航空電子儀表環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

張愛麗

（北京青云航空儀表有限公司 北京 100086）

航空電子儀表面臨復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，各種自然環(huán)境和戰(zhàn)場環(huán)境的綜合作用會(huì)使產(chǎn)品的材料受到腐蝕或破壞、電子器件失效，從而影響航空電子儀表的作戰(zhàn)效能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，環(huán)境因素誘發(fā)的故障占機(jī)載電子設(shè)備故障總數(shù)的52．7%[1]，可見提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性可大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量特性。

1 環(huán)境適應(yīng)性

GJB4239《裝備環(huán)境工程通用要求》中對(duì)裝備環(huán)境適應(yīng)性的定義是“裝備在其壽命周期預(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、性能和（或）不被破壞的能力，是裝備的重要質(zhì)量特性之一”[2]。環(huán)境適應(yīng)性是裝備在壽命期內(nèi)貯存、運(yùn)輸和工作狀態(tài)下受極端環(huán)境作用而不被破壞和能正常工作的能力，以裝備是否失效或有故障作判據(jù)[3]，基本上用適用和不適用作定性判據(jù)，如果裝備環(huán)境適應(yīng)性不合格，意味著該裝備不能投入使用，可見環(huán)境適應(yīng)性對(duì)航空電子儀表的作戰(zhàn)效能影響十分嚴(yán)重。

2 環(huán)境分類

航空電子儀表所經(jīng)受的環(huán)境條件主要分為兩種：自然環(huán)境、機(jī)械環(huán)境和電磁環(huán)境。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)航空電子儀表適應(yīng)性影響比較顯著的自然環(huán)境主要是如下幾種[4]：低氣壓環(huán)境、高溫環(huán)境、低溫環(huán)境、溫度沖擊環(huán)境、濕熱環(huán)境、霉菌環(huán)境、鹽霧環(huán)境。對(duì)航空電子儀表適應(yīng)性影響比較顯著的機(jī)械環(huán)境主要是如下幾種：振動(dòng)環(huán)境、沖擊環(huán)境、加速度環(huán)境。對(duì)航空電子儀表適應(yīng)性影響顯著的電磁環(huán)境問題包括兩類，第1類是指電子電路、設(shè)備在工作時(shí)由于相互干擾或受到外界的干擾使其達(dá)不到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)；第2類是設(shè)備雖然沒有受到電磁干擾，但不能通過國家的電磁兼容性指標(biāo)。

3 環(huán)境因素對(duì)設(shè)備的影響機(jī)理

3.1 低氣壓（高度）環(huán)境

低氣壓環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響及導(dǎo)致的結(jié)果如下：

1）空氣抗電強(qiáng)度降低：絕緣擊穿，高壓點(diǎn)的飛弧、電暈現(xiàn)象增加，可能產(chǎn)生臭氧和產(chǎn)生排氣作用，電氣設(shè)備工作不穩(wěn)定；

2）空氣介電常數(shù)減小，氣密設(shè)備中的應(yīng)力增大：元器件電參數(shù)發(fā)生變化，密封設(shè)備箱體變形，焊接開裂。結(jié)構(gòu)損壞、泄漏；

3）散熱困難：設(shè)備溫度升高；4）冷焊：機(jī)械動(dòng)作困難。

3.2 高溫環(huán)境

高溫環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響及導(dǎo)致的結(jié)果如下：

1）導(dǎo)致材料軟化：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，絕緣質(zhì)變軟失效；

2）化學(xué)分解和老化：涂覆表面起泡、低熔點(diǎn)焊錫縫開裂，元件損壞、著火、焊點(diǎn)脫開；

3）設(shè)備過熱：活動(dòng)部件卡死，堅(jiān)固裝置松動(dòng)，由于物理膨脹使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，塑料、橡膠裂紋和膨脹；

4）金屬氧化加速：接點(diǎn)接觸電阻增大，金屬材料表面電阻增大，電感、電容、電功率系數(shù)、介電常數(shù)等參數(shù)變化；

5）潤滑油粘度下降：喪失潤滑性。

3.3 低溫環(huán)境

低溫環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響導(dǎo)致的結(jié)果如下：

1）材料變脆：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，電纜損壞，蠟變硬，塑料、橡膠失去柔性變脆、發(fā)裂；

