真分析

隨著計算機輔助設計的發展，仿真分析逐漸成為軍用電子設備環境適應性設計的重要組成部分，仿真分析可以在設計階段驗證相關設計的準確性和有效性，以盡早發現、剔除設計缺陷，從而減小設備在后期產生重大設計缺陷的風險，避免因設計返工造成的額外研制費用。

針對不同的環境適應性設計內容有不同的仿真分析軟件，如Icepak 和Flotherm 通常用于熱仿真分析，ANSYS Workbench 和MSC Nastran 多用于機械類仿真分析，Fluent 和FloEFD 對于流體仿真分析更具有優越性，針對空間輻射方面，TD 和NX 在這方面的優勢更為明顯。在實際的仿真分析中，可依據不同類別開展更有針對性的仿真分析，由于目前各種仿真分析軟件均為國外軟件，對于國內的各類電子設備的仿真分析勢必存在誤差，有些軟件中的模型和參數可能不足以反映實際的結構特征，須在仿真分析中找到并較小此誤差，使得仿真分析的結果盡量貼合實際設計效果，做到真正設計校驗的目的。

4.2 試驗驗證

試驗是最貼合實際應用環境的校驗過程，可在設備交付前檢驗各項指標的符合程度，是檢驗設備可靠性的重要手段，并且國家已經頒布相關規定，軍用電子設備必須在產品交付前完成各類環境試驗。

隨著各類試驗標準體系的完善，對軍用電子設備的各類應用環境都有相對應的環境試驗方法，針對涉及多種環境試驗的設備或系統，須依據設備或系統的自身特點和實際應用中的作用，合理安排試驗順序和設定試驗量級，避免出現過試驗或欠試驗，對于不合理、準確的環境試驗同樣也會對設備造成危害，從而影響設備交付后的可靠性。

5 結束語

軍用電子設備因其特殊應用場合，使其面臨各種各樣的惡劣環境，每種惡劣環境都會從不同方面對軍用電子設備的可靠性造成影響，使得軍用電子設備功能性能降低甚至失效，所以，對其開展環境適應性設計有著不可或缺的必要性和重要性。通過對軍用電子設備所面臨環境的全面分析，介紹了惡劣環境對軍用電子設備造成的危害，提出了開展抗惡劣環境適應性設計的必要性。從軍用電子設備的設計流程中給出了環境適應性設計在產品研制階段的作用和重要性，結合在軍用電子設備環境適應性設計的經驗積累，詳細給出了軍用電子設備在熱設計、抗振動沖擊設計和電磁兼容設計方面的具體措施和方法，可作為類似產品的設計參照，對于避免一些低級設計缺陷具有現實的指導意義，最后給出了仿真分析與試驗驗證在軍用電子設備研制過程中發揮的作用。環境適應性設計是一項綜合性研制過程，須具體問題具體分析，綜合考慮，全面入手，切莫顧此失彼，避免在實際設計過程中出現過加固或欠加固現象。隨著新技術和新材料的不斷挖掘，一定會給軍用電子設備的環境適應性設計帶來新的方式方法以及更有效的設計收到。