李雨+魏強(qiáng)

摘 要： 機(jī)載電子裝備日益復(fù)雜化，飛機(jī)平臺資源的有限性迫切要求其開展有效的輕量化工作。從系統(tǒng)頂層設(shè)計、總體布局、硬件設(shè)計、新型材料等方面論述了如何在機(jī)載電子裝備研制過程中開展輕量化工作，對當(dāng)前實(shí)際工程開展輕量化工作具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 輕量化設(shè)計； 機(jī)載電子裝備； 重量控制； 硬件設(shè)計

中圖分類號： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0148?02

Research on lightweight design of airborne electronic equipments

LI Yu， WEI Qiang

（China Academy of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China）

Abstract： With the increasing complication of airborne electronic equipments， the lightweight research is exigent due to the limitation of airborne space resource. The lightweight research in the process of airborne electronic equipment development is discussed in the aspects of system top?design， overall?layout， hardware design and new materials， which has a certain guiding significance for lightweight of the current engineering projects.

Keywords： lightweight design； airborne electronic equipment； weight control； hardware design

機(jī)載信息化武器裝備是適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要，為執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務(wù)，對飛機(jī)平臺進(jìn)行改裝，加載電子裝備研制而成。飛機(jī)平臺資源有限，加裝的電子裝備在功耗、空間等方面都受到苛刻的限制，尤其是重量（本文所述“重量”一詞按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)為“質(zhì)量”，但為避免與習(xí)慣用法發(fā)生誤解，本文仍用“重量”），不僅關(guān)系到載機(jī)的飛行性能與飛行安全，更直接影響整個機(jī)載武器裝備的作戰(zhàn)性能與戰(zhàn)技指標(biāo)發(fā)揮。電子裝備輕量化就是在保證電子裝備功能/性能的前提下，盡可能降低整個系統(tǒng)的重量，從而減少對平臺的資源占用，其輕量化工作緊迫而意義重大，必須嚴(yán)格貫徹載機(jī)的重量控制要求，從頂層設(shè)計出發(fā)，通過資源共享、功能共用、模塊化設(shè)計、大規(guī)模應(yīng)用復(fù)合材料等手段，從根本上保證電子裝備的功能與性能，減輕重量，并降低功耗、空間方面的需求。

1 電子裝備輕量化評價指標(biāo)

電子裝備的輕量化程度與當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r緊密聯(lián)系，輕量化工作是設(shè)計、工藝、材料技術(shù)集成的工程，受到多種學(xué)科、技術(shù)的發(fā)展制約。評價一套電子裝備是否輕型，是否有潛力進(jìn)一步降低重量，需要有一套評判指標(biāo)。目前，針對電子裝備的輕量化水平并沒有明確的評價方法，無法判斷電子裝備進(jìn)一步輕量化的潛力，因此，十分有必要開展電子裝備輕量化評價指標(biāo)體系的建立工作。本文初步提出以下兩個參數(shù)作為評價指標(biāo)，后續(xù)研究工作中會逐步補(bǔ)充完善：

（1） 結(jié)構(gòu)重量占比。電子裝備中的結(jié)構(gòu)（除板卡、接插件、線纜等元器件之外的殼體、機(jī)箱、機(jī)架等）重量與整個電子裝備總重量之比。這一參數(shù)可以在一定程度上代表電子裝備在設(shè)計、工藝等方面技術(shù)先進(jìn)度，可以反映出電子裝備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量利用率，進(jìn)一步指出輕量化工作的方向。在航天領(lǐng)域，當(dāng)此參數(shù)達(dá)到10%～15%后，一般認(rèn)為輕量化潛力已不大，電子裝備行業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)尚有待開展統(tǒng)計分析。

（2） 輕質(zhì)材料占比。輕質(zhì)材料重量在整個電子裝備總重量中的比例。輕質(zhì)材料主要指可以取代鋼、鋁合金等常用材料的鈦合金、鎂合金、復(fù)合材料等，其特點(diǎn)是密度較小、剛度、強(qiáng)度較好。輕質(zhì)材料占比這一參數(shù)可以很好的體現(xiàn)輕質(zhì)材料在電子裝備中的應(yīng)用程度，有效挖掘材料在電子裝備輕量化工作中的價值所在。

