某型直升機(jī)超短波電臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王東，付月

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

隨著機(jī)載電子設(shè)備的功能復(fù)雜性和集成化程度的不斷提高，使電子設(shè)備的總功耗和熱流密度持續(xù)攀升；為了提升載機(jī)機(jī)動(dòng)性能、飛行速度、巡航時(shí)間或作戰(zhàn)半徑，對(duì)機(jī)載電子設(shè)備提出了更嚴(yán)苛的輕量化、小型化設(shè)計(jì)的需求[1,2]。如何在追求極致輕小化的同時(shí)兼顧散熱、抗沖振，以及高濕高熱、霉菌、鹽霧等惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)性，成為了電子設(shè)備研制過(guò)程中必須綜合考慮的問(wèn)題，將貫穿于設(shè)備的整個(gè)生命周期之中。

某型直升機(jī)超短波電臺(tái)是數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)超短波頻段話音通信、數(shù)據(jù)通信及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信等功能。本文根據(jù)某型直升機(jī)平臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性要求，開(kāi)展了超短波電臺(tái)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、電氣互聯(lián)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、抗沖振性能設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等，并通過(guò)仿真分析和實(shí)物樣機(jī)研制進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。通過(guò)緊湊合理的結(jié)構(gòu)總體布局、輕量化功能模塊設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證及試驗(yàn)測(cè)試，證明了設(shè)備可以滿(mǎn)足實(shí)際使用需求，相關(guān)的設(shè)計(jì)思路可為類(lèi)似機(jī)載設(shè)備提供借鑒。

1 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

機(jī)載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸圍繞著數(shù)字化、綜合化、模塊化、通用化和智能的“五化”方向發(fā)展。設(shè)備通常由具有不同功能的標(biāo)準(zhǔn)化模塊組合而成，在結(jié)構(gòu)形式上，目前比較常見(jiàn)的有兩種：一種是功能模塊+綜合集成式機(jī)箱式，多個(gè)功能模塊裝入同一個(gè)機(jī)箱，通過(guò)機(jī)箱公用背板來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的各類(lèi)信號(hào)和信息的互聯(lián)傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特定功能；另外一種是模塊積木拼裝串接式，多個(gè)功能模塊直接拼裝組合起來(lái)，通過(guò)模塊間的對(duì)插連接器或線纜來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)特定功能[3]。前者可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度、維修性更佳；后者則因傳熱路徑短、附加結(jié)構(gòu)件少等因素，在減重、散熱、抗沖振性能等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際需求，超短波電臺(tái)主要采用第二種結(jié)構(gòu)形式，基于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，充分考慮平臺(tái)使用環(huán)境、空間尺寸、重量等要求，開(kāi)展整機(jī)結(jié)構(gòu)布局和各功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)設(shè)備的功能劃分，超短波電臺(tái)主要由電源模塊、功放模塊、信道模塊和終端模塊組成，設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)外形尺寸為90 mm（寬）×187 mm（高）×270 mm（深）。各模塊均具有獨(dú)立的功能，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)和功能擴(kuò)展。各模塊之間通過(guò)定位銷(xiāo)孔和串接螺栓實(shí)現(xiàn)機(jī)械固定；各模塊的低頻信號(hào)傳遞通過(guò)電連接器盲插的方式實(shí)現(xiàn)，高頻信號(hào)通過(guò)連接器盲插和高頻線纜互聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)；各模塊根據(jù)內(nèi)部器件的熱耗大小和抗溫能力的強(qiáng)弱來(lái)選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷或是自然散熱。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 輕量化設(shè)計(jì)

