潛艇電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究

李偉剛 盧文忠 鄧基忠

（海軍潛艇學(xué)院三系，山東青島 266071）

1 引言

隨著潛艇自動(dòng)化設(shè)計(jì)程度的提高，潛艇上裝配了大量的電子設(shè)備?，F(xiàn)代復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，對(duì)這些電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性提出了很高的要求。電子產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性直接影響到設(shè)備能否可靠地工作及其使用壽命，已經(jīng)成為設(shè)備重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，不斷提高其環(huán)境適應(yīng)性是相關(guān)人員始終需要關(guān)注并亟待解決的課題。

2 潛載電子設(shè)備面臨的環(huán)境條件

潛艇作為一種海洋環(huán)境機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)，內(nèi)部空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)眾多，它航行在不同的海區(qū)和不同的深度，其環(huán)境條件變化很大。海洋高鹽度、高溫和高濕環(huán)境使?jié)撏想娮友b備的材料和結(jié)構(gòu)受到腐蝕和破壞，同一種結(jié)構(gòu)材料在海洋環(huán)境中的腐蝕往往要比內(nèi)陸高出數(shù)十倍[1]。在戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)受到敵水中兵器攻擊時(shí)，艇體劇烈沖擊振動(dòng)傳遞到艇內(nèi)的電子設(shè)備上，使其受到?jīng)_擊破壞。由此可見，環(huán)境因素是潛艇上電子設(shè)備在使用中無法回避且時(shí)刻受影響的重要因素。潛艇電子設(shè)備面臨的主要環(huán)境可分為氣候環(huán)境，機(jī)械環(huán)境，電磁環(huán)境，生物、化學(xué)環(huán)境等。各種環(huán)境因素不是單一的，而是多個(gè)同時(shí)作用于設(shè)備。

3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)步驟

GJB4239-2001《裝備環(huán)境工程通用要求》中定義的環(huán)境適應(yīng)性是指：裝備(產(chǎn)品)在其壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下，能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能和(或)不被破壞的能力。從定義可以看出，環(huán)境適應(yīng)性是裝備的一個(gè)質(zhì)量特性，是裝備固有的能力，這一能力是通過設(shè)計(jì)納入裝備的[2]。電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)貫穿于設(shè)備研制的全過程，主要包括以下四個(gè)階段。

3.1 設(shè)備環(huán)境條件評(píng)估

在設(shè)備的研制之初，首先要對(duì)設(shè)備可能承受的環(huán)境條件進(jìn)行科學(xué)、合理的分析，了解環(huán)境因素對(duì)設(shè)備正常工作影響的程度，確定對(duì)產(chǎn)品效能正常發(fā)揮影響最大的因素，為擬制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提供正確的依據(jù)?？紤]到潛艇電子設(shè)備要在振動(dòng)、沖擊、腐蝕、濕熱等比較惡劣的環(huán)境下工作，應(yīng)將它們置于嚴(yán)酷度等級(jí)較高的標(biāo)準(zhǔn)下來要求。

3.2 擬制環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方案

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方案是總體設(shè)計(jì)方案的重要內(nèi)容之一，是后續(xù)研制工作的主要依據(jù)，設(shè)計(jì)方案的好壞決定了設(shè)備的質(zhì)量水平和檔次。根據(jù)確定的潛艇環(huán)境平臺(tái)，從電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，定量或定性地闡述如何適應(yīng)潛艇環(huán)境，從頂層提出所要采用的設(shè)計(jì)方案、材料、工藝以及元器件；或者提出一些能夠改變環(huán)境、把環(huán)境控制在允許范圍內(nèi)的技術(shù)方法。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性工程設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)階段是整個(gè)研制過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)充分利用各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)手段進(jìn)行分析、計(jì)算、仿真和工程圖樣設(shè)計(jì)。凡是方案中涉及的問題，都必須在這一階段逐條解決，保證設(shè)計(jì)方案得到全面實(shí)施。隨著設(shè)計(jì)工作的不斷深入，應(yīng)根據(jù)所用技術(shù)的先進(jìn)性、實(shí)用性、工藝性以及方案的可行性，實(shí)時(shí)地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)、修改、補(bǔ)充，以使方案更加完善、合理、可行。

3.4 環(huán)境試驗(yàn)[3]