2 輕量化設(shè)計

在電子裝備的整個研制過程中，輕量化工作應(yīng)該貫穿始終，在系統(tǒng)設(shè)計、總體布局、硬件設(shè)計等環(huán)節(jié)要特別給予重視。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計階段，頂層架構(gòu)設(shè)計在綜合考慮使用需求、成本、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性等因素的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)功能、性能統(tǒng)一設(shè)計，提高系統(tǒng)的集成度，最大限度的減少系統(tǒng)設(shè)備的規(guī)模和數(shù)量。

采用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件模塊和總線架構(gòu)，通過功能綜合設(shè)計與集成，是提高系統(tǒng)集成度的有效途徑之一。這樣，可以大幅減小設(shè)備的種類和數(shù)量，將系統(tǒng)設(shè)計成一個通用化、模塊化的高度集成系統(tǒng)，采用一系列通用的、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的現(xiàn)場可更換模塊（LRM），通過組合和加載軟件，為系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)提供軟/硬件平臺，充分實(shí)現(xiàn)軟、硬件資源的共享。

2.2 總體布局設(shè)計

機(jī)載電子裝備的眾多設(shè)備安裝到飛機(jī)平臺的有限空間內(nèi)，無論艙內(nèi)還是艙外，都必須開展總體布局設(shè)計。設(shè)計過程中，要充分考慮載機(jī)的重心平衡問題，盡量使總體布局合理，每個分系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)該盡量集中布置，分系統(tǒng)之間有電纜互連關(guān)系的設(shè)備要靠近布置，減少互接電纜的長度，同時合理布局線纜敷設(shè)路徑，保證線纜連接距離最短。

2.3 硬件設(shè)計

開展電子裝備具體硬件設(shè)備詳細(xì)的設(shè)計時，要采用先進(jìn)的設(shè)計思想，并充分運(yùn)用CAE，CAD等計算機(jī)輔助手段，采用多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計理論，在保證結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的前提下，追求最佳幾何尺寸，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)效率，使整個電子裝備的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計更加精確、合理，保證結(jié)構(gòu)重量占比降到最低，有效降低設(shè)備重量。圖1所示為某操作臺優(yōu)化設(shè)計實(shí)例。

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例

對于雷達(dá)等大型探測天線，其重量占整個電子裝備重量的比重較大，對這類設(shè)備的輕量化工作，直接影響整個裝備的減重效果，必須采取多種措施，充分開展結(jié)構(gòu)設(shè)計。

對電子裝備與飛機(jī)平臺之間的接口，盡量采用一體化的設(shè)計思想，設(shè)計簡便可靠的連接方式，減少接口的結(jié)構(gòu)預(yù)埋件與安裝件。在保證剛強(qiáng)度的前提下，盡量減少載機(jī)在電子裝備安裝位置處的改裝與補(bǔ)強(qiáng)工作，有效控制整機(jī)的重量。

3 新型材料

電子裝備的輕量化工作，除了需從系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行模塊級的高度綜合集成，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行最大程度的優(yōu)化設(shè)計外，新型材料的應(yīng)用也會對裝備輕量化工作產(chǎn)生顯著影響。新型材料應(yīng)用技術(shù)已成為電子裝備輕量化的關(guān)鍵所在。表1所示為當(dāng)前幾種新型材料與傳統(tǒng)合金鋼、鋁合金材料的性能比較。

表1 結(jié)構(gòu)材料性能比較

[材料＼&拉伸強(qiáng)

度 /MPa＼&拉伸模

量 /GPa＼&比強(qiáng)度

/（MPa/（g/cm3））＼&比模量

/（GPa/（g/cm3））＼&密度

[/（g/cm3）]＼&合金鋼＼&1 200＼&206＼&152.9＼&26.3＼&7.85＼&鋁合金＼&420＼&72＼&151.1＼&25.9＼&2.78＼&鈦合金＼&1 000＼&116.7＼&221.2＼&25.8＼&4.52＼&鎂合金＼&300＼&45＼&172.4＼&25.9＼&1.74＼&高模量碳/環(huán)氧樹脂＼&1 049＼&235＼&656＼&146.9＼&1.6＼&高強(qiáng)度碳/環(huán)氧樹脂＼&1 471＼&137.3＼&1014＼&94.7＼&1.45＼&]

