肖 濱，徐黎明

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036；2. 中國(guó)人民解放軍駐二十九所軍事代表室， 四川 成都 610036)

引 言

目前，由于國(guó)內(nèi)第二代和第三代戰(zhàn)斗機(jī)中使用的航空電子系統(tǒng)為聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)，即雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航、敵我識(shí)別(CNI)均為各自獨(dú)立的系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系較少，而且各個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(Line Replaceable Unit，LRU)組成。各LRU集中安裝在一個(gè)安裝架上，通過(guò)集中安裝、整體減振來(lái)實(shí)現(xiàn)集成。新一代機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)是一個(gè)高度綜合化的系統(tǒng)，由開放式集成機(jī)架和模塊組成。

美軍F-35飛機(jī)是典型的第四代戰(zhàn)斗機(jī)[1]，以基于“寶石臺(tái)”的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)為代表，是為適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)指標(biāo)而研制的高度綜合化航空電子體系架

構(gòu)。它在射頻和廣電兩大領(lǐng)域廣泛采用了模塊化、現(xiàn)場(chǎng)可更換設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)蒙皮傳感器綜合。其射頻傳感器包括雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航、敵我識(shí)別的射頻綜合部分。

F-35飛機(jī)的雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航、敵我識(shí)別均采用了基于相同封裝結(jié)構(gòu)的LRM，并以此開發(fā)了多個(gè)綜合射頻機(jī)架，但其機(jī)架的標(biāo)準(zhǔn)并不對(duì)外發(fā)布，鮮有文獻(xiàn)參考。歐洲也通過(guò)聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目發(fā)布了LRM封裝標(biāo)準(zhǔn)。

隨著國(guó)內(nèi)新型戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)，相關(guān)工業(yè)部門、科研院所也開展了大量的研究。文獻(xiàn)[2]提出綜合射頻傳感器系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)未來(lái)之星。文獻(xiàn)[1]指出基于LRM的機(jī)架結(jié)構(gòu)備份少，維修性好，具有獨(dú)立的環(huán)境防護(hù)能力，從結(jié)構(gòu)上為航電系統(tǒng)的資源共享、容錯(cuò)和重構(gòu)以及高可靠性等提供保證。文獻(xiàn)[3]研究了LRM結(jié)構(gòu)，指出采用LRM模塊具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1)降低壽命期費(fèi)用，縮短研制周期；2)提高系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力；3)有利于系統(tǒng)的改裝、擴(kuò)展以及新技術(shù)的采用。

機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)機(jī)架(以下簡(jiǎn)稱機(jī)架)涉及面廣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，技術(shù)復(fù)雜，是需要技術(shù)突破和技術(shù)提升的關(guān)鍵一環(huán)。

高度集成的機(jī)架不僅內(nèi)裝模塊數(shù)量多，而且必須同時(shí)保證低頻信號(hào)、高頻信號(hào)和光纖信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸。為確保整個(gè)綜合射頻系統(tǒng)的正常工作，必須解決好散熱、振動(dòng)和電磁兼容性等問題。

機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)機(jī)架將各種功能模塊高度集成，將其結(jié)構(gòu)形式規(guī)范化，統(tǒng)一機(jī)械安裝接口、電氣接口和冷卻液的接口，這對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備模塊的系列化、通用化等均具有極重要的意義。

本文以某型機(jī)載綜合射頻機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，綜合考慮熱設(shè)計(jì)、隔振等因素，描述其設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

典型的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

圖1 典型的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

1)根據(jù)設(shè)備的需求確定機(jī)架內(nèi)模塊的數(shù)量；

2)確定機(jī)架插槽的數(shù)量，由此計(jì)算出機(jī)架的外形尺寸并選擇連接器的區(qū)域；

3)確定液冷板的結(jié)構(gòu)、流道形式和機(jī)架冷板之間的分流方式；

4)計(jì)算出機(jī)架的流阻、冷卻液流速，并判斷流阻是否滿足要求；

5)根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)和安裝空間特點(diǎn)選擇隔振方式和隔振器的布置；

6)借助仿真分析手段進(jìn)行校驗(yàn)，判斷機(jī)架的結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求；

