某機載數(shù)據(jù)鏈端機的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)鏈端機工作于近海區(qū)域，考慮到其工作環(huán)境的鹽霧、霉菌、濕熱、溫度、振動等外界環(huán)境條件非常惡劣，因此如何選擇合適的整機結(jié)構(gòu)形式和合理布局是解決設(shè)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(shè)備適應(yīng)惡劣環(huán)境起著關(guān)鍵的作用。

根據(jù)設(shè)計要求，該訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈端機的設(shè)計尺寸為140（W）×126（H）×220（L）、重量小于5.6 kg、熱耗預(yù)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(shè)計了一種比較優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的機載電子設(shè)備主要分為現(xiàn)場可更換單元（LRU）為基礎(chǔ)的積木拼裝式機箱結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場可更換模塊（LRM）為基礎(chǔ)的綜合集成機箱結(jié)構(gòu)[1]。綜合集成式機箱具有集成度高，維修性好，但是設(shè)備額外增加了機箱外殼使設(shè)備重量增加，設(shè)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(shè)計[2]。

本機載數(shù)據(jù)鏈端機充分利用以上2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。本端機采用積木拼裝式結(jié)構(gòu)，各模塊具有獨立的功能，易于模塊的軟硬件技術(shù)升級和擴展能力，各模塊的高頻信號通過盲插的方式實現(xiàn)電信號互聯(lián)，低頻信號通過母板和接口轉(zhuǎn)換模塊作為信號互聯(lián)中樞，實現(xiàn)低頻信號的互聯(lián)。各模塊根據(jù)自身的熱耗大小選擇自然散熱或強迫風(fēng)冷散熱。

端機主要由終端模塊、信道模塊、功放模塊、接口轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊和母板組件作為低頻信號互聯(lián)中樞，高頻信號通過各模塊之間對插連接器的盲插互聯(lián)，通過互相插合緊固實現(xiàn)電氣和機械連接同步到位，從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、電氣、散熱的緊藕合結(jié)構(gòu)。終端模塊、和功放模塊均設(shè)計為帶通風(fēng)腔式密封屏蔽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(yōu)點。端機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 端機結(jié)構(gòu)組成

2 熱設(shè)計

2.1 散熱方式的選擇

機載電子產(chǎn)品的散熱方式主要分為自然冷卻、強迫風(fēng)冷和液冷。自然冷卻方式主要通過傳導(dǎo)、自然對流和輻射來散熱，具有可靠、安全和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但散熱效率較低；強迫風(fēng)冷和液冷具有散熱效率高的優(yōu)點，但需要加裝風(fēng)機或液冷源，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高。

對于機載設(shè)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(shè)備工作時的允許溫升，℃；

Ts—設(shè)備表面允許的最高溫度，℃；

Ta—環(huán)境最高溫度，℃。

式中：

φ—熱流密度，W/cm2；

Φ—設(shè)備的最大熱耗功率，W；

A—設(shè)備的熱交換面積，cm2。

根據(jù)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(yù)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(jù)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(fēng)冷散熱。

2.2 風(fēng)機的選型

本端機功放模塊采用強迫風(fēng)冷散熱，其熱耗293.4 W，由公式：

式中：

Pr—設(shè)備熱耗功率，W；

cp—空氣比熱，J/（kg·℃），標(biāo)況下為1005 J/（kg·℃）；

ρ—空氣密度，kg/m3，標(biāo)況下為1.293 kg/m3；

△T—風(fēng)道進口和出口的空氣的溫差，℃，一般情況下取6~10 ℃；

Qf—風(fēng)機風(fēng)量，m3/s。

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

表2 風(fēng)機參數(shù)

功放模塊采用3個422JH風(fēng)機安裝于功放模塊的對外側(cè)方位置，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機安裝示意圖