3.1 鈦合金

鈦合金具有強(qiáng)度高、重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是比強(qiáng)度高、比剛度高，可設(shè)計，在航天航空、艦船、軍工等領(lǐng)域中獲得越來越廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代機(jī)載電子裝備設(shè)計中減輕結(jié)構(gòu)重量的重要途徑。

3.2 鎂合金

鎂合金具有重量輕、吸震性能高、良好的鑄造和切削性能、高散熱性、高電磁擾屏障等優(yōu)點(diǎn)，尤其是Mg?Li合金，兼有強(qiáng)度、韌性和可塑性方面的優(yōu)勢。鎂合金化學(xué)鍍Ni?B產(chǎn)品目前已成功用于計算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子、軍工等諸多領(lǐng)域，是取代鋼鋁材的最佳選擇。

3.3 復(fù)合材料

先進(jìn)復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代崛起的一種新材料，目前在航空航天結(jié)構(gòu)中獲得了廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、性能可設(shè)計和易于整體成形等優(yōu)異特性，對減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量具有特殊重要的意義。目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)中主要使用的碳纖維復(fù)合材料，是以碳或者石墨纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料具有以下優(yōu)良的性能：密度小、比強(qiáng)度/比模量高，線膨脹系數(shù)低、良好的耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕性和較高的熱穩(wěn)定性。復(fù)合材料的組件化、整體化設(shè)計可以大大減少零件數(shù)量，減少連接件和連接過渡區(qū)附加重量、減少裝配，是減輕結(jié)構(gòu)重量的有效技術(shù)途徑。與常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)相比，碳纖維復(fù)合材料的減重效果可達(dá)20%～40%。

在電子裝備的研制過程中，依據(jù)具體設(shè)備的設(shè)計要求，合理選擇輕型材料，可以有效減輕重量。圖2所示為某型號機(jī)載電子裝備的綜合集成機(jī)架，整體采用碳纖維復(fù)合材料，重量只有16.6 kg，以前結(jié)構(gòu)類似的鋁合金同類產(chǎn)品重量約30 kg，減重達(dá)44.67%。

圖2 碳纖維復(fù)材綜合集成機(jī)架

4 結(jié) 語

機(jī)載電子裝備日趨大型化、復(fù)雜化，其輕量化工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，目前缺乏系統(tǒng)的理論研究，更多的是依靠工程經(jīng)驗(yàn)，迫切需要建立完整的評價標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)還需要圍繞這些問題開展深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 李興乾，白明生，茍仲秋，等.載人航天器系統(tǒng)重量控制方法研究[J].航天器環(huán)境工程，2012，29（2）：201?204.

[2] 王周讓.航空工程材料[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[3] 沈真.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[4] 王哲.飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中重量控制[J].飛機(jī)設(shè)計，2001，3（1）：127?129.

[5] 郭風(fēng)，王鵬，張恒喜，等.飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量控制研究[J].航空維修與工程，2005，4（4）：81?82.

[6] 匡愛民.民用飛機(jī)重量控制方法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計與研究，2012（z1）：45?47.

[7] 張金平，李建新.星載雷達(dá)有源相控陣天線輕量化技術(shù)[C]//2009年全國天線年會論文集（上）.北京：電子工業(yè)出版社，2009：56?58.

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例

對于雷達(dá)等大型探測天線，其重量占整個電子裝備重量的比重較大，對這類設(shè)備的輕量化工作，直接影響整個裝備的減重效果，必須采取多種措施，充分開展結(jié)構(gòu)設(shè)計。

對電子裝備與飛機(jī)平臺之間的接口，盡量采用一體化的設(shè)計思想，設(shè)計簡便可靠的連接方式，減少接口的結(jié)構(gòu)預(yù)埋件與安裝件。在保證剛強(qiáng)度的前提下，盡量減少載機(jī)在電子裝備安裝位置處的改裝與補(bǔ)強(qiáng)工作，有效控制整機(jī)的重量。