7)開展背板設(shè)計(jì)，確定母板的接口；

8)進(jìn)行電磁兼容性檢查；

9)通過(guò)振動(dòng)沖擊等力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式

某型綜合射頻機(jī)架要求內(nèi)裝50個(gè)模塊，其插槽數(shù)為50。機(jī)架的長(zhǎng)度可通過(guò)下式計(jì)算：

L=Wl+Wr+n×25

式中：n為插槽數(shù)；Wl為左側(cè)板厚度；Wr為右側(cè)板厚度。

這樣，可以計(jì)算出某機(jī)架的長(zhǎng)度為650 mm。

由于內(nèi)裝模塊尺寸是標(biāo)準(zhǔn)尺寸，對(duì)于單層和雙層機(jī)架而言，高度尺寸主要取決于冷板的高度。目前國(guó)內(nèi)液冷冷板的材料主要為鋁材，焊接工藝一般采用真空釬焊。同時(shí)參考國(guó)外機(jī)架的高度尺寸，雙層機(jī)架的高度定為360 mm。

機(jī)架分為2層，兩側(cè)為左側(cè)板、右側(cè)板，后部為背板，前蓋板、后蓋板將機(jī)架前后封閉。機(jī)架的左側(cè)板和頂板上布置連接器，實(shí)現(xiàn)機(jī)架與外部高頻信號(hào)、低頻信號(hào)和光信號(hào)的交聯(lián)。為改善電磁兼容特性，應(yīng)確保所有的連接器帶電磁屏蔽墊以及前后蓋板帶電磁屏蔽墊條。

機(jī)架的散熱采用強(qiáng)迫液冷方式，冷卻液由機(jī)架進(jìn)液口分別引入上、中、下3層冷板，經(jīng)熱交換后高溫液體分別從上、中、下冷板流回出液口，最終排出機(jī)架。

經(jīng)與飛機(jī)平臺(tái)協(xié)調(diào)，考慮載機(jī)的空間、電纜走向和維修通道，機(jī)架的外形如圖2所示。該機(jī)架長(zhǎng)度確定為650 mm，高度360 mm，深度320 mm。

圖2 機(jī)架的拆解示意圖

3 LRM

北約組織于2007年正式發(fā)布了四代機(jī)模塊的封裝標(biāo)準(zhǔn)，即ASAAC(Allied Standard Avionics Architecture Council)的截面尺寸。該尺寸為233.4 mm × 160 mm，這個(gè)尺寸與地面車載、艦載平臺(tái)上，采用的B尺寸類似[4]。該模塊應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)上，空間利用率較高，可以實(shí)現(xiàn)單層或雙層模塊的集中安裝。

國(guó)內(nèi)推出了類似ASAAC封裝形式的模塊(LRM)標(biāo)準(zhǔn)，定義機(jī)架內(nèi)的模塊為現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊，要求采用全封閉盒體結(jié)構(gòu)形式。

4 熱設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)架的冷卻液為65號(hào)水乙二醇溶液，流量為12 L/min，供液溫度為55 ℃，機(jī)架總流阻應(yīng)不大于300 kPa。

本文關(guān)于機(jī)架的熱設(shè)計(jì)主要集中在機(jī)架冷板流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)流體力學(xué)理論，流動(dòng)阻力由沿程阻力損失和局部阻力損失組成[5]。根據(jù)簡(jiǎn)化伯努利方程[5]得到如下計(jì)算公式：

沿程阻力損失為

(1)

管嘴漸變處局部損失為

(2)

式中，ζ為局部損失系數(shù)。

液冷冷板的研制需要設(shè)計(jì)流體通道和熱擴(kuò)散翅片，文獻(xiàn)[6]提出了串并聯(lián)混排流道的液冷冷板方案，并采用CFD建立了熱物理模型。強(qiáng)迫液冷一般采用蛇形流道冷板[7]，流道高度和寬度通常為5 ～ 15 mm。根據(jù)機(jī)架的熱耗散功率、熱流密度和流阻要求，確定冷板的流道采用串并聯(lián)結(jié)合的方式，如圖3所示。

圖3 機(jī)架冷板流道示意圖

設(shè)計(jì)流道時(shí)需要考慮：1)流速的均勻性，避免出現(xiàn)盲區(qū)；2)壓力損失最小化；3)冷板的強(qiáng)度匹配，避免局部壓力過(guò)大。

為降低機(jī)架的總流阻，機(jī)架的3層冷板之間采用并聯(lián)方式。

利用仿真軟件進(jìn)行校核，機(jī)架內(nèi)冷卻液壓力分布如圖4所示。

圖4 機(jī)架內(nèi)冷卻液壓力分布

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：機(jī)架總流阻(不含液冷接頭) Δpa1=29 kPa，冷板中速度分布無(wú)死區(qū)且較均勻。

機(jī)架冷板的管接頭采用快卸自封液冷接頭，每對(duì)快卸自封液冷接頭流阻為20 kPa。機(jī)架中共存在2對(duì)快卸自封液冷接頭，因此管接頭總流阻：