機(jī)載設(shè)備對(duì)重量的要求極其苛刻，本項(xiàng)目主要從結(jié)構(gòu)減重和器件減重兩方面開(kāi)展。

在結(jié)構(gòu)減重方面，主要結(jié)構(gòu)件采用性能優(yōu)異的鋁合金5A06 材料，在保證整體強(qiáng)度和電磁屏蔽的情況下，采用外部減重槽減重，殼體內(nèi)部使用T 型刀進(jìn)一步去除多余結(jié)構(gòu)，非承力部位的結(jié)構(gòu)件壁厚控制在1mm 以?xún)?nèi)；對(duì)于散熱齒及導(dǎo)熱板，在保證導(dǎo)熱性能的前提下，對(duì)散熱齒的形狀、尺寸、布局進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最大程度的減重。

在器件減重方面，在保證設(shè)備性能的前提下，優(yōu)先選擇重量輕的器件；通過(guò)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，去除多余的備份和冗余器件；對(duì)印制板上的器件采用符合標(biāo)準(zhǔn)的最小間距排布，以減小印制板尺寸；盡量減少內(nèi)部的電纜互聯(lián)，改為盲插，或使線纜長(zhǎng)度最短。

通過(guò)上述輕量化設(shè)計(jì)，設(shè)備的重量控制在5 kg 以?xún)?nèi)。

3 電氣互聯(lián)設(shè)計(jì)

設(shè)備對(duì)外的電氣互聯(lián)接口位于電源模塊尾部，采用高低頻混裝連接器，連接器直接焊接在電源模塊內(nèi)部的印制板上，節(jié)約空間和重量。

設(shè)備內(nèi)部的互聯(lián)存在高頻互聯(lián)和低頻互聯(lián)。低頻互聯(lián)采用連接器直接對(duì)插的方式實(shí)現(xiàn)（圖 2 中的①③④⑤⑥⑦）；射頻互聯(lián)除電源模塊與功放模塊之間采用連接器直接對(duì)插（圖 2 中的②）之外，其余互聯(lián)均通過(guò)整機(jī)前面的射頻互聯(lián)區(qū)域內(nèi)的射頻線纜組件轉(zhuǎn)接的方式實(shí)現(xiàn)（圖 2 中的⑧~ 13）。

為節(jié)約空間和重量，所有對(duì)插連接器均未選用浮動(dòng)連接器，與傳統(tǒng)積木式機(jī)載電子設(shè)備僅在二維上對(duì)插不同，本項(xiàng)目設(shè)備需要在XYZ 三個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)7 個(gè)連接器的盲插，給對(duì)插設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了極大的挑戰(zhàn)。本項(xiàng)目主要從器件選型和公差控制兩方面開(kāi)展。

在器件選型方面，相互對(duì)插的連接器來(lái)源于同一廠家；連接器具有導(dǎo)向功能；在滿(mǎn)足電性能的情況下，連接器需要具有一定的公差兼容性。

在公差控制方面，各模塊間均為盒體接觸，減少過(guò)渡結(jié)構(gòu)件的數(shù)量，以減小尺寸公差；盒體上設(shè)計(jì)有銷(xiāo)孔結(jié)構(gòu)，以控制盒體間的位置公差；印制板上設(shè)計(jì)有銷(xiāo)孔，以控制印制板與盒體間的位置公差。上述尺寸公差均控制在0.05 mm 以?xún)?nèi)。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，研制出的實(shí)物成功實(shí)現(xiàn)對(duì)插，滿(mǎn)足使用需求。

4 散熱設(shè)計(jì)

4.1 整體設(shè)計(jì)

直升機(jī)上的獨(dú)立電子設(shè)備的散熱主要采用自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱為主，自然冷卻方式通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射來(lái)散熱，適用于熱耗低、熱流密度小的器件，具有安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；強(qiáng)迫風(fēng)冷方式通過(guò)風(fēng)機(jī)來(lái)加速空氣的流通來(lái)提高換熱效率，適用于熱耗大、熱流密度高的器件，但需要加裝風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本更高，可靠性有所降低[4]。

超短波電臺(tái)在發(fā)射時(shí)的熱耗約為180 W，接收時(shí)的熱耗約為75 W，按照發(fā)射和接收的占空比為1 ∶5 計(jì)算，整機(jī)的平均熱耗約為92.5 W。各模塊熱耗如表 1 所示。