3 新型材料

電子裝備的輕量化工作，除了需從系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行模塊級的高度綜合集成，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行最大程度的優(yōu)化設(shè)計外，新型材料的應(yīng)用也會對裝備輕量化工作產(chǎn)生顯著影響。新型材料應(yīng)用技術(shù)已成為電子裝備輕量化的關(guān)鍵所在。表1所示為當(dāng)前幾種新型材料與傳統(tǒng)合金鋼、鋁合金材料的性能比較。

表1 結(jié)構(gòu)材料性能比較

[材料＼&拉伸強(qiáng)

度 /MPa＼&拉伸模

量 /GPa＼&比強(qiáng)度

/（MPa/（g/cm3））＼&比模量

/（GPa/（g/cm3））＼&密度

[/（g/cm3）]＼&合金鋼＼&1 200＼&206＼&152.9＼&26.3＼&7.85＼&鋁合金＼&420＼&72＼&151.1＼&25.9＼&2.78＼&鈦合金＼&1 000＼&116.7＼&221.2＼&25.8＼&4.52＼&鎂合金＼&300＼&45＼&172.4＼&25.9＼&1.74＼&高模量碳/環(huán)氧樹脂＼&1 049＼&235＼&656＼&146.9＼&1.6＼&高強(qiáng)度碳/環(huán)氧樹脂＼&1 471＼&137.3＼&1014＼&94.7＼&1.45＼&]

3.1 鈦合金

鈦合金具有強(qiáng)度高、重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是比強(qiáng)度高、比剛度高，可設(shè)計，在航天航空、艦船、軍工等領(lǐng)域中獲得越來越廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代機(jī)載電子裝備設(shè)計中減輕結(jié)構(gòu)重量的重要途徑。

3.2 鎂合金

鎂合金具有重量輕、吸震性能高、良好的鑄造和切削性能、高散熱性、高電磁擾屏障等優(yōu)點(diǎn)，尤其是Mg?Li合金，兼有強(qiáng)度、韌性和可塑性方面的優(yōu)勢。鎂合金化學(xué)鍍Ni?B產(chǎn)品目前已成功用于計算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子、軍工等諸多領(lǐng)域，是取代鋼鋁材的最佳選擇。

3.3 復(fù)合材料

先進(jìn)復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代崛起的一種新材料，目前在航空航天結(jié)構(gòu)中獲得了廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、性能可設(shè)計和易于整體成形等優(yōu)異特性，對減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量具有特殊重要的意義。目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)中主要使用的碳纖維復(fù)合材料，是以碳或者石墨纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料具有以下優(yōu)良的性能：密度小、比強(qiáng)度/比模量高，線膨脹系數(shù)低、良好的耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕性和較高的熱穩(wěn)定性。復(fù)合材料的組件化、整體化設(shè)計可以大大減少零件數(shù)量，減少連接件和連接過渡區(qū)附加重量、減少裝配，是減輕結(jié)構(gòu)重量的有效技術(shù)途徑。與常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)相比，碳纖維復(fù)合材料的減重效果可達(dá)20%～40%。

在電子裝備的研制過程中，依據(jù)具體設(shè)備的設(shè)計要求，合理選擇輕型材料，可以有效減輕重量。圖2所示為某型號機(jī)載電子裝備的綜合集成機(jī)架，整體采用碳纖維復(fù)合材料，重量只有16.6 kg，以前結(jié)構(gòu)類似的鋁合金同類產(chǎn)品重量約30 kg，減重達(dá)44.67%。

圖2 碳纖維復(fù)材綜合集成機(jī)架

4 結(jié) 語

機(jī)載電子裝備日趨大型化、復(fù)雜化，其輕量化工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，目前缺乏系統(tǒng)的理論研究，更多的是依靠工程經(jīng)驗(yàn)，迫切需要建立完整的評價標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)還需要圍繞這些問題開展深入研究。

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[2] 王周讓.航空工程材料[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[3] 沈真.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

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[7] 張金平，李建新.星載雷達(dá)有源相控陣天線輕量化技術(shù)[C]//2009年全國天線年會論文集（上）.北京：電子工業(yè)出版社，2009：56?58.