根據(jù)研制合同規(guī)定的項(xiàng)目要求進(jìn)行相關(guān)環(huán)境模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方案和工程設(shè)計(jì)的合理性、正確性，暴露和發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、材料和器件的選用以及工藝等方面的缺陷和隱患，并通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性能力。

4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)措施

潛艇電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)涉及到多方面的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)，主要從電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)、防振動(dòng)抗沖擊設(shè)計(jì)、溫度控制設(shè)計(jì)四個(gè)方面進(jìn)行。

4.1 電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)

潛艇上眾多的電子、電氣設(shè)備集中布置在潛艇狹小的空間內(nèi)。頻譜的擁擠，發(fā)射電平的增大，數(shù)據(jù)和弱信號(hào)傳輸量的擴(kuò)大，各種金屬構(gòu)件的天線和非天線效應(yīng)，大量成束電纜的敷設(shè)等，再加上敵方干擾以及電磁脈沖武器和高功率微波武器的使用，使得電磁干擾成為最直接、最突出的問題。電磁干擾會(huì)引起潛艇上繼電保護(hù)、自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作，對(duì)潛艇監(jiān)控、通信、導(dǎo)航和作戰(zhàn)等關(guān)鍵系統(tǒng)的電子裝備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾[4]。因此電子設(shè)備的電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)必須放在優(yōu)先的地位。

電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)主要遵循三個(gè)原則[5]：

（1）抑制噪聲源，直接消除噪聲產(chǎn)生的原因；

（2）切斷電磁干擾傳播途徑，或者提高傳播途徑對(duì)干擾的衰減作用，以減少噪聲源和受干擾設(shè)備之間的噪聲耦合；

（3）加強(qiáng)設(shè)備抵抗電磁干擾的能力，降低其噪聲敏感度。

設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容是：設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的正確確定，元器件指標(biāo)的合理要求及正確選擇，局部及整體電路的抗干擾控制，元器件及印刷板的布局及配線，接地技術(shù)的應(yīng)用等；著重考慮切斷干擾傳播途徑和降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性，通常采取以下幾方面措施。

（1）良好的屏蔽。電磁屏蔽就是用導(dǎo)電率和導(dǎo)磁率比較好的金屬材料把電子單元和設(shè)備包裹起來，并設(shè)有良好的接地線；防電磁脈沖的屏蔽材料要求有更高的導(dǎo)電率和導(dǎo)磁率。這樣，電磁波和電磁脈沖就很難到達(dá)設(shè)備內(nèi)部的敏感元件和電路處。

（2）濾波與吸收。濾波是抑制電磁波傳導(dǎo)干擾和電磁脈沖“前門”耦合的重要措施。對(duì)設(shè)備內(nèi)部的電源線、信號(hào)線、控制線及印制板分別采取濾波措施，來抑制它們運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁能量。對(duì)進(jìn)出設(shè)備的所有電纜和導(dǎo)線采用旁路電容、濾波等措施，吸收線纜上的電磁能量并消除有害的電磁波。

（3）良好的接地。良好的地線是整個(gè)電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。它既可以有效解決傳導(dǎo)干擾，又可以解決輻射干擾，良好的接地能使屏蔽、濾波措施更好地發(fā)揮作用。地線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮信號(hào)地、噪聲地、電源地、屏蔽地，并分開敷設(shè)。

（4）選用多層印制電路板。大量資料和實(shí)踐表明，印制板從雙面板改為四層板，其電磁輻射能量顯著降低。

（5）電涌防護(hù)法。對(duì)于防電磁脈沖設(shè)備來說，在設(shè)備線纜的出入口處安裝電涌保護(hù)器件，可防止電涌大電流的進(jìn)入。

（6）光纖應(yīng)用。光纖傳輸最大的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，也不會(huì)產(chǎn)生線間干擾。但在強(qiáng)電磁脈沖作用下，光纖會(huì)發(fā)熱，引起機(jī)械變形，直接影響到光纖的傳輸性能，應(yīng)注意加強(qiáng)光纖這方面的防護(hù)措施。

4.2 三防設(shè)計(jì)