2）結(jié)冰現(xiàn)象：電氣機(jī)械功能變化；

3）物理收縮不同：活動(dòng)部分被卡住，觸點(diǎn)接觸不良，襯墊、密封墊失去彈性，引起泄漏，涂覆表面龜裂；

4）元件性能變化：鋁電解電容器損壞，石英晶體不振蕩，蓄電池容量降低，繼電器接點(diǎn)燒結(jié)。

3.4 濕熱環(huán)境

濕熱環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響及導(dǎo)致的結(jié)果如下：

1）水蒸氣沉積：物理性能下降，絕緣電阻降低，介電常數(shù)增大；

2）吸收水分：某些塑料零件隆起和變形，絕緣性下降，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，濕氣滲入多孔材料內(nèi)，造成導(dǎo)電體間漏電、短路；

3）金屬腐蝕：增大絕緣體的導(dǎo)電性，活動(dòng)部分卡住，表面電阻增大。

3.5 霉菌環(huán)境

1）霉菌吞噬和繁殖：有機(jī)材料強(qiáng)度降低、損壞，活動(dòng)部分受阻塞；

2）吸附水分，分泌腐蝕液體：導(dǎo)致其它形式的腐蝕。

3.6 鹽霧環(huán)境

1）金屬腐蝕：增大磨損，機(jī)械強(qiáng)度下降；

2）化學(xué)反應(yīng)：鹽和水結(jié)合使材料導(dǎo)電，絕緣電阻降低，金屬化學(xué)腐蝕加速；

3）電解：金屬電蝕。

3.7 振 動(dòng)

1）機(jī)械應(yīng)力疲勞：材料和結(jié)構(gòu)龜裂、移位或振動(dòng)，元器件管腳、引線、導(dǎo)線折斷；

2）電路中產(chǎn)生噪聲：連接器、繼電器、開關(guān)的瞬間斷電、電子插件性能下降。粘層、鍵合點(diǎn)脫開，電路瞬間短路、短路。

3.8 沖 擊

機(jī)械應(yīng)力：造成畸變，結(jié)構(gòu)失效，應(yīng)力超過組件許用工作應(yīng)力時(shí)，元件合構(gòu)件斷裂或折斷，電子設(shè)備瞬間短路，松動(dòng)或散架。

3.9 加速度

1）機(jī)械應(yīng)力：結(jié)構(gòu)變形和破壞；2）液壓增加：漏液。

3.10 電 磁

1）設(shè)備受到外界干擾達(dá)不到預(yù)期的指標(biāo)[5]；2）不能通過國家的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

4 產(chǎn)品耐環(huán)境設(shè)計(jì)

耐環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：1）采取改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施；2）選用耐環(huán)境能力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)、材料、元器件和工藝等；3）如果性能確定不能滿足設(shè)備可靠性要求，或處于臨界狀態(tài)，有必要采取一些有效措施，如降額、貯備等。

安裝在駕駛艙內(nèi)的航空電子儀表，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就需要對(duì)其進(jìn)行耐環(huán)境性設(shè)計(jì)考慮，為了使設(shè)備達(dá)到可靠性要求，需要針對(duì)設(shè)備的工作環(huán)境進(jìn)行防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備本身的耐環(huán)境能力，保證設(shè)備執(zhí)行其功能的有效性。

4.1 高溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

根據(jù)高溫環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響機(jī)理，在航空電子儀表品的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

1）保證產(chǎn)品環(huán)境具有良好的冷卻功能，機(jī)箱要具有良好的通風(fēng)性；產(chǎn)品中發(fā)熱量較大的元器件要做散熱處理，必要時(shí)加裝散熱片、風(fēng)扇；

2）熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足產(chǎn)品的可靠性要求，以保證設(shè)備內(nèi)的元器件均能在設(shè)定的熱環(huán)境中長期正常工作，對(duì)于發(fā)熱元件，如電源模塊、大功率電路、CPU等應(yīng)采取功率降額、殼溫降額或工作頻率降額等方法，保證長期在連續(xù)高溫工作條件下，殼表面溫度不高于85℃；原則上設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用允許工作殼溫不低于125℃的元器件；