整機(jī)熱耗中，功放模塊在發(fā)射時(shí)的占比最大，主要集中在內(nèi)部的功率管上，熱耗為104 W，因此在整機(jī)散熱設(shè)計(jì)時(shí)，選用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式，并熱耗偏小的信道模塊放置在中間，其余模塊布置在左側(cè)、右側(cè)和后側(cè)，將功放模塊設(shè)計(jì)為“7”字型的頂部和右側(cè)兩部分，頂部結(jié)構(gòu)布置熱耗最大的功率管，以使熱耗盡量的分散，降低模塊的熱流密度。此外，將風(fēng)機(jī)直接布置在功放模塊上離功率管最近的位置，降低風(fēng)阻。

整機(jī)采用雙風(fēng)機(jī)，其中一個(gè)風(fēng)機(jī)用于功放模塊的功率管，另外一個(gè)風(fēng)機(jī)用于終端模塊、信道模塊及功放模塊的其他部分；進(jìn)風(fēng)口布置在整機(jī)的左右兩側(cè)，冷卻風(fēng)穿過(guò)各模塊的散熱齒后由整機(jī)的前端抽出。整機(jī)的散熱結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

4.2 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)熱平衡方程Q=P/cρ △T，在設(shè)備平均熱耗P為92.5 W，空氣比熱c 為1 005 J/kg·℃，空氣密度ρ為1.293 kg/m3，考慮空氣的溫升△T 為8 ℃時(shí)，需要的風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q=20.35 CFM，考慮設(shè)備風(fēng)道需根據(jù)各模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，考慮2 倍余量，需要的風(fēng)機(jī)風(fēng)量應(yīng)至少40.7 CFM。根據(jù)所需風(fēng)量及設(shè)備需要滿(mǎn)足7 000 m 高空的使用要求，選擇奇航公司的2 只J36FZW524-28G-AB 型風(fēng)機(jī)，該型風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為28 CFM，轉(zhuǎn)速為24 000 rpm，最大靜壓為87.4 mmH2O。

表1 端機(jī)的熱耗分布

圖2 電氣互聯(lián)示意圖

圖3 整機(jī)散熱結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 風(fēng)道設(shè)計(jì)

由于設(shè)備安裝在直升機(jī)內(nèi)部之后，頂部、底部和后面均有遮擋，只能從側(cè)面進(jìn)風(fēng)，各模塊的風(fēng)道設(shè)計(jì)在整機(jī)的內(nèi)部、各模塊的外部。對(duì)于電源模塊，由于表面熱流密度約為0.025 W/cm2，器件最大允許溫升為30 ℃，按照文獻(xiàn)[5]所提出的按熱流密度、溫升選擇冷卻方法，可通過(guò)自然散熱實(shí)現(xiàn)；對(duì)于信道模塊和終端模塊，將發(fā)熱量大的器件盡量靠近散熱齒布局；對(duì)于功放模塊，將小熱耗器件組合起來(lái)靠近散熱齒布局，將發(fā)熱量大的功率管單獨(dú)至于頂部，并設(shè)計(jì)單獨(dú)的散熱齒來(lái)提高散熱，同時(shí)盡量靠近風(fēng)機(jī)，避免功率管的熱量加熱冷卻風(fēng)后增高其他器件的溫度。各模塊的風(fēng)道如圖 4 所示。