Δpajt=2×20 kPa≈40 kPa

綜合上述各部分流阻可以得出機(jī)架的總流阻：

Δpa=Δpa1+Δpajt≈69 kPa

因此，機(jī)架總流阻小于0.3 MPa，滿足系統(tǒng)總流阻要求。

5 隔振設(shè)計(jì)

綜合射頻機(jī)架可以采用剛性安裝方式或減振安裝方式。具體采用哪種方式則視載機(jī)的振動(dòng)沖擊環(huán)境和空間大小而定。

某型飛機(jī)設(shè)備艙的振動(dòng)頻譜為20 ～ 2 000 Hz，振動(dòng)譜為安裝在噴氣式飛機(jī)上設(shè)備的隨機(jī)振動(dòng)譜，其中20～116.9 Hz的加速度譜密度值W0= 0.07g2/Hz，300～1 000 Hz的加速度譜密度值W1= 0.02g2/Hz。功能振動(dòng)時(shí)間為每個(gè)軸向1 h，共X、Y、Z三個(gè)軸向。

若采用剛性安裝方式，則分析機(jī)架的前6階模態(tài)及振型，如表1所示。

表1 機(jī)架剛性安裝的前6階模態(tài)

前5階模態(tài)均為機(jī)架面板的局部模態(tài)，機(jī)架的整機(jī)模態(tài)出現(xiàn)在第6階，其固有頻率約為271.05 Hz。

利用仿真軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。當(dāng)激勵(lì)加載在Y方向時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)最大應(yīng)力(摒棄奇異點(diǎn))大約為770 MPa；當(dāng)激勵(lì)加載在Z方向時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)最大應(yīng)力(摒棄奇異點(diǎn))大約為560 MPa。機(jī)架采用LY12作為主要材料，根據(jù)材料手冊(cè)查得其彈性極限為194 MPa，機(jī)架上最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于彈性極限，因此剛性安裝時(shí)結(jié)構(gòu)破壞的可能性較大，需采用隔振器改善機(jī)架的環(huán)境適應(yīng)性。

國(guó)外第四代戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)的綜合射頻機(jī)架均采用隔振安裝方式。例如美軍F-35飛機(jī)上的雷達(dá)、電子戰(zhàn)和CNI等綜合射頻機(jī)架均采用了整體減振安裝方式。

文獻(xiàn)[8]提出了一套將理論計(jì)算、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和流程。圖5為一個(gè)受到基礎(chǔ)振動(dòng)作用的具有粘性阻尼的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)架作為一個(gè)整體通過(guò)隔振器安裝，且只考慮上下方向的振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)就可以簡(jiǎn)化為這樣一個(gè)模型。

圖5 單自由度系統(tǒng)振動(dòng)模型

根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，可以列出運(yùn)動(dòng)微分方程：

(3)

即：

(4)

式中：m為質(zhì)量；Y為質(zhì)量塊振動(dòng)響應(yīng)幅值；Y0為振源處位移幅值；C為阻尼系數(shù)；k為彈簧剛度。

對(duì)上式微分：

(5)

(6)

所以，當(dāng)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)及質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)均以同樣的物理量(位移、速度、加速度)表示時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程具有相同的形式。

運(yùn)用傅里葉變換可以得到：

(7)

(8)

橡膠的Rc一般為0.01 ～ 0.3，金屬的Rc一般為0.001 ～ 0.01。Q=|H(ω)|為系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率，根據(jù)公式可以作出Q與λ的關(guān)系圖(幅頻特性曲線)，見圖6。

圖6 振動(dòng)傳遞率與頻率比的關(guān)系

由圖6可以看出：

根據(jù)近年來(lái)的工程應(yīng)用情況，機(jī)載綜合射頻機(jī)架的隔振器推薦選用干摩擦鋼絲隔振器，其傳遞特性較好。

隔振器的布局需要考慮機(jī)架的重量、重心位置，應(yīng)盡量對(duì)稱，使系統(tǒng)解耦。一般遵循以下原則：隔振器布置應(yīng)對(duì)稱于機(jī)架的主慣性軸，或布置在包含重心的平面內(nèi)；盡可能選用相同型號(hào)的隔振器；當(dāng)采用不同型號(hào)的隔振器時(shí)，應(yīng)使各支承點(diǎn)隔振器的變位基本相同，以使隔振器在振動(dòng)中保持水平狀態(tài)。