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例

對于雷達(dá)等大型探測天線，其重量占整個電子裝備重量的比重較大，對這類設(shè)備的輕量化工作，直接影響整個裝備的減重效果，必須采取多種措施，充分開展結(jié)構(gòu)設(shè)計。

對電子裝備與飛機(jī)平臺之間的接口，盡量采用一體化的設(shè)計思想，設(shè)計簡便可靠的連接方式，減少接口的結(jié)構(gòu)預(yù)埋件與安裝件。在保證剛強(qiáng)度的前提下，盡量減少載機(jī)在電子裝備安裝位置處的改裝與補(bǔ)強(qiáng)工作，有效控制整機(jī)的重量。

3 新型材料

電子裝備的輕量化工作，除了需從系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行模塊級的高度綜合集成，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行最大程度的優(yōu)化設(shè)計外，新型材料的應(yīng)用也會對裝備輕量化工作產(chǎn)生顯著影響。新型材料應(yīng)用技術(shù)已成為電子裝備輕量化的關(guān)鍵所在。表1所示為當(dāng)前幾種新型材料與傳統(tǒng)合金鋼、鋁合金材料的性能比較。

表1 結(jié)構(gòu)材料性能比較

[材料＼&拉伸強(qiáng)

度 /MPa＼&拉伸模

量 /GPa＼&比強(qiáng)度

/（MPa/（g/cm3））＼&比模量

/（GPa/（g/cm3））＼&密度

[/（g/cm3）]＼&合金鋼＼&1 200＼&206＼&152.9＼&26.3＼&7.85＼&鋁合金＼&420＼&72＼&151.1＼&25.9＼&2.78＼&鈦合金＼&1 000＼&116.7＼&221.2＼&25.8＼&4.52＼&鎂合金＼&300＼&45＼&172.4＼&25.9＼&1.74＼&高模量碳/環(huán)氧樹脂＼&1 049＼&235＼&656＼&146.9＼&1.6＼&高強(qiáng)度碳/環(huán)氧樹脂＼&1 471＼&137.3＼&1014＼&94.7＼&1.45＼&]

3.1 鈦合金

鈦合金具有強(qiáng)度高、重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是比強(qiáng)度高、比剛度高，可設(shè)計，在航天航空、艦船、軍工等領(lǐng)域中獲得越來越廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代機(jī)載電子裝備設(shè)計中減輕結(jié)構(gòu)重量的重要途徑。

3.2 鎂合金

鎂合金具有重量輕、吸震性能高、良好的鑄造和切削性能、高散熱性、高電磁擾屏障等優(yōu)點(diǎn)，尤其是Mg?Li合金，兼有強(qiáng)度、韌性和可塑性方面的優(yōu)勢。鎂合金化學(xué)鍍Ni?B產(chǎn)品目前已成功用于計算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子、軍工等諸多領(lǐng)域，是取代鋼鋁材的最佳選擇。

3.3 復(fù)合材料

先進(jìn)復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代崛起的一種新材料，目前在航空航天結(jié)構(gòu)中獲得了廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、性能可設(shè)計和易于整體成形等優(yōu)異特性，對減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量具有特殊重要的意義。目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)中主要使用的碳纖維復(fù)合材料，是以碳或者石墨纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料具有以下優(yōu)良的性能：密度小、比強(qiáng)度/比模量高，線膨脹系數(shù)低、良好的耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕性和較高的熱穩(wěn)定性。復(fù)合材料的組件化、整體化設(shè)計可以大大減少零件數(shù)量，減少連接件和連接過渡區(qū)附加重量、減少裝配，是減輕結(jié)構(gòu)重量的有效技術(shù)途徑。與常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)相比，碳纖維復(fù)合材料的減重效果可達(dá)20%～40%。

在電子裝備的研制過程中，依據(jù)具體設(shè)備的設(shè)計要求，合理選擇輕型材料，可以有效減輕重量。圖2所示為某型號機(jī)載電子裝備的綜合集成機(jī)架，整體采用碳纖維復(fù)合材料，重量只有16.6 kg，以前結(jié)構(gòu)類似的鋁合金同類產(chǎn)品重量約30 kg，減重達(dá)44.67%。

圖2 碳纖維復(fù)材綜合集成機(jī)架

4 結(jié) 語

機(jī)載電子裝備日趨大型化、復(fù)雜化，其輕量化工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，目前缺乏系統(tǒng)的理論研究，更多的是依靠工程經(jīng)驗(yàn)，迫切需要建立完整的評價標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)還需要圍繞這些問題開展深入研究。

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