4.4 熱仿真分析

為了驗(yàn)證散熱設(shè)計(jì)的合理性，掌握設(shè)備內(nèi)部器件的溫度情況，利用FLOTHERM 軟件進(jìn)行熱仿真分析。設(shè)備詳細(xì)模型結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為提高仿真效率和計(jì)算收斂性，對(duì)模型中的圓角、倒角、螺孔以及對(duì)熱仿真結(jié)果影響不大的緊固螺釘、連接器等均作刪除處理。根據(jù)各模塊的熱耗，在相應(yīng)的熱源處設(shè)置相應(yīng)的發(fā)熱功率，結(jié)構(gòu)材料設(shè)定為5A06 鋁合金，仿真環(huán)境溫度設(shè)定為高溫71 ℃，7 000 m 高空。設(shè)備整機(jī)及各模塊的溫度云圖見(jiàn)圖 5~ 8所示，風(fēng)道風(fēng)速分布云圖如圖 9 所示。

從仿真結(jié)果可以看出，各器件的殼溫均小于110 ℃的許用殼溫，滿(mǎn)足使用要求。研制出的實(shí)物成功通過(guò)高濕溫試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)備熱設(shè)計(jì)的合理性。

5 抗沖振設(shè)計(jì)

5.1 結(jié)構(gòu)抗沖振設(shè)計(jì)

超短波電臺(tái)通過(guò)安裝架直接硬裝在直升機(jī)內(nèi)部的安裝平臺(tái)上，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)整機(jī)、模塊進(jìn)行了抗振動(dòng)與沖擊設(shè)計(jì)，以提高其結(jié)構(gòu)剛、強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)的共振頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率，以滿(mǎn)足環(huán)境條件對(duì)耐沖振性能的要求[6]。

圖4 模塊風(fēng)道示意圖

圖5 整機(jī)溫度云圖

圖6 終端模塊溫度云圖

在整機(jī)耐沖振設(shè)計(jì)方面，單機(jī)采用模塊化組合串接的構(gòu)型，為了增強(qiáng)單機(jī)各模塊的連接強(qiáng)度和抗振能力，分別從左右方向和前后方向進(jìn)行串接，提高了單機(jī)的剛強(qiáng)度；同時(shí)，模塊之間采用銷(xiāo)孔嵌套設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)模塊間導(dǎo)向定位的同時(shí)，輔助安裝螺栓承受剪切力，提高單機(jī)整體剛強(qiáng)度。

在模塊耐沖振設(shè)計(jì)方面，對(duì)較重的器件采用增加金屬支撐板，將較重的器件通過(guò)支撐板固定在印制板上，增加印制板的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度；對(duì)較大、重器件盡量采用螺釘安裝固定、對(duì)自身不帶有安裝孔位的也可以采用卡箍壓固的方式進(jìn)行固定；對(duì)較大的電路板，在電路板中部位置適當(dāng)增加緊固定螺釘，提高電路板的抗力學(xué)能力；對(duì)于模塊間互聯(lián)對(duì)插的低頻連接器，設(shè)計(jì)有連接器防護(hù)腔，在增強(qiáng)電磁屏蔽的同時(shí)，對(duì)連接器進(jìn)行保護(hù)，防止連接器在插拔過(guò)程中發(fā)生彎曲破壞；盡量縮短模塊內(nèi)部線纜的長(zhǎng)度，在適當(dāng)位置進(jìn)行捆扎固定或通過(guò)硅橡膠進(jìn)行固定。

5.2 力學(xué)仿真分析

為了驗(yàn)證抗沖振設(shè)計(jì)的合理性，掌握設(shè)備內(nèi)部器件和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，利用ANSYS WorkBench 軟件進(jìn)行力學(xué)仿真分析。對(duì)不影響力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)材料設(shè)定為5A06 鋁合金，印制板設(shè)定為FR4，仿真量級(jí)按照某直升機(jī)平臺(tái)提供的力學(xué)試驗(yàn)條件進(jìn)行，仿真模型如圖 10 所示。