潛艇電子設(shè)備服役于惡劣的海洋氣候環(huán)境，高溫、高濕空氣中的腐蝕性物質(zhì)、鹽霧和各種霉菌直接影響到設(shè)備的導(dǎo)電、磁導(dǎo)、電感、電容、電子發(fā)射和電磁屏蔽等參量的改變。因此防潮濕、防霉菌、防鹽霧的三防設(shè)計(jì)是研制潛艇電子設(shè)備的重要任務(wù)。

三防設(shè)計(jì)在產(chǎn)品研制時(shí)即應(yīng)從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)等方面進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，分述如下。

4.2.1 材料選擇

正確、合理地選用材料是三防設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)那些可靠性要求很高、一旦發(fā)生腐蝕就會(huì)帶來嚴(yán)重故障的重要件，在不宜采取其它防護(hù)措施的情況下，應(yīng)選用高耐蝕性金屬材料和不長霉菌、耐老化的非金屬材料。對(duì)于非關(guān)鍵件可采用耐蝕性較低的材料，再結(jié)合鍍涂金屬層或非金屬層的工藝防護(hù)措施，以提高經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)然還應(yīng)兼顧設(shè)備的體積、質(zhì)量等要求。選用材料時(shí)，應(yīng)掌握材料的腐蝕機(jī)理、破壞形式以及材料的相容性問題，在同一結(jié)構(gòu)中盡量選用同一種金屬材料，避免采用不同類型金屬接觸，以防電偶腐蝕[6]。隨著工程塑料、橡膠和有機(jī)玻璃等非金屬材料在電子設(shè)備中的應(yīng)用，應(yīng)注意這些有機(jī)材料的耐老化和防霉菌問題。

4.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7]

電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力影響最大，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的腐蝕問題都能通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來避免。

盡量避免采用點(diǎn)焊、鉚接、螺紋緊固等結(jié)構(gòu)形式，而優(yōu)選鈑金結(jié)構(gòu)或整體澆鑄機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式，以免形成縫隙腐蝕，同時(shí)可在能形成縫隙腐蝕處加密封涂覆或加密封襯墊。

在有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂開的情況下，應(yīng)注意避免引起應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)形式，如各種切口、銳角和焊接缺陷等，并采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┫齼?nèi)應(yīng)力。

易腐蝕部位結(jié)構(gòu)斷面厚度應(yīng)盡量相近，因?yàn)閿嗝婧穸炔灰恢聲r(shí)，一旦溫度發(fā)生變化或在機(jī)械電氣負(fù)載作用下薄弱部位發(fā)生形變，材料晶格會(huì)扭曲而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，嚴(yán)重時(shí)能引起電參數(shù)的變化。最容易發(fā)生腐蝕的零件可應(yīng)用“棄件”可靠性設(shè)計(jì)方法，從結(jié)構(gòu)上保證易于維修和更換。也可應(yīng)用“腐蝕裕度”的設(shè)計(jì)思想，加厚腐蝕部位，“腐蝕裕度”一般取預(yù)期壽命的兩倍。

4.2.3 工藝防護(hù)

對(duì)整機(jī)設(shè)備來說，工藝防護(hù)措施主要是表面涂覆，就是在設(shè)備及其零部件表面覆蓋一層金屬或非金屬保護(hù)膜，使之與周圍介質(zhì)隔離開來，從而達(dá)到防護(hù)的目的。表面覆蓋層分為金屬覆蓋層、非金屬覆蓋層和化學(xué)覆蓋層。

金屬覆蓋層主要通過電鍍、化學(xué)鍍、熱噴鍍、熱浸鍍等方法獲得。選擇鍍層時(shí)，應(yīng)綜合基材的特性和功能要求以及材料的相容性要求。近年來，合金電鍍工藝和達(dá)克羅涂覆工藝得到了推廣和應(yīng)用，大量試驗(yàn)表明合金鍍層和達(dá)克羅涂層的防腐性能很好，尤其是耐鹽霧性能好。另外，通過試用和試驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)達(dá)克羅涂層的附著力很強(qiáng)，與金屬、油漆涂層均有很好的結(jié)合力[8]。

非金屬覆蓋層包括油漆涂覆層和塑料涂覆層。油漆涂覆層應(yīng)用得最普遍，具有較好的防護(hù)作用。三防用漆的種類很多，性能各異，漆種的選用應(yīng)根據(jù)油漆的性能、適用范圍以及產(chǎn)品的外形要求和實(shí)際使用環(huán)境而定。