3）要求選擇軍溫電子元器件保證其在高、低溫環(huán)境下的正常工作。每個(gè)電子元器件的參數(shù)選擇和安裝位置及方式必須符合散熱要求；

4）高溫環(huán)境對(duì)可靠性影響較大的元器件，如鉭電解電容應(yīng)按額定電壓65%以下降額使用；

5）選用耐高溫材料，加強(qiáng)工藝中的耐高溫處理。

4.2 低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

低溫環(huán)境中，航空電子儀表品的設(shè)計(jì)[6]內(nèi)容如下：

1）對(duì)選擇不到耐低溫工作的材料或元器件應(yīng)采用加熱控制，保證產(chǎn)品可在低溫環(huán)境下工作。

2）仔細(xì)選擇材料，使其具備令人滿意的各種低溫特性；

3）在選擇濾波電容器和保持電容器時(shí)，電容量應(yīng)留有余量，保證低溫工作條件下的功能和性能滿足要求，禁止選用鋁電解電容器；

4）潤滑劑要求選用低溫特性良好的產(chǎn)品。

4.3 濕熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

濕熱環(huán)境中，航空電子儀表品的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

1）采用成熟的或經(jīng)過同等濕熱試驗(yàn)條件驗(yàn)證的保護(hù)涂層；2）選用防水、防霉和防銹蝕的材料；

3）對(duì)顯示窗需要加裝保護(hù)膜或保護(hù)玻璃來密封，防止結(jié)霧。

4.4 霉菌環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

霉菌環(huán)境中，航空電子儀表品的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

1）選擇不長霉的材料；

2）采用防霉處理零件和設(shè)備，表面涂覆采用工廠成熟的工藝。

4.5 鹽霧環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

鹽霧環(huán)境中，航空電子儀表品的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：1）盡量采用非金屬材料，優(yōu)先選用耐鹽霧材料；2）元器件采用相應(yīng)的防護(hù)措施，要求涂三防漆。

4.6 低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

低氣壓環(huán)境中，航空電子儀表品的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

1）應(yīng)選擇氣密封的電子元器件；

2）按鍵開關(guān)應(yīng)有足夠的工作行程和預(yù)緊力，確保座艙壓力快速變化時(shí)，按鍵不產(chǎn)生誤動(dòng)作。

4.7 機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

振動(dòng)、沖擊、加速度等各種機(jī)械力環(huán)境可稱為力學(xué)環(huán)境。在力學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)方面要遵循如下原則：

1）控制振源，減小振動(dòng)，盡量減小和消除不平衡力或力矩；

2）隔離振源，改善工作環(huán)境，必要時(shí)加裝減震支架；

3）對(duì)于單件重量超過2 g的電子元器件不能僅靠管腳安裝固定，應(yīng)有其它加固措施。對(duì)于總量大于20 g的電子元器件均不能只依靠管腳安裝固定，應(yīng)采取其它加固措施。對(duì)于易損件的加固措施應(yīng)便于維修更換。

4.8 耐電磁環(huán)境設(shè)計(jì)

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了耐電磁環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)[6]考慮，主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如下幾方面的工作：

1）濾波和防護(hù)器件的選型；電源輸入接口濾波器需要根據(jù)產(chǎn)品功率來選擇型號(hào)；根據(jù)防雷要求選擇器件型號(hào)；

2）關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)控制；檢查晶振、芯片、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的濾波電路；

3）在PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)要做：PCB電路板的層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電源和地平面的分割處理、重要器件布局、濾波電容的布局、防護(hù)器件的放置位置；

4）在PCB布線時(shí)要做：晶振時(shí)鐘布線的處理、關(guān)鍵電路布線控制、接口電路布線控制；

5）采用多層板技術(shù)，將平板電源、平板地與信號(hào)層之間進(jìn)行有效分隔，提高抗干擾能力；

6）采用帶有濾波和屏蔽尾附的航空插頭，有效抑制傳導(dǎo)干擾；

7）機(jī)箱上的調(diào)試插座在不使用時(shí)用金屬蓋密封，防止電磁泄露。

5 結(jié)束語

降低環(huán)境因素影響，提高航空電子儀表的環(huán)境適應(yīng)性，保證其質(zhì)量，是一項(xiàng)艱巨而重要的戰(zhàn)略任務(wù)。航空電子儀表的環(huán)境適應(yīng)性主要機(jī)取決于其選用的材料、構(gòu)造、元器件耐環(huán)境的能力和其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)時(shí)采取的耐環(huán)境措施是否完整和有效，一旦裝備設(shè)計(jì)完成，其耐環(huán)境能力也就基本固定。因此環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要與產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)同時(shí)考慮，貫徹預(yù)防為主、早期投入的原則，可達(dá)到事半功倍的效果。

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