2.3 熱設(shè)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(huán)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(dǎo)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(yuǎn)離，防止高熱耗器件集中產(chǎn)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(jié)果見圖3和圖4所示?？梢钥闯龉Ψ拍K的功率管遠(yuǎn)超過了許用溫度，并且熱耗沒有充分傳導(dǎo)出去，電路板的溫度超過100 ℃，這又會導(dǎo)致電路板其他器件存在高溫的風(fēng)險，不能滿足設(shè)計要求，必須對熱設(shè)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(fēng)道輸入空氣的溫差在56 ℃左右，說明功率管與風(fēng)道冷卻空氣之間的熱阻較大，熱量無法有效的傳導(dǎo)出去，還有較大的設(shè)計余量，因此優(yōu)化設(shè)計主要降低功率管與風(fēng)道冷卻空氣的熱阻。

根據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(dǎo)熱系數(shù)；

Wd—散熱器的寬度；

Ld—散熱器長度；

a—對流換熱表面?zhèn)鬟f系數(shù)；

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(zhì)的比熱；

λ—流體導(dǎo)熱系數(shù)；

As—熱源與散熱器表面接觸面積。

根據(jù)式（4）~（7）可知，增加散熱器的寬度、長度、散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)、流體導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱表面?zhèn)鬟f系數(shù)、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(xiàn)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(shù)量，在散熱器寬度和風(fēng)機不變情況下，這又會導(dǎo)致散熱器流經(jīng)的流量減小，因而我們只能從增加散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)和降低散熱器底座厚度來考慮。

常規(guī)的增加材料導(dǎo)熱系數(shù)的措施是更換更高導(dǎo)熱系數(shù)的材料、埋熱管技術(shù)和采用VC均熱板技術(shù)。

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

根據(jù)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(jié)構(gòu)如圖5所示。要保證均熱板的高導(dǎo)熱系數(shù)，其厚度必須大于5 mm以上，本盒體的VC均熱板的厚度設(shè)為6 mm。

圖5 一體化均熱板的結(jié)構(gòu)

VC均熱板的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2 000 W/m·K以上，而鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)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(jié)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(shù)，不僅提高了熱設(shè)計的可靠性，并且相對鋁合金減少了設(shè)備的重量。

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

3 抗振動沖擊設(shè)計

端機的抗振設(shè)計要在保證其可靠性和安全性的前提下進行?？拐裨O(shè)計后的設(shè)備不影響其各項技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)，同時能夠滿足規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性的各項需求。

本端機是通過航標(biāo)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(jié)構(gòu)的共振頻率遠(yuǎn)離激勵頻率或則端機的危險頻率[5]。

提高結(jié)構(gòu)的抗振能力主要通過提高結(jié)構(gòu)的剛度和增大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)換模塊和母板組件通過螺釘固定在三個模塊結(jié)構(gòu)件上，接口轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(nèi)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(shè)計

本端機主要工作于近海區(qū)域，因此其三防能力（防濕熱、防霉菌、防鹽霧）是重要的指標(biāo)之一，也是結(jié)構(gòu)設(shè)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(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。非金屬材料材料主要選用聚四氟乙烯、環(huán)氧玻璃鋼等，同時避免產(chǎn)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(jié)構(gòu)件為防銹鋁5A06，表面采用彩色導(dǎo)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(dá)到防護措施；再次模塊內(nèi)部印制板及其組件噴涂響應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)電橡膠條選用共擠“M”形導(dǎo)電橡膠密封條，密封條襯墊采用硅橡膠和導(dǎo)電橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)比較惡劣的環(huán)境，其結(jié)構(gòu)形式及安裝圖如圖 8所示。

圖8 導(dǎo)電橡膠條安裝結(jié)構(gòu)形式

5 結(jié)論

某機載訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈端機工作環(huán)境惡劣、熱耗高、體積小、重量輕。充分借鑒機載設(shè)備的兩種結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點，設(shè)計出一種模塊化的結(jié)構(gòu)形式，維修性方便、擴展能力強。著重對端機的熱設(shè)計方案進行了分析，計算結(jié)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(shè)備的有效方法。此外，端機的結(jié)構(gòu)設(shè)計還涉及到抗振涉及、三防設(shè)計等。

經(jīng)過實物樣機的試驗驗證，這種結(jié)構(gòu)形式具有耐高溫、抗振性好、維修方便等優(yōu)點，對同類產(chǎn)品具有一定的借鑒意義。