化學(xué)覆蓋層就是用化學(xué)或電化學(xué)方法使金屬表面生成某種化合物而形成覆蓋層(絕大部分是金屬氧化膜)，以達(dá)到防腐蝕的目的?；瘜W(xué)覆蓋層既是防止自身腐蝕的措施，也是油漆涂層的良好底漆，常用的有鋼鐵材料的磷化和氧化，鋁及鋁合金的陽極氧化、化學(xué)氧化，銅及銅合金鈍化、氧化，鎂合金的氧化等。

4.3 防振動(dòng)抗沖擊設(shè)計(jì)

面對(duì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，潛艇電子設(shè)備會(huì)頻繁受到振動(dòng)、沖擊等的影響，造成設(shè)備在某一激振頻率作用下發(fā)生共振而損壞，或是疲勞破壞。因此，必須要采取可靠的、有效的防振動(dòng)抗沖擊措施，以提高設(shè)備的耐振沖能力。

（1）加固設(shè)計(jì)。在總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)措施，使設(shè)備重心下移；增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，提高元器件承受振動(dòng)、沖擊的能力；強(qiáng)化小型化設(shè)計(jì)，選用小型化元器件和標(biāo)準(zhǔn)電子模塊，采用表面貼裝技術(shù)和高密度組裝技術(shù)；選用導(dǎo)熱條(板)式印制板，電路固定采用楔形鎖緊裝置，其鎖緊力大，維修性好，接觸熱阻小。

（2）設(shè)計(jì)振動(dòng)、沖擊防護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)減振緩沖原理，設(shè)計(jì)具體的隔振緩沖防護(hù)系統(tǒng)，以抵消外部激勵(lì)對(duì)設(shè)備的影響。并借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行振動(dòng)、沖擊模態(tài)分析，以指導(dǎo)、驗(yàn)證隔振緩沖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速維修，最好設(shè)計(jì)成模塊結(jié)構(gòu)。

4.4 溫度控制設(shè)計(jì)

溫度控制設(shè)計(jì)也是潛艇上電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，溫度試驗(yàn)是設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)的重要項(xiàng)目。采取具體設(shè)計(jì)措施時(shí)，應(yīng)根據(jù)熱設(shè)計(jì)方案，分析設(shè)備的組裝結(jié)構(gòu)、布局，了解大、中功率器件以及設(shè)備各組成單元的允許溫升，設(shè)備內(nèi)部的熱流密度以及溫度場的分布情況，確定所需采用的溫度控制措施，這個(gè)過程可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來完成。

對(duì)于中小功率設(shè)備，主要采用傳導(dǎo)、自然對(duì)流和輻射換熱等自然冷卻措施，結(jié)合使用強(qiáng)迫風(fēng)冷、機(jī)箱上開孔等溫度控制措施，基本能滿足設(shè)備的散熱要求。目前，潛艇電子設(shè)備的功耗越來越大，體積越來越小，芯片運(yùn)行速度越來越快，設(shè)備內(nèi)部聚集的熱量越來越多，熱流密度越來越大，使得設(shè)備內(nèi)部及芯片表面溫度很高，甚至超過芯片允許的結(jié)溫，造成芯片停止工作，設(shè)備發(fā)生故障。此時(shí)，依靠傳統(tǒng)的溫度控制措施很難保證芯片的表面溫度不超標(biāo)，尤其是密封型設(shè)備?？刹捎眯碌臏囟瓤刂萍夹g(shù)和措施，比如液體冷卻技術(shù)，相變冷卻技術(shù)，無機(jī)傳熱元件和熱電制冷、新型冷卻模塊等來解決[9]。

5 結(jié)語

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境對(duì)潛艇電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求越來越高，而電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)涉及面很廣，需要解決的問題很多，設(shè)計(jì)難度也比較大，作為軍用電子設(shè)備重要的性能指標(biāo)和提高設(shè)備可靠性、延長使用壽命的重要保證，必須加以重視。應(yīng)采用并行設(shè)計(jì)方法，將環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)納入到總體設(shè)計(jì)當(dāng)中，在設(shè)備的研制之初，就和電路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。積極吸收、采用新的設(shè)計(jì)思想、先進(jìn)技術(shù)和成熟的工藝，不斷提高潛艇電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)水平。

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