通過(guò)仿真分析，得到設(shè)備前6 階模態(tài)如表 2 所示，前4 階模態(tài)振型如圖 11 所示。

從仿真結(jié)果可見(jiàn)，設(shè)備1 階固有頻率大于100 Hz，整體剛度較好。同時(shí)，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了隨機(jī)振動(dòng)仿真分析、沖擊仿真分析、加速度仿真分析，從分析的結(jié)果來(lái)看，設(shè)備的最大應(yīng)力出現(xiàn)了前端的緊定鉤附近，最大應(yīng)力為275 MPa，相比于緊定鉤所使用TC4鈦合金的540 MPa 疲勞強(qiáng)度，還有較大余量，設(shè)備其余部位的應(yīng)力和應(yīng)變值均較小，均小于所使用材料的強(qiáng)度極限，并有足夠余量，能夠滿(mǎn)足直升機(jī)平臺(tái)振動(dòng)環(huán)境的要求。研制出的實(shí)物成功通過(guò)各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)，驗(yàn)證了抗沖振設(shè)計(jì)的合理性。

表2 設(shè)備模態(tài)分析結(jié)果

圖7 信道模塊溫度云圖

圖8 功放模塊頂部溫度云圖

圖9 風(fēng)道風(fēng)速分布云圖

圖10 設(shè)備力學(xué)仿真模型

圖11 設(shè)備前4 階模態(tài)振型云圖

6 三防設(shè)計(jì)

某型直升機(jī)具有近海工作的環(huán)境，海洋性氣候環(huán)境對(duì)電子設(shè)備在濕熱、霉菌、鹽霧等環(huán)境的防護(hù)能力提出了更高要求。濕熱會(huì)導(dǎo)致設(shè)備表面電阻率下降、加劇材料腐蝕；霉菌的滋生會(huì)使設(shè)備非金屬材料的腐蝕分解、絕緣性能降低，甚至導(dǎo)致設(shè)備失靈；鹽霧會(huì)造成設(shè)備金屬材料及其涂鍍層腐蝕，進(jìn)而腐蝕內(nèi)部零部件和元器件，影響絕緣性能、電性能[7][8]。本設(shè)備主要在原材料選型控制、密封設(shè)計(jì)、表面涂層設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展三防設(shè)計(jì)。

在原材料選型控制方面，結(jié)構(gòu)件主要選用5A06 防銹鋁合金，局部零件選用TC4 鈦合金，緊固件選用316L不銹鋼，非金屬材料材料主要為聚四氟乙烯、FR4 等。

在密封設(shè)計(jì)方面，各模塊均采用封閉式結(jié)構(gòu)，蓋板與盒體的連接處、模塊與模塊的對(duì)插連接器之間、各模塊與蓋板之間均使用了雷茲盾公司的COE601 型共擠出導(dǎo)電橡膠，具有良好的導(dǎo)電性和電磁屏蔽能力，并能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的防水防塵，耐油耐高溫性能優(yōu)異。

在表面涂層設(shè)計(jì)方面，設(shè)備外表面噴涂黑無(wú)光氟聚氨酯磁漆，鋁合金內(nèi)表面進(jìn)行彩色導(dǎo)電氧化電鍍處理，不銹鋼件表面進(jìn)行鈍化處理；模塊內(nèi)部印制板組件根據(jù)頻率不同分別噴涂S01-3 聚氨酯清漆、DC1-2577/DC1-2577G 有機(jī)硅彈性涂料；高低頻連接器噴涂SP2002S 防護(hù)膜；設(shè)備與安裝架的接觸面噴涂TS90-11 型耐磨涂料以避免漆面磨損，影響防護(hù)性能。

7 結(jié)論

本文針對(duì)某型直升機(jī)平臺(tái)超短波電臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，從結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、電氣互聯(lián)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、抗沖振性能設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等方面全方位的闡述了該類(lèi)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程及解決方法，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)緊湊合理、環(huán)境適應(yīng)性良好的電臺(tái)設(shè)備，通過(guò)仿真分析、實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn)和測(cè)試，證明了設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性可以滿(mǎn)足實(shí)際使用需求，相關(guān)的設(shè)計(jì)思路可為類(lèi)似機(jī)載設(shè)備提供借鑒。