綜合考慮以上因素，并結(jié)合飛機(jī)在機(jī)架安裝點(diǎn)的位置，機(jī)架最終采用8個(gè)隔振器在機(jī)架底部均勻安裝。整個(gè)機(jī)架的有限元模型如圖7所示，機(jī)架前6階模態(tài)及振型描述如表2所示。

圖7 機(jī)架(安裝隔振器)的有限元模型

階數(shù)固有頻率/Hz振型描述121.49機(jī)架沿Z軸平動(dòng)234.63機(jī)架沿X軸轉(zhuǎn)動(dòng)336.75機(jī)架沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)4219.99機(jī)架上、后面板振動(dòng)5230.40機(jī)架后面板振動(dòng)6240.02機(jī)架整機(jī)振動(dòng)

加載后隨機(jī)應(yīng)力分析：在Z方向加載，最大應(yīng)力為5.2 MPa；在X方向加載，最大應(yīng)力為0.2 MPa；在Y方向加載，最大應(yīng)力為0.1 MPa。因此，減振后機(jī)架的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度，強(qiáng)度滿足要求。

可以看出，安裝隔振器后，機(jī)架的前3階模態(tài)均為整機(jī)模態(tài)，動(dòng)態(tài)性能得到較大改善。整個(gè)機(jī)架中高頻的響應(yīng)比較合理，為機(jī)架模塊內(nèi)的電子器件提供了較好的工作環(huán)境，提高了抗振性能。

6 背板

對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，加強(qiáng)機(jī)架母板的剛度是特別需要注意的問題。文獻(xiàn)[9]在對(duì)機(jī)載SEM-E封裝模塊的研究中就提出背板應(yīng)有結(jié)構(gòu)支撐來(lái)加強(qiáng)剛度，如圖8所示。

圖8 剛性背板示意圖

綜合射頻機(jī)架的母板面積較大，單靠自身的剛度難以控制模塊插拔時(shí)的變形。機(jī)架的背板一般由印制板、導(dǎo)熱絕緣板和后安裝板組成。導(dǎo)熱絕緣板采用熱傳導(dǎo)彈性體絕緣材料，它能夠使母板與后安裝板之間絕緣，同時(shí)具有良好的熱傳導(dǎo)性。后安裝板作為母板的剛性支撐，起到承受模塊插拔時(shí)的沖擊力，保護(hù)母板不變形、不翹曲的作用。

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)加工完成后，應(yīng)開展機(jī)架的流阻測(cè)試試驗(yàn)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)測(cè)值與理論分析結(jié)果相符度較高，滿足考核指標(biāo)要求。

力學(xué)試驗(yàn)是驗(yàn)證機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足要求的主要手段，一般采用功能振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)來(lái)考察。試驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)機(jī)架的減振效果較好，以水平Z向?yàn)槔?，控制譜的加速度均方根為9.7g，機(jī)架響應(yīng)加速度均方根為1.0g。另外，2個(gè)方向的振動(dòng)衰減也比較接近，這與仿真結(jié)果比較吻合。

目前，該型號(hào)機(jī)架已經(jīng)完成裝機(jī)、試飛和交付使用。整個(gè)過(guò)程機(jī)架工作正常，未發(fā)生模塊過(guò)熱、機(jī)架結(jié)構(gòu)損壞和因振動(dòng)沖擊導(dǎo)致的機(jī)架功能失效的問題。

需要說(shuō)明的是，目前多個(gè)型號(hào)機(jī)架的功能振動(dòng)、炮振和沖擊試驗(yàn)也暴露出一些問題，主要集中在以下2個(gè)方面：1)隔振器與機(jī)架殼體結(jié)合處容易松動(dòng)，特別是沖擊時(shí)應(yīng)力較大；2)在炮振試驗(yàn)時(shí)，安裝在飛機(jī)炮振區(qū)的機(jī)架結(jié)構(gòu)件上的鉚釘發(fā)生斷裂，應(yīng)予以重視。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文以某機(jī)載綜合射頻機(jī)架為例，介紹了機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)仿真分析，優(yōu)化冷板的流道，選擇合理的隔振系統(tǒng)，獲得較優(yōu)的振動(dòng)響應(yīng)。

該設(shè)計(jì)方法能夠滿足設(shè)計(jì)要求，并在試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，對(duì)機(jī)載綜合射頻機(jī)架的研制具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，綜合射頻機(jī)架的機(jī)架內(nèi)單個(gè)模塊的熱功耗越來(lái)越高，這使得通液(Liquid Flow Through，LFT)模塊裝入機(jī)架成為趨勢(shì)，如何設(shè)計(jì)適應(yīng)LFT模塊的綜合射頻機(jī)架值得深入研